膨潤土摻量和水膠比對水工混凝土抗?jié)B透性能的影響研究

李秀陽

（朝陽市喀左縣平房子水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122300）

由于特殊的運行環(huán)境，水工混凝土普遍面臨著一定程度的滲透性問題，大大影響著基礎(chǔ)設(shè)施和工程結(jié)構(gòu)的耐久性能，長期以往導(dǎo)致水庫大壩等服役年限縮短，維修費用明顯提高[1]。目前，水工混凝土的滲透性問題越來越引起國內(nèi)外學者的重點關(guān)注，有學者提出增強混凝土氯離子滲透阻力的有效方法是摻入適量的礦物摻合料，而降低氯離子滲透深度的有效途徑是適當減小水膠比；也有學者在混凝土中加入膨潤土，有利于降低水滲透系數(shù)并增強其黏聚力，摻入膨潤土能夠堵塞混凝土的內(nèi)部孔隙，從而增強其抗?jié)B性[2-3]。因此，增強混凝土抗氯離子滲透性的有效措施是摻加礦物摻合料和減小水膠比，而增強其抗水滲透性的主要方法是摻加膨潤土。然而，現(xiàn)有研究較少考慮低水膠比水工混凝土中摻膨潤土的抗氣體滲透性，并且Cl-、CO2等有害離子和氣體的滲透是造成內(nèi)部鋼筋銹蝕的關(guān)鍵原因，增強抗氣體滲透性可以有效預(yù)防鋼筋銹蝕，延長水工結(jié)構(gòu)服役年限，故研究低水膠比水工混凝土中摻膨潤土的抗氣體滲透性具有重要意義[4-5]。

目前，比較常見的試驗方法有氯離子、氣體和水滲透試驗，水滲透法具有時間過長、測試精度低等缺陷，而氯離子滲透和氣體滲透法能夠有效規(guī)避這些問題[6-8]。此外，由于試驗條件不同這幾種滲透性試驗測試結(jié)果之間不能相互比較，有必要進一步探討其抗氯離子滲透性與抗氣體滲透性指標之間的相關(guān)性。鑒于此，本文研究了水工混凝土抗氯離子滲透性、抗氣體滲透性受水膠比和膨潤土摻量的影響，并分析了摻膨潤土混凝土的微觀結(jié)構(gòu)以及兩種抗?jié)B透性能相關(guān)性，以期為低水膠比水工混凝土中膨潤土的應(yīng)用提供一定數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

水泥：大連天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥；粉煤灰：綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰；礦粉：本溪萬泉S95級礦粉，比表面積為460m2/kg；膨潤土：建平縣中毅有限公司生產(chǎn)的鈣基膨潤土，主要性能指標如表1所示；粗細骨料選用細度模數(shù)2.5的天然河砂和5～20mm連續(xù)級配人工碎石；外加劑選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸減水劑，減水率28%，含固量40%。

表1 膨潤土的主要性能指標

1.2 試驗配合比

依據(jù)《水運工程混凝土施工規(guī)范》中的規(guī)定合理設(shè)計水工混凝土配合比，如表2所示。采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，對0%、3%膨潤土摻量且水膠比0.36基準組，通過適當增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，通過控制減水劑摻量將拌合物坍落度調(diào)整到180～220mm范圍內(nèi)，測試結(jié)果見表3。

表2 基準配合比設(shè)計 kg/m3

表3 拌合物擴展度與坍落度

水膠比 減水劑/% 膨潤土/% 擴展度/mm 坍落度/mm 0.40 1.2 3 405 190

1.3 試驗方法

1.3.1氣體滲透試驗

本試驗利用氣體滲透法配制300mm×150mm×150mm試件，試驗選用透氣性測試儀(TORRENT Permeability Tester)對標養(yǎng)28d后的水工混凝土試樣進行測試，采用滲透深度L和滲透系數(shù)KT評定抗氣體滲透性。

1.3.2 抗氯離子滲透試驗

試驗配制φ100mm×50mm試件，利用規(guī)范推薦的電通量法對標養(yǎng)28d后的水工混凝土試樣進行測試，以6h內(nèi)通過的電流值和總電通量評定抗氯離子滲透性。

1.3.3 掃描電鏡(SEM)微觀試驗

水工混凝土微觀結(jié)構(gòu)擬利用S4800型掃描電鏡(SEM)進行觀測，試驗過程中嚴格按掃描電鏡操作手冊執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗氣體滲透性能

