摻火山巖粉與粉煤灰水工混凝土耐久性分析

齊士強

(盤錦市水利事務服務中心,遼寧 盤錦 124000)

調查顯示,我國擁有豐富火山灰資源的省份達到12個,但由于形成原因存在較大差異,不同地域的火山灰物理性能、礦物組成以及化學成分各異,其改善混凝土的作用效果也具有明顯差異,故火山灰使用量較少且利用水平偏低[1-2]。我國東北地區即將建設或在建的水利水電工程較多,為緩解日趨緊缺的粉煤灰資源供給壓力,研究使用天然火山灰資源極具現實意義[3-5]。文章利用硫酸鹽干濕循環、凍融和快速碳化試驗,對比分析了摻粉煤灰與火山巖粉混凝土的主要性能指標,旨在為火山巖粉的實際工程應用提供技術支持。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥:沈陽山水工源P·O 42.5水泥,初、終凝時間215min和280min,標稠用水量27.1%,比表面積344m2/kg,密度3.05g/cm3,3d和28d抗壓強度30.6MPa、51.8MPa。粉煤灰:大連華能電廠生產的國電II級灰。火山巖粉:經機械研磨而成的深灰色多孔玄武巖粉。細骨料:抑制骨料堿活性試驗用砂和混凝土強度及耐久性試驗用砂為大連莊沙砂石場生產的Ⅱ區中砂與粗砂,級配良好。粗骨料:大連地區石灰巖碎石,壓碎指標7.8%,針片狀含量6.0%,含泥量0.2%。外加劑:ZB-1A緩凝高效減水劑和GYQ?-Ⅲ復合型高效引氣劑。

1.2 試驗方法

結合混凝土耐久性相關規范對水膠比的要求,試驗選用水膠比為0.45和0.50,按照最不利條件探究火山巖粉的影響作用。

1)膨脹率試驗:采用砂漿棒快速法測定3d、7d、10d、14d、28d、60d、90d齡期各組試件的膨脹率,試驗配合比及測試結果如表1所示。

表1 抑制骨料堿活性試驗配合比及膨脹率

2)碳化試驗:參照《水工混凝土試驗規程》中的方法測定標養至28d和90d齡期時,試件碳化3d、7d、14d、28d、45d時的碳化深度,試驗配合比如表2所示。

表2 耐久性試驗配合比及拌合物性能

3)抗凍試驗:參照現行規范和表2中的配合比,測定標養28d時試件不同凍融次數的相對動彈模量及質量損失率變化情況。

4)抗硫酸鹽侵蝕試驗:依據有關規范和表2中的配合比進行成型養護、注液、浸泡、排液、烘干和冷卻等試驗操作,測定各組試件強度變化規律。

2 結果與分析

2.1 骨料堿活性試驗

實際工程應用時必須考慮火山巖粉對骨料堿活性的抑制效果,不同齡期時各摻合料混凝土膨脹率及其抑制效果如圖1所示。

(a)膨脹率

從圖1(a)可以看出,試驗過程中表現出較明顯的骨料堿活性,隨著齡期的延長試件膨脹率呈逐漸上升的變化趨勢;隨粉煤灰或火山巖粉摻量的增加,試件膨脹率總體上呈下降趨勢,摻30%和40%粉煤灰組的膨脹率基本相同;摻量相同情況下,粉煤灰組<火山巖粉組的膨脹率,摻20%粉煤灰與摻40%火山巖粉組的膨脹率接近。從圖1(b)可以看出,摻量超過30%時粉煤灰具有顯著的堿活性抑制效果,其抑制作用隨齡期的延長趨于平穩;摻量達到30%時火山巖粉也表現出良好的抑制效果,其抑制作用在反應早期更加明顯,隨著齡期的延長有所降低。摻20%粉煤灰組的早期(3d)抑制作用一般,從7d齡期開始產生明顯抑制效果,與40%火山巖粉組相當。雖然7d齡期后摻10%粉煤灰與10%、20%火山巖粉組的抑制效果開始增強,但總體的堿活性抑制效果較差,反應初期的抑制能力較低。

通過深入分析堿活性抑制機理可知,試驗采用的火山巖粉比表面積大,其主要成分Al2O3和SiO2可以快速吸附金屬離子,消耗堿溶液中的OH-,降低了堿與骨料內SiO2的反應速率和膨脹率,從而發揮一定的抑制作用;另外,在反應過程中火山巖粉減少了凝膠中的Ca/Si比,溶液中的K+、Na+被有效吸附,達到了抑制堿骨料反應的效果,由于堿含量較好必須大摻量才能達到較好的效果。

2.2 碳化試驗

為揭示水工混凝土抗碳化能力受粉煤灰與火山巖粉的影響規律,結合實踐經驗選擇粉煤灰及火山巖粉復摻和單摻試驗方案,隨碳化時間的延長各摻合料試件的碳化深度變化曲線如圖2所示。

