摘要:在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上,就膨脹劑UEA 摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明:摻入膨脹劑能有效降低混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量. 因此,摻加膨脹劑是一種提高混凝土抗氯離子滲透能力的有效措施.
關(guān)鍵詞:抗氯離子滲透; 膨脹劑; 礦渣; 海工混凝土
Effect of Expansion Agent UEA on Chloride penetrationResistance of Concrete for Ocean Construction
Y E Qi ng1 , WA N G J i a2j i a2 , MA Cheng2chan g1 , L I L i2qi n1
(1. College of Architecture & Civil Engineering , Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310014 , China ; 2. Zhejiang First Hydropower Engineering Const ruction Company , Hangzhou 310051 , China)
Abstract :Effect of expansion agent content on t he chloride2penet ration resistance of concrete containing 50 % slag in it s binder material for ocean const ruction was studied according to ASTM C1202. Result s indicate t hat with adding 5 % , 10 % and 15 % of expansion agent , compressive strength fluctuates a little wit h mw / mb being 0. 30 , but the strength decreases by less than 10 % with mw / mb being 0. 50. The concrete expansion is increased wit h amount of expansion agent increasing and it s expansion is stable within ages of 14~28 d. Chlorine anion mobility is decreased with use level of expansion agent increasing. For example , the quantity of concrete wit h 10 % expansion agent and 50 % slag in it s binder material was less by 50 % than t hat wit h only 50 % slag. So , t he addition of expansion agent is an effective method to enhance chloride penetration resistance.
Key words :chloride penetration resistance ; expansion agent ; slag ; concrete for ocean construction
針對海水腐蝕,各國在海工混凝土護(hù)筋方面采取的基本措施為:通過仔細(xì)設(shè)計(jì)與施工,最大限度地提高混凝土本身的抗?jié)B能力,從而預(yù)防鋼筋腐蝕[1 ] 。當(dāng)今應(yīng)用較多的海工混凝土中以普通水泥內(nèi)摻30 %~70 %1) 的礦渣作為膠凝材料,只要適當(dāng)降低水灰比(小于0. 4 或0. 3) 及單位體積用水量(小于170 kg/ m3) ,添加減水劑,就可制得性能較好的海工混凝土[2~4 ]。然而,一般的高強(qiáng)海工混凝土具有與普通混凝土相當(dāng)?shù)母煽s和比普通混凝土還要大的自縮[5 ] 和冷縮。 收縮是導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫和表面開裂的主要根源之一。 為了使高強(qiáng)海工混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性,可將適量膨脹組分引入高強(qiáng)混凝土[6 ]以補(bǔ)償其收縮。因此,本文將著重研究在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上,膨脹劑摻量對海工混凝土抗氯離子滲透性能的影響。
1 原材料的選擇、確定和試驗(yàn)
1. 1 原材料
水泥(C) :P ·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其SO3含量為2. 7 %;細(xì)骨料( S) :細(xì)度模數(shù)為2.5 ,級配為Ⅱ區(qū),表觀密度為2.62g/ cm3 ;粗骨料( G) :級配為5~20 mm ,表觀密度為2.72g/ cm3 ;高效減水劑(A) :減水率約為20%的萘系減水劑(含固量約為40%,摻入量以固體量計(jì)) ;摻合料(BS) :礦渣比表面積大于480m2 / kg ,SO3含量為0;膨脹劑( EA) :UEA-H 膨脹劑,其化學(xué)成分見表1 ;拌合水和養(yǎng)護(hù)水(W) :自來水.