1） 膨脹劑摻量的影響。采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標養(yǎng)28d后測試各組試樣的抗氣滲透系數(shù)以及滲透深度，水工混凝土抗氣體滲透性能受膨潤土摻量的影響如圖1所示。

圖1 不同膨潤土摻量的抗氣體滲透性

從圖1可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著膨潤土摻量的增大表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，較基準組的氣體滲透系數(shù)摻1%、3%、5%膨潤土組依次減小了28.6%、57.1%、31.0%，滲透深度依次減小了12.6%、30.2%、19.9%。水工混凝土中摻3%膨潤土時，其氣體滲透深度和深度系數(shù)減小幅度最大，摻7%的膨潤土組大于基準組氣體滲透深度和滲透系數(shù)。

對于未摻膨潤土的水工混凝土，加入的復(fù)合礦物摻合料在一定程度上降低了其內(nèi)部相互連通的孔隙數(shù)量，有效改善了水泥石的結(jié)構(gòu)和整體抗氣體滲透性。此外，膨潤土的加入能夠發(fā)揮一定的膨脹性，對填充混凝土內(nèi)部孔隙以及抑制外部氣體的滲透發(fā)揮著積極作用。因此，水工混凝土中摻入適量的膨潤土能夠有效增強其抗氣體滲透性。然而，摻量過高時膨潤土會吸收許多的水分，其自身釋放的水分無法維持水泥的進一步水化，對水泥水化造成不利影響，致使內(nèi)部孔隙增多，抗氣體滲透性有所下降[9]。

2）水膠比的影響。對0%、3%膨潤土摻量且水膠比0.36基準組，通過適當增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標養(yǎng)28d后測試各組試樣的抗氣滲透系數(shù)以及滲透深度，水工混凝土抗氣體滲透性能受水膠比的影響如圖2。

圖2 不同水膠比的抗氣體滲透性

從圖2可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著水膠比的增大而增大。膨潤土摻量0%時，較水膠比0.4的氣體滲透深度和滲透系數(shù)水膠比0.30、0.36組依次減小了35.0%、12.8%和73.6%、47.3%；膨潤土摻量3%時，較水膠比0.4的氣體滲透深度和滲透系數(shù)水膠比0.30、0.36組依次減小了52.5%、33.6%和72.5%、55.0%，并且基準組的氣體滲透深度和深度系數(shù)均高于摻3%膨潤土的各水膠比組。水膠比為0.30時，膨潤土摻量為3%組的氣體滲透深度和滲透系數(shù)達到最小。

水工混凝土內(nèi)部的游離水隨著水膠比的增大而增多，游離水的蒸發(fā)損失使得混凝土硬化過程中形成許多孔隙[10]。混凝土中大孔徑的孔含量也會隨著水膠比的增加而增多，內(nèi)部貫通孔數(shù)量也隨之升高，這些孔隙使得抗氣體滲透性能明顯下降。

2.2 抗氯離子滲透性能

1） 膨脹劑摻量的影響。采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標養(yǎng)28d后測試各組試樣的電通量和電流值，抗氯離子滲透性受膨潤土摻量的影響如圖3所示。

圖3 不同膨潤土摻量的抗氯離子滲透性

從圖3(a)可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的電通量隨著膨潤土摻量的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，電通量在3%膨潤土摻量時達到最小。從圖3(b)可以看出，在相同膨潤土摻量的條件下，通過水工混凝土的電流值隨通電時間的延長逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定并小幅減小。未摻膨潤土組的電流值始終保持最高，變化幅度也最大，膨潤土的摻入有效降低了電流值，并且隨膨潤土摻量的升高通過混凝土的電流值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，3%膨潤土組的電流值降幅最高。

在摻礦粉和粉煤灰的情況下再加入膨潤土，摻加的復(fù)合礦物摻合料有利于減小試樣內(nèi)部孔隙率，再加入膨潤土可以減小內(nèi)部較大孔徑的孔隙，進一步降低了混凝土孔隙率。同時，膨潤土有利于促進離子交換，Mg2+離子可以取代膨潤土結(jié)構(gòu)中的Al3+，促使復(fù)層間形成負電荷并對Cl-產(chǎn)生斥力，滲透阻力明顯增大，有效降低滲透速率[11]。但是內(nèi)部的孔隙數(shù)量有限，膨潤土摻量繼續(xù)增加使得孔隙被填充飽和，而未參與反應(yīng)的多余膨潤土會吸水膨脹影響水泥水化，從而增大了內(nèi)部孔隙率，水工混凝土抗氯離子滲透性有所下降。