圖2 碳化深度變化曲線

結果表明,配合比相同條件下混凝土碳化深度主要受標養時間的影響,標養28d遠>標養90d試件的碳化深度;養護條件相同情況下,摻粉煤灰與火山巖粉試件的碳化深度變化趨勢相近,前期碳化深度增長較快而后期較慢,時間越長碳化越深;標養28d時,粉煤灰組略<火山巖粉組的碳化深度,而標養90d時兩者的碳化深度基本一致。

通過深入分析抗碳化作用機理發現,混凝土抗碳化能力不僅與抗CO2的滲透性有關,還與基體內部Ca(OH)2含量密切相關。具體而言,水化產物Ca(OH)2會與摻合料中的Al2O3和SiO2反應生成C-S-H,使得內部的Ca(OH)2濃度下降,在一定程度上降低CaCO3的生成速率,并且養護時間越大生成的水化產物越多,從而改善了基體的孔結構和抗滲性,有利于抑制CO2的滲入;另外,磨細火山巖粉<水泥顆粒,能夠填充基體內的毛細孔隙使其抗滲性和密實性提高。

2.3 抗凍試驗

凍融交替作用是東北地區水工混凝土耐久性的重要影響因素,有必要探究火山巖粉對抗凍性的影響作用,不同凍融循環下摻粉煤灰和火山巖粉試件的質量損失率及相對動彈模量如圖3所示。

(a)相對動彈模量

從圖3可以看出,純水泥混凝土的質量損失率最小,相對動彈模量降幅最低,凍融循環200次時其相對動彈模量下降到75%,質量損失率只有1.7%;單摻粉煤灰組高于純水泥組的相對動彈模量降幅和質量損失率,凍融循環200次時滿足質量損失率≤5%,相對動彈模量≥60%的要求;摻30%火山巖粉組的質量損失率最高,相對動彈模量降幅最大,凍融循環150次時已不符合規范要求;復摻粉煤灰與火山巖粉組低于單摻火山巖粉組的相對動彈模量降幅和質量損失率,凍融循環200次時其質量損失率達到5.4%,相對動彈模量減小到57%,不滿足規范要求。綜上分析,水膠比相同情況下,各組試件的抗凍性優劣排序為火山巖粉組<復摻組<粉煤灰組<純水泥組。通過引入適當微小氣泡且使用較小水膠比,可以大幅度改善火山巖粉混凝土抗凍性。

2.4 抗硫酸鹽試驗

對比復摻和單摻粉煤灰、火山巖粉及純水泥試件在硫酸鹽溶液與標養環境下的干濕循環強度發展規律,進一步分析其抗侵蝕性能,試驗結果如圖4、圖5所示。

(a)標養環境

圖5 抗壓強度耐蝕系數

由圖4(a)可知,在干濕循環前50次時隨時間的發展標養條件下各組試件抗壓強度均表現出明顯上升趨勢,但干濕循環達到50次至150次時摻粉煤灰及純水泥組強度基本不變,而復摻組及單摻火山巖粉組略有上升;齡期相同條件下從小到大抗壓強度排序為火山巖粉組<復摻組<粉煤灰組<純水泥組。由圖4(b)可知,在干濕循環前50次時隨齡期延長硫酸鹽侵蝕條件下各組試件抗壓強度均呈快速上升趨勢,其中純水泥組最高,其次是粉煤灰組,摻火山巖粉組與復摻組強度相近且最低;但干濕循環達到50次至100次時,除復摻組其它組均出現不同程度的下降,干濕循環達到100次后各組均呈下降趨勢;干濕循環150次時從小到大抗壓強度排序為火山巖粉組<復摻組<純水泥組<粉煤灰組。

從圖5可以看出,在干濕循環前50次各組抗壓強度耐蝕系數均>100%,這表明干濕循環有利于促進早期強度的發展;抗壓強度耐蝕系數隨著干濕循環次數的增加呈現出波動下降趨勢,干濕循環150次時從小到大強度耐蝕系數排序為火山巖粉組<純水泥組<復摻組<粉煤灰組。因此,硫酸鹽侵蝕條件下的混凝土早期強度略高于標養環境,隨著齡期的延長硫酸鹽逐漸表現出侵蝕劣化作用,特別是摻火山巖粉組表現更加明顯,而粉煤灰具有較好的抗侵蝕特性,復摻粉煤灰與火山巖粉組>純水泥組的耐蝕系數,說明兩者復摻時具有一定抗侵蝕作用。

3 結 論

1)火山巖粉具有抑制骨料堿活性的作用,但由于具有較高的堿含量,為更好地抑制堿骨料反應其摻量低于<40%。摻粉煤灰與火山巖粉的抗碳化能力相近,標養28d時火山巖粉組略低于粉煤灰組的抗碳化能力,但標養至90d時兩者的抗碳化性基本一致。

2)摻火山巖粉組略低于摻粉煤灰及純水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕和抗凍性,復摻粉煤灰與火山巖粉可以提升整體耐久性,從低到高耐久性排序為火山巖粉組<復摻組<粉煤灰組<純水泥組。

3)與粉煤灰等摻合料相比,天然火山巖粉的耐久性略差,在一定程度上限制了其推廣應用,為進一步改善其耐久性未來仍需深入探究火山巖粉的活性。