表1 UEA-H膨脹劑的化學(xué)組成
Table 1 Chemical composition of UEA-H expansion agent %
1. 2 摻膨脹劑海工混凝土的配合比確定
摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料(BM) 由水泥、礦渣和膨脹劑組成,且m (水泥) ∶m (礦渣) ∶m(膨脹劑) = (50- i) ∶50∶i ,其中i 分別為0,5.0,7.5,10.0,12. 5 ,15. 0. 由計(jì)算可得膠凝材料中的SO3含量分別為1. 4 % ,2. 7 %,3. 4 % ,4. 1 % ,4. 8 % ,5. 4 %。
在水膠比為0. 30 、砂率為40 %和單位體積用水量為150 kg/ m3的條件下配制A 系列摻膨脹劑海工混凝土,其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為500 ,725 ,1 085 ,2. 0 kg/ m3。在水膠比為0. 50 、砂率為40 %和單位體積用水量為190 kg/ m3 的條件下,配制B 系列摻膨脹劑的海工混凝土,其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為380 ,730 ,1 100 ,1. 0 kg/ m3 。摻膨脹劑海工混凝土的配合比見表2。 在A ,B 系列海工混凝土中,膠凝材料漿體體積與骨料體積之比均控制在32 ∶68 左右,混凝土拌合物的坍落度要求達(dá)到150~200 mm。
表2 摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料組成及其實(shí)測抗壓強(qiáng)度和自由膨脹率
Table 2 Binder material( BM) composition of concrete for ocean construction added with expansion agent and their compressive strength and free expansion
1. 3 試驗(yàn)方法
采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土,一次攪拌60 L 。先將粗骨料、細(xì)骨料、水泥、摻合料和膨脹劑按配合比放入攪拌機(jī)中干拌2 min ,然后加入溶有減水劑的拌合水,再攪拌2 min 制成混凝土拌合物。按GBJ 80 —85《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》測定混凝土拌合物的和易性。
混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法按GBJ 81 —85《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。
混凝土自由膨脹率試驗(yàn)按下列方法進(jìn)行,采用上述混凝土拌合物在尺寸為100 mm ×100 mm×300 mm 的試模內(nèi)成型3條膨脹試件,先在(20 ±2) ℃和相對濕度大于95 %的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模并用外徑螺旋測微儀(精度為0. 01 mm) 測定其初始長度;然后在(20 ±2) ℃的水中養(yǎng)護(hù)至齡期,并測定其膨脹率。
抗氯離子滲透性能試驗(yàn)方法按ASTM C 1202 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1 膨脹劑摻量對海工混凝土中氯離子遷移電量的影響
圖1 為混凝土中氯離子遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。由圖可見,A 系列海工混凝土空白試樣A (在水膠比為0. 30的條件下,以普通水泥為膠凝材料) 的遷移電量較高,為1192C;當(dāng)摻入50%礦渣時,混凝土基準(zhǔn)試樣A0 的遷移電量明顯降低,為421C ,僅為前者的35. 3 %。由此可見,礦渣的摻入明顯提高了混凝土的抗氯離子滲透性能. 隨著膨脹劑摻量的增加,混凝土的遷移電量進(jìn)一步降低?;炷猎嚇覣0,A2,A4, A6的遷移電量分別為421,256,206,139C. 以試樣A0為基準(zhǔn),則試樣A2,A4 和A6的遷移電量分別降低了39.2% ,51.1%和67.0%.在50%礦渣摻量、水膠比為0.50的條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,B 系列海工混凝土的遷移電量也進(jìn)一步降低. 混凝土試樣B0,B0,B4,B6 的遷移電量分別為958,777,415,392C。以試樣B0為基準(zhǔn),則試樣B2 ,B4 和B6 的遷移電量分別降低了18.9% ,56.7%和59.1%.