2）水膠比的影響。對0%、3%膨潤土摻量且水膠比0.36基準組，通過適當增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標養(yǎng)28d后測試各組試樣的電通量和電流值，水工混凝土抗氯離子滲透性能受水膠比的影響如圖4所示。

圖4 不同水膠比的抗氯離子滲透性

從圖4(a)可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的電通量隨著水膠比的減小而下降，基準組的電通量均高于摻3%膨潤土個水膠比組，電通量在水膠比0.30時達到最小。從圖4(b)可以看出，在相同水膠比的條件下，通過水工混凝土的電流值隨通電時間的延長逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定并小幅減小。水膠比為0.4組的電流值始終保持最高，通過試樣的電流值隨水膠比的減小明顯下降，并且隨著水膠比和電流值的減小，基準組的最終電流值均高于摻3%膨潤土各水膠比組，摻3%膨潤土水膠比0.30組的電流值最小。

水工混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)受水膠比的影響顯著，水膠比越小則水化越徹底，內(nèi)部孔隙越小，水工混凝土密實度就越高。減小水膠比有利于堵塞結(jié)構(gòu)內(nèi)部通道，抑制氯離子的傳輸，從而增強抗氯離子滲透阻力；增大水膠比，在硬化過程中會增加內(nèi)部的大孔數(shù)量，加速氯離子的擴散，從而使得抗氯離子滲透性有所下降[12]。

2.3 氣體滲透與氯離子滲透的相關(guān)性

水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性之間的相關(guān)性，如圖5所示。由圖5可知，電通量與氣體滲透系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.9615，電通量與氣體滲透深度之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.7825，且電通量與氣體滲透系數(shù)的相關(guān)性大于與氣體滲透系數(shù)。根據(jù)R2＞0.90呈顯著相關(guān)，0.50＜R2≤0.90呈中度相關(guān)的有關(guān)標準，電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)，電通量與滲透深度呈中度正相關(guān)。氯離子滲透和氣體滲透之間的相關(guān)性良好，電通量隨滲透深度和滲透系數(shù)的減小呈下降趨勢。水工混凝土的內(nèi)部孔隙越少，結(jié)構(gòu)越密實，則滲透到內(nèi)部的氯離子和氣體就越少，相應(yīng)的電通量和氣體滲透系數(shù)也就越小。膨潤土摻量為7%，基準組的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均低于試驗組，而基準組的電通量高于試驗組，究其原因是礦物摻合料的加入具有吸附氯離子的能力，從而降低了游離氯離子量，但電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著相關(guān)性且氯離子滲透和氣體滲透趨勢大致相同[13]。

圖5 抗氯離子滲透與抗氣體滲透的相關(guān)性

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用膨潤土等量替代基準配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，經(jīng)水化28d后利用掃描電鏡觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未摻膨潤土組存在大量相互搭接的纖維狀水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部孔隙較多；摻3%膨潤土時，內(nèi)部孔隙明顯減少，這是由于膨潤土吸水膨脹后堵塞內(nèi)部孔隙，混凝土孔隙率明顯下降；摻7%膨潤土時，部分纖維狀結(jié)晶相互分散且被包裹，這是因為過多的膨潤土吸附了大量水分，阻礙了水泥水化，使得內(nèi)部C-S-H凝膠量減少，結(jié)構(gòu)密實度以及C-S-H的搭接程度下降，水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性變差。由于膨潤土的離子交換性能及其對水化產(chǎn)物的包裹作用可以有效地延緩氯離子擴散，相較于抗氣體滲透性其抗氯離子滲透性更優(yōu)。

3 結(jié) 論

1）水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著膨潤土摻量的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，氣體滲透深度和滲透系數(shù)最低組是摻3%膨潤土組。水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著水膠比的減小而下降。

2）基準組的電流值和電通量高于摻膨潤土試驗組，其中摻3%膨潤土組的電流值和電通量最低，適當減小水膠比有利于增強抗氯離子滲透性。

3）水工混凝土的電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)性，摻入適量的膨潤土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。