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摘要 :本文对掺粉煤灰高性能混凝土的耐久性进行了试验研究 ,结果表明 ,掺一定量优质粉煤灰的高性能混凝土具有较好的抗硫酸盐侵蚀、抑制碱骨料反应、抗碳化与抗钢筋锈蚀性能。
关键词 :高性能混凝土粉煤灰高效减水剂硫酸盐腐蚀碱骨料反应碳化钢筋锈蚀
<<混凝土与水泥制品>>期刊
0前言
高性能砼要求具有良好的工作性 ,较高的强度和良好的耐久性 ,采用优质粉煤灰和高效减水剂双掺技术配制的高性能泵送砼 ,其抗硫酸盐侵蚀性能、抑制碱骨料反应、抗碳化和抗钢筋锈蚀性能是耐久性的重要方面 ,弄清粉煤灰、外加剂对上述性能的影响规律是十分必要的 ,本文对这些性能进行了试验研究。
１原材料与试验方法
１.１原材料
水泥 :江南水泥厂产525Ｐ·Ⅱ ,其熟料化学成分、矿物组成和水泥的物理力学性能分别列于表1～3中。
砂子 :中砂 ,ＭＸ 为2.6,表观密度2.63ｇ／ｃｍ3 ,含泥量0.4%。
石子 :玄武岩碎石 ,5～25ｍｍ ;连续级配 ,表观密度2.75ｇ／ｃｍ3,堆积密度
1450ｋｇ／ｃｍ3,空隙率47 % ,压碎值80% ,含泥量0.1 %。
粉煤灰 :南京热电厂产 ,Ⅰ级 ,细度5.2% ,烧失量38% ,需水量比94 % ,其化学成分见表１。
外加剂 :ＮＡ -Ｆ２、ＪＭ -Ⅷ、ＪＣ -２Ｂ型高效缓凝减水剂。
水 :自来水。
１.２高性能砼配合比
采用不同粉煤灰掺量和不同品种高效减水剂的Ｃ50高性能泵送砼 ,其配合比列于表４中。
１.３试验方法
①抗硫酸盐腐蚀试验参照ＧＢ749 -65方法进行 ,试件尺寸为100ｍｍ×100ｍｍ×100ｍｍ ,成型及标养28ｄ后 ,一组浸没在３%硫酸钠溶液中 ,每两个月换一次溶液 ,浸泡150ｄ。另一组试件放于水中养护。
②碱骨料反应按ＣＥＣＳ48 :93方法进行。
③碳化试验按ＧＢＪ82 -85方法进行。试样成型后标养28ｄ ,烘干 ,放于温度为20±5℃ ,湿度70±5 % ,ＣＯ2 浓度为20±3 %的标准碳化试验箱内 ,测定7ｄ、14ｄ和28ｄ的碳化深度。
④钢筋锈蚀试验按ＧＢＪ82 -85方法进行。将埋有钢筋的试件按标准经碳化28ｄ后 ,取出放于混凝土标养室中存放56ｄ,取出破型 ,检查钢锈蚀情况。
２试验结果与讨论
２.１抗硫酸盐侵蚀性能
固体盐并不侵蚀砼 ,但是盐溶液却能与硬化水泥浆发生化学反应。硫酸盐与Ｃａ２ 及水化铝酸钙发生反应 ,就会对水泥产生侵蚀。反应生成的产物二水石膏和水化硫铝酸钙 ,其体积均较原化合物体积大很多 ,因而会引起砼的膨胀与破裂。受硫酸盐侵蚀的砼表面呈稍白的特征色 ,损坏通常先从棱角开始 ,随后进一步开裂与剥落 ,致使砼变脆而成松散状态。工程实践表明 ,采用Ｃ3Ａ含量低的水泥可减轻硫酸盐对砼的侵蚀。
为了改善砼抗硫酸盐侵蚀的性能 ,也可在水泥中掺入火山灰［１］部分地取代水泥 ,火山灰可减少砼中的游离Ｃａ2且给予铝相以不活泼性。但是在砼暴露于硫酸盐介质之前 ,一定要有足够时间使火山灰活性发挥。已经发现许多种火山灰配制的砼对抗硫酸盐侵蚀非常有效。但对于粉煤灰的作用效果还存在不同的看法 ,这可能与粉煤灰的质量和化学成分等有关。
本试验采用Ｃ3Ａ为512 %的525#Ｐ·Ⅱ水泥 ,砼配合比见表４ ,经３%硫酸钠溶液浸泡１５０ｄ及放于同龄期水中的对比试件的试验结果列于表５中。试验结果表明 :