圖1 海工混凝土遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
(空白樣為不摻加礦渣和膨脹劑的混凝土)
Fig. 1 Variation of elect ric quantity passing through concrete with expansive agent added
( sample blank represents the concrete without slag and expansion agent)
由此可見,在摻礦渣提高混凝土抗氯離子滲透性能的基礎(chǔ)上,摻入膨脹劑能進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透能力。
2. 2 膨脹劑摻量對海工混凝土初始電流的影響
在混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)中初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律如圖2 所示。由圖2 可見,A系列海工混凝土空白試樣A 的初始電流較高,為30. 1 mA ;基準(zhǔn)試樣A0 的初始電流明顯降低,為17. 0 mA ,僅為前者的56. 5 %. 再隨著5 % ,10 %和15 %膨脹劑的摻入,混凝土試樣A2 ,A4 ,A6 的初始電流進(jìn)一步降低,分別為10. 3 ,9. 1 ,6. 4 mA ,它們又分別是基準(zhǔn)試樣A0 的60. 6 % ,53. 5 % ,37. 6 %. 隨著膨脹劑摻量的增加,B 系列海工混凝土的初始電流同樣也出現(xiàn)進(jìn)一步降低的現(xiàn)象。
由此可見,在50 %礦渣摻量的條件下,膨脹劑的摻入能降低混凝土的初始電流,從而可進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透性能。
圖2 混凝土試樣初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
Fig. 2 Variation of initial elect ric current flowing through concrete with expansion agent added
2. 3 膨脹劑摻量對海工混凝土最大電流增量的影響
在50 %礦渣摻量的條件下,膨脹劑的摻入能明顯降低海工混凝土的最大電流增量(最大電流增量為在6 h 測定時間內(nèi),最大電流值減去初始電流值)。在50 %礦渣摻量和水膠比為0. 30 的條件下,隨著膨脹劑的摻入,混凝土試樣A0 ,A2 ,A4 和A6 的最大電流增量分別為3. 6 ,2. 5 ,0. 8 ,0. 4mA ,若以百分比表示,則分別為100 % ,69. 4 % ,22. 2 % ,11. 1 %. 空白試樣A 的最大電流增量最大,為31. 5 mA ,分別是試樣A0 ,A4 的8. 7 ,39. 4 倍. 混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律見圖3。
圖3 混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
Fig. 3 Variation of maximum elect ric current increment flowing through concrete with expansion agent added
由圖3 可知,在50 %礦渣摻量、水膠比為0. 50 的條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,B 系列海工混凝土的最大電流增量同樣也有進(jìn)一步降低的現(xiàn)象。
2. 4 摻膨脹劑海工混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
由表2 可知:在水膠比為0. 30 的條件下,A 系列海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣A 的抗壓強(qiáng)度最高。在50 %礦渣摻量,7 d 齡期的條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布出現(xiàn)了1 個峰值,即在10 %膨脹劑摻量以前海工混凝土的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為遞增;在10 %摻量以后表現(xiàn)為遞減,但與基準(zhǔn)試樣A0 相比,其抗壓強(qiáng)度降低不多,如試樣A6 僅降低1. 3 %。同理,在50 %礦渣摻量,28 d 齡期的條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布也出現(xiàn)了1 個峰值(膨脹劑摻量為10 %) ,且在15 %膨脹劑摻量范圍內(nèi)海工混凝土的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試樣A0 相比均沒有降低。
再由表2 可知:在水膠比為0. 50 的條件下,B 系列海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣B 的抗壓強(qiáng)度最強(qiáng)在50 %礦渣摻量,7 d 齡期的條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布出現(xiàn)1 個小起伏,與基準(zhǔn)試樣B0 相比,其抗壓強(qiáng)度波動范圍在+ 2.2 %~ - 3.8%。在50 %礦渣摻量,28 d 齡期條件下,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的遞減現(xiàn)象,與基準(zhǔn)試樣B0 相比,試樣B3 ,B4 ,B5 ,B6 的抗壓強(qiáng)度分別下降了2. 6 % ,9. 3 %,9. 8 % ,10. 5 %。
海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律可解釋為:隨著(少量) 膨脹劑的摻入,膨脹型水化產(chǎn)物鈣礬石填充孔隙使混凝土致密,同時使混凝土膨脹,因此海工混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高. 而隨著較多膨脹劑的摻入,水泥
熟料量進(jìn)一步減少,鈣礬石數(shù)量增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度難以抑制鈣礬石的膨脹,因此海工混凝土的自由膨脹率將增加,而抗壓強(qiáng)度卻有所降低.
