雙重劣化機(jī)制下高性能混凝土抗氯離子滲透性研究*

汪勝義 姜天華 張秀成 顏 斌 王 威

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050； 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430065；3.東南沿海工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)福建省高校工程研究中心(JDGC03) 莆田 351100)

環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散速度取決于結(jié)構(gòu)致密性、裂縫形態(tài)及開展程度。在沿海寒冷地區(qū)，橋梁等建筑結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期受到氯離子侵蝕和凍融破壞等多重因素的共同作用，加劇了混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕速率， 導(dǎo)致預(yù)期壽命將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命[1]。因此，提高混凝土耐久性是當(dāng)前亟需研究的課題。

中外學(xué)者通過不斷地研究和探索，發(fā)現(xiàn)加入粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維等摻合料制成的高性能混凝土可以有效地減少混凝土中微裂縫的產(chǎn)生及延緩裂縫的擴(kuò)展，顯著提高混凝土密實(shí)性[2-4]，且效果明顯優(yōu)于單摻一種礦物。目前針對(duì)高性能混凝土的抗氯離子滲透性能研究主要集中在受單一特定環(huán)境因素的影響，王建剛等[5]運(yùn)用RCM法分別測(cè)試了混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、干濕循環(huán)、碳化和凍融循環(huán)等環(huán)境因素下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于多重因素作用下的抗?jié)B性研究主要集中在普通混凝土上，而在復(fù)雜環(huán)境多因素作用下高性能混凝土與普通混凝土在性能上存在較大差異，仍有待進(jìn)一步研究。

基于此，本文設(shè)計(jì)制作了9組不同配合比的高性能混凝土，在氯鹽-凍融雙重劣化條件下探究聚丙烯纖維、粉煤灰、硅灰等因素對(duì)高性能混凝土抗?jié)B性的影響，并測(cè)試比較試塊劣化前后電通量值，探究高性能混凝土抗氯離子滲透機(jī)理，以期為其推廣使用提供一定試驗(yàn)依據(jù)與理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料和配合比

實(shí)驗(yàn)采用華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用需水量比為93%的河南侯剛牌一級(jí)粉煤灰；硅灰為河南四通化建有限公司生產(chǎn)，SiO2含量為93.67%的高含量?jī)?yōu)質(zhì)硅灰；細(xì)骨料采用普通河砂，堆積密度為1 560 kg/m3，表觀密度為2 560 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.58；減水劑減水率為25%～35%，為青島虹廈HSC聚羧酸高性能減水劑；纖維為長(zhǎng)度12 mm，彈性模量大于4.8 GPa的長(zhǎng)沙匯祥公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維。

為確定試驗(yàn)各材料配合比的合理范圍，固定水膠比和砂膠比，以粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維為3個(gè)變量因素，分別選取3個(gè)水平。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法L9(34)，確定了9組不同配合比。單位體積(m3)高性能混凝土各成分的質(zhì)量見表1。

表1 高性能混凝土各成分的質(zhì)量 kg

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用9組不同配合比的試塊尺寸均為直徑×高度=100 mm×50 mm的圓柱體。試塊在養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)養(yǎng)28 d后，分5個(gè)批次放入TDR-10快速凍融試驗(yàn)機(jī)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液分別進(jìn)行0，50，100，150，200次氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)(試驗(yàn)步驟參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》)[6]。每個(gè)批次氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，將試塊從凍融試驗(yàn)機(jī)拿出，待其表面干燥，用樹脂密封材料將圓柱側(cè)面表面孔洞涂刷密封，再放入真空飽水機(jī)中進(jìn)行飽水(依次進(jìn)行干抽1 h、濕抽3 h和靜停20 h)，最后利用YC-RCM系列測(cè)定儀進(jìn)行電通量測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙重劣化前抗氯離子滲透性

第一批試塊(0次氯鹽-凍融循環(huán))6 h電通量試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1。

表2 劣化前電通量試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 劣化前電通量試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

表3 電通量極差分析表 C

分析表3結(jié)果表明：R(硅灰)>R(聚丙烯纖維)>R(粉煤灰)，說明對(duì)高性能混凝土抗氯離子性能影響最大的是硅灰，聚丙烯纖維對(duì)其影響次之，粉煤灰影響最小。

綜合以上數(shù)據(jù)可知，粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%向40%變化時(shí)，電通量值先降后增。分析認(rèn)為粉煤灰自身粒徑小于水泥，顆粒呈圓珠狀，填充了一定間隙，使內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加密實(shí)度，提高抗?jié)B透能力；同時(shí)，粉煤灰中含量較高的鋁會(huì)與氯離子和Ca(OH)反應(yīng)生成Friedel鹽，進(jìn)一步降低氯離子的滲透速度。但當(dāng)粉煤灰摻量繼續(xù)增加，水泥摻量就會(huì)減少，二次水化反應(yīng)進(jìn)行不完全，水化產(chǎn)物減少，孔隙率增大[7]，因此出現(xiàn)電通量值增大的現(xiàn)象。