掺入一定量粉煤灰的高性能砼在水中养护时 ,其后期强度的增加幅度较大 ,且高于不掺粉煤灰的砼。如掺36 %Ⅰ级粉煤灰和ＪＭ -Ⅷ高效减水剂的高性能砼 ,
180ｄ抗压强度达93ＭＰａ,比28ｄ增加36.7% ,比不掺粉煤灰的增加6.7 %。
当高性能砼中粉煤灰掺量在０～36 %范围内 ,其抗硫酸盐侵蚀程度不尽相同。具体表现为 ,掺粉煤灰砼的抗硫酸盐性能比不掺者好 ,其抗压强度的损失率减少 ;掺２４%粉煤灰的高性能砼抗硫酸盐侵蚀性最好 ,在硫酸盐溶液中侵蚀150ｄ ,其抗压强度无损失 ,且略高于对比试件。
采用相同粉煤灰掺量的两种高效减水剂的平行试验结果其规律基本一致。
本文配制的掺粉煤灰高性能砼 ,具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能 ,主要在于 :①选用了Ｃ３Ａ含量低的水泥 ,使砼中水化铝酸钙含量减少 ;②在砼中掺入了Ⅰ级粉煤灰 ,使砼中游离Ｃａ２ 含量明显减少 ;③采用高效减水剂和优质粉煤灰的双掺技术 ,使砼的水灰比降低 ,结构致密 ,强度和抗渗性均提高。
２.２抑制碱骨料反应
砼碱骨料反应是其耐久性的又一项重要指标 ,当水泥中的碱与活性集料发生反应时 ,将在砼内部产生膨胀而导致开裂 ,使砼失去整体性 ,其危害十分严重 ,被称为砼的“癌症”。碱骨料反应有三种类型 ,最主要的是碱 -硅酸反应 ,其次是碱 -碳酸盐反应 ,再次是碱 -硅酸盐反应。
有关研究表明［２ ,３］,掺入一定量活性掺合料如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰可以较好地抑制碱硅酸反应 ,对碱 -碳酸反应也具有一定的抑制作用。掺40 %以上的磨细矿渣、30%以上的粉煤灰就能有效地抑制碱 -硅酸反应 ,而抑制碱 -碳酸盐反应的最低掺量 :磨细矿渣为≥50% ,粉煤灰为≥40 %。
本文对高性能砼中粉煤灰抑制碱骨料反应的作用进行了初步的试验研究。试验中 ,水泥采用三峡大坝用中热水泥 ,碱含量为1.07% ,集料采用南京某地的石灰岩碎石 ,掺合料为Ⅰ级粉煤灰 ,矿渣微粉 ,试验结果列于表６中。试验结果表明 :
①按ＣＥＣＳ48:93标准进行碱骨料反应试验 ,随着灰集比减小 ,其蒸养和压蒸膨胀值均增加 ,本试验对不同灰集比的重复试验表明 ,其压蒸膨胀值均大于0.1% ,说明该石子属活性集料。
②本文的试验结果表明 ,粉煤灰对碱 -骨料反应的抑制能力 ,大于相同掺量的磨细矿渣 ,掺２５%的Ⅰ级粉煤灰已具有较好的抑制碱骨料反应的能力。
２.３抗碳化性能
空气中的ＣＯ2 气渗透到水泥砼内 ,与其碱性物质起化学反应生成碳酸盐和水 ,使水泥砼碱度降低。水泥砼中的碳化反应不限于Ｃａ2,在各种水化物或未水化物中 ,也会发生其他类型的碳化反应 ,但就碳化而言 ,Ｃａ2 的影响最大。砼的碳化作用使防止钢筋锈蚀的碱性状态中性化 ,使砼中的ｐＨ值由12～13降至８左右 ,如果钢筋的砼保护层完全碳化 ,那么在水分与氧气能渗入的条件下 ,钢筋就会发生锈蚀而导致砼的开裂甚至破坏。