2. 5 摻膨脹劑海工混凝土的膨脹性能試驗(yàn)結(jié)果
由表2 可知:在28 d 齡期內(nèi),隨著膨脹劑摻量的增加,A 系列海工混凝土的膨脹率依次增加,而在膨脹劑摻量大于等于10 %時才有較大的膨脹,但與膨脹劑摻量不成正比。A 系列海工混凝土的膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前,在14~28 d 齡期內(nèi),其膨脹已趨于穩(wěn)定,且膨脹劑摻量沒有過量。
以28 d 齡期為例,混凝土試樣A0 ,A2 ,A4 和A6 的自由膨脹率分別為45 ×10-6 ,72 ×10 - 6 ,204 ×10 - 6 ,441 ×10 - 6。以試樣A4 為例,在3,7 ,14 ,28 d 齡期,其自由膨脹率分別為148 ×10 - 6 ,168 ×10 - 6 ,196 ×10 - 6 ,204 ×10 - 6 ,具有一定的微膨脹性能。
而B 系列海工混凝土的自由膨脹率隨膨脹劑摻量增加的發(fā)展規(guī)律與A 系列海工混凝土相似,膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前,在14~28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定,膨脹發(fā)展規(guī)律正常。
由于50 %礦渣的摻入,使膠凝材料中SO3 含量降低到約1. 4 % ,礦渣水化后又生成了較多的凝膠型水化產(chǎn)物,故在膨脹劑摻量相同的條件下,與不摻摻合料的混凝土相比,本文研究的海工混凝土的自由膨脹率較低,而且易達(dá)到膨脹的穩(wěn)定。
在水膠比為0. 30 時,海工混凝土中SO3 的總含量較高,但由于該混凝土的抗壓強(qiáng)度較高,對其膨脹有較大的限制作用,因此,在膨脹劑摻量相同的條件下,A 系列海工混凝土的自由膨脹率小于B 系列海工混凝土(水膠比為0. 50 ,抗壓強(qiáng)度較低,混凝土中SO3 的總含量相對較低) 的自由膨脹率。
3 結(jié)論
1. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上,當(dāng)膨脹劑摻量由5 %增至15 %時,海工混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量亦隨之降低。在摻入10 %膨脹劑的條件下,氯離子遷移電量比只摻50 %礦渣的混凝土降低了約50 %。這表明:與降低水膠比和摻加礦渣一樣,摻加膨脹劑也是一種有效提高海工混凝土抗氯離子滲透能力的措施。
2. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上,當(dāng)水膠比為0. 30 時,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度波動較??;當(dāng)水膠比為0. 50 時,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的抗壓強(qiáng)度波動較大,并有明顯的降低現(xiàn)象。
3. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上,隨著膨脹劑摻量的增加,海工混凝土的自由膨脹率依次增加,其膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前,在14~28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定。在摻入10 %膨脹劑時,海工混凝土的自由膨脹率達(dá)到200 ×10 - 4 ,具有一定的微膨脹性能。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ] 洪定海. 混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)[M] . 北京:中國鐵道出版社,1998.
[ 2 ] MOHAMMED T U , YAMANJ I T , HAMADA H , et al . Chloride diffusion , microst ructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal environment [J ] . ACI Materials Journal ,2002 ,99 (3) :256 - 263.
[ 3 ] 李俊毅. 論耐用100 年以上海工混凝土的基本技術(shù)條件[J ] . 水運(yùn)工程,2002 , (5) :4 - 7.
[ 4 ] 田俊峰. 海工高性能混凝土抗氯離子侵蝕耐久壽命預(yù)測[J ] . 中國港灣建設(shè),2002 , (2) :1 - 6.
[ 5 ] LI H , WEE T H , WONG S F , et al . Early2age creep and shrinkage of cement concrete[J ] . ACI material s journal , 2002 ,99(1) :3 - 10.
[ 6 ] 王媛俐,姚 燕. 重點(diǎn)工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用[M] . 北京:中國建材工業(yè)出版社,2001.