當(dāng)硅灰摻量在8%～12%范圍內(nèi)，隨著硅灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電通量下降了66.57%，說明硅灰對(duì)提高混凝土抗氯離子滲透性能效果顯著。其作用機(jī)理與粉煤灰類似，硅灰作為小粒徑顆粒，能夠有效填充材料間的孔隙，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，發(fā)揮細(xì)集料的填充效應(yīng)，同時(shí)和粉煤灰復(fù)摻，可以發(fā)揮疊加效應(yīng)進(jìn)一步促進(jìn)二次水化反應(yīng)，更大幅度提升高性能混凝土抗氯離子滲透性能。

而聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)在1%～2%變化時(shí)，電通量值先降后增。分析認(rèn)為當(dāng)摻入適量聚丙烯纖維時(shí)，水泥失水面積減小，使失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減小，減少內(nèi)部缺陷。其次纖維存在一定配筋作用，抑制了貫通性裂縫的產(chǎn)生，阻斷了氯離子的滲透通道。但當(dāng)纖維摻量過大時(shí)，纖維與水泥基的界面面積也會(huì)隨之加大，由于纖維的不親水性，界面處的混凝土強(qiáng)度較低，成型后的混凝土塑性收縮界面處易出現(xiàn)微裂縫；且纖維量過大澆筑混凝土?xí)r，纖維不易分散，出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象[8]。

2.2 雙重劣化后抗氯離子滲透性

第2～5批次試塊分別進(jìn)行50，100，150，200次氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)后，再進(jìn)行電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 電通量結(jié)果點(diǎn)線圖

9組試塊經(jīng)過氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)后，電通量值與雙重劣化前相比均有所下降，且隨著氯鹽-凍融雙重劣化次數(shù)的增加，電通量值總體趨勢(shì)呈先減小后增大，第1組試塊在200次氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)后與未經(jīng)過雙重劣化前相比，電通量下降了46.6%。

出現(xiàn)這種變化的原因是粉煤灰和硅灰發(fā)生火山灰效應(yīng)，生成水化硅酸鈣(C-S-H)膠凝，降低內(nèi)部孔隙率，使混凝土更加密實(shí)[9]，從而提高混凝土抗氯離子滲透能力。從水化角度分析，摻加粉煤灰和硅灰后，混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后水化反應(yīng)還在繼續(xù)進(jìn)行，水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠類物質(zhì)不斷增多，分散到水泥基體的孔隙中，阻斷氯離子擴(kuò)散路徑；當(dāng)氯鹽-凍融循環(huán)次數(shù)超過100次時(shí)，混凝土水化反應(yīng)已基本完成，但雙重劣化條件下侵蝕還在繼續(xù)，劣化的負(fù)面作用大于水化反應(yīng)的積極作用，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)開裂，氯離子滲透通道逐漸貫通，電通量上升。

但對(duì)比劣化前后試塊電通量值的變化情況，發(fā)現(xiàn)高性能混凝土在經(jīng)歷200次氯鹽-凍融循環(huán)后，電通量值仍然低于130 C，說明摻加粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維的高性能混凝土能有效抵御氯鹽-凍融雙重劣化的破壞。

3 結(jié)論

通過對(duì)9組高性能混凝土進(jìn)行不同次數(shù)劣化的電通量試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 試塊在未進(jìn)行氯鹽-凍融循環(huán)雙重劣化試驗(yàn)前，9組試塊的電通量值均低于130 C，按照ASTMC1202評(píng)定等級(jí)，屬于可以忽略的級(jí)別。極差分析結(jié)果表明硅灰對(duì)高性能混凝土抗氯離子滲透性能影響最為明顯，試塊電通量值隨硅灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低。

2) 試塊在進(jìn)行氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)后，由于水化反應(yīng)還在繼續(xù)，隨著雙重劣化次數(shù)的增加，電通量值變化趨勢(shì)為先減小后增大，但進(jìn)行200次雙重劣化后，9組試塊電容量值仍低于100 C，說明9組高性能混凝土均具備良好的抗氯離子滲透性能。

3) 粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維的填充效應(yīng)均降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，同時(shí)粉煤灰、硅灰的火山灰效應(yīng)與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的C-S-H凝膠可進(jìn)一步填充孔隙，增大混凝土密實(shí)度，有效提高混凝土抗氯離子滲透性，對(duì)提高混凝土耐久性具有重要意義。

4) 對(duì)于沿海寒冷地區(qū)高性能混凝土的改性，建議采用硅灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～12%、粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～40%、聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)為1%～1.5%。