表４中各砼的碳化结果见表７和图１。结果表明 ,减水剂品种和掺量对碳化影响不明显 ,而碳化龄期、粉煤灰的掺量和砼强度等级等对砼碳化深度有较大影响。其规律是 ,砼的碳化深度随碳化龄期和粉煤灰掺量的增加而增大。在标准试验条件下碳化28ｄ,相当于大气条件下碳化50年 ,掺24 %的Ⅰ级粉煤灰取代20 %水泥 ,碳化深度小于10ｍｍ ,掺36%的Ⅰ级粉煤灰 ,取代30%的水泥 ,其砼碳化深度小于15ｍｍ。由于该砼采用了粉煤灰和高效减水剂的双掺技术 ,Ｗ／Ｃ较小 ,砼结构密实 ,抗压强度较高 ,因而抗碳化性能较好。
２.４抗钢筋锈蚀性能
一般情况下 ,水泥砼保护层碱度较高 ,对钢筋有足够的保护作用 ,但是如果外加剂或掺合料使用不当 ,砼结构比较疏松或因碳化和某些原因造成混凝土碱度不足时 ,钢筋就有产生锈蚀的危险。
本文对采用Ⅰ级粉煤灰和高效减水剂配制的高性能砼 ,采用破型法测定钢筋的锈蚀情况 ,砼配合比同碳化试件 ,试验结果列于表８中。试验结果表明 :
①本文１２组砼试件中破型后钢筋表面基本光亮 ,锈蚀不很明显 ,钢筋失重均≤０.６%。最后三组与前面比较略有差异。
②三种萘系高效减水剂因其Ｃｌ-含量差别不太大 ,因而对不同粉煤灰掺量的砼中的钢筋锈蚀的影响无明显区别。
③Ⅰ级粉煤灰掺量12%的三组Ｃ50砼 ,钢筋抗锈蚀能力优于空白的三组砼 ,钢筋平均失重率为空白组87%。
④Ⅰ级粉煤灰掺量24%的三组Ｃ50砼 ,钢筋抗锈蚀能力接近于空白的三组砼 ,钢筋平均失重率比空白组高7 %。
⑤Ⅰ级粉煤灰掺量36%的三组Ｃ50砼 ,钢筋抗锈蚀能力比空白组差 ,钢筋的平均失重率比空白组高33 %。
结合碳化和钢筋锈蚀试验的结果可看出 ,在相同条件下 ,砼中钢筋的锈蚀与很多因素有关 ,其中砼的碳化深度与粉煤灰的掺量对钢筋锈蚀有一定的影响 ,粉煤灰掺量对碳化深度和钢筋锈蚀的影响不尽相同 ,由图２可知 :在标准试验条件下 ,砼28ｄ的碳化深度与粉煤灰的掺量基本上成正比 ,而粉煤灰掺量对钢筋失重率影响不太显著。在一定掺量范围内 (ＦＡ≤24% )基本上无影响 ,甚至优于空白的砼 ,这与有关研究［４］一致。但当掺量超出一定范围 ,由于砼的碳化加快和砼内部ｐＨ值降低 ,使得钢筋锈蚀出现增大的趋势。另一方面 ,掺粉煤灰砼中的钢筋锈蚀情况 ,同样与砼的密实度和强度有一定关系。
３结论
①采用Ⅰ级粉煤灰和高效减水剂双掺技术配制的高性能砼 ,具有较好的物理力学性能和耐久性。
②掺一定量的Ⅰ级粉煤灰的高性能砼 ,其抗硫酸盐性能较优 :掺12%粉煤灰的砼与空白砼相近 ,掺24%粉煤灰的效果最好 ,优于空白砼 ;掺36%粉煤灰的砼则介于掺12%与24 %之间。
③粉煤灰是砼碱骨料反应的良好抑制剂 ,掺25%的Ⅰ级粉煤灰 ,可将碱骨料反应压蒸膨胀值降低80%以上。
④本项目配制的高性能砼具有较好的抗碳化和抗钢筋锈蚀性能。砼的碳化速度随粉煤灰掺量的提高而加快。在本文试验条件下 ,掺24%粉煤灰 ,28ｄ碳化深度小于10ｍｍ。抗钢筋锈蚀性能接近于同强度等级的空白砼。
参考文献
［１］Ａ．Ｍ．Ｎｅｖｉｌｌｅ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ，1981
［２］唐明述 ,关于碱 -集料反应的几个理论问题 ,硅酸盐学报 ,第１８卷第４期 ,1990８
［３］刘崇熙等著 ,坝工砼专论 ,华南理工大学出版社 ,1995
［４］方等 ,碳化对砼性能影响的研究 ,水利水电科技 ,1996年Ｎｏ．
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