取代率對再生混凝土的抗氯離子侵蝕特性影響研究

王多財

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

再生混凝土能夠實現建筑廢料的再循環利用,處于腐蝕環境中的水工結構如臨海工程,對混凝土構件的抗腐蝕性有較高要求,因此再生混凝土的抗腐蝕性特征成為該類水工結構在一定時期內有效發揮其功能的關鍵。

目前,許多學者對混凝土的抗腐蝕性問題進行了相關研究。劉冰宇等[1]通過自行設計的方法,研究了陶粒混凝土對重污染水的抗侵蝕性能。結果表明,通過自行設計方法得到的混凝土抗侵蝕系數與實際試驗結果值相關系數最高。梁詠寧等[2]通過對摻入不同摻合料與摻量的混凝土進行抗硫酸鹽侵蝕特性分析,結果表明,不同的摻合料在混凝土的抗硫酸鹽侵蝕方面發揮著不同的作用,且摻量大小影響其作用強度大小。王軍等[3]通過試驗方法,研究了普通混凝土和高強混凝土在硫酸鹽、碳酸鹽、氯鹽復合溶液的抗侵蝕特性,結果表明,高強混凝土在復合溶液中的抗侵蝕性優于普通混凝土,復合溶液的侵蝕性大于單一溶液。王信剛等[4]通過X射線衍射儀和環境掃描電鏡,研究了采用不同水泥預制的混凝土在硫酸鹽溶液和堿溶液中的抗侵蝕性能。結果表明,普通水泥預制的混凝土對硫酸鹽溶液的抗侵蝕性優于堿性水泥預制的混凝土,堿性水泥預制的混凝土對堿溶液抗侵蝕性優于普通水泥。

上述文獻針對各類不同材料預制的混凝土抗侵蝕性能進行了分析,主要研究了添加外摻劑的混凝土抗腐蝕性,而有關粗骨料取代率不同的再生混凝土抗腐蝕性研究較少。因此,本文通過開展對不同粗骨料取代率的混凝土抗氯鹽溶液的腐蝕性試驗,研究氯鹽溶液的腐蝕性環境下的粗骨料最優取代率,以期為再生混凝土在海洋、湖泊等氯離子侵蝕環境下的水利工程中的合理應用提供借鑒。

1 試驗設計

本文試驗工況設計見表1。干濕循環按照3天一個周期進行,循環方法按照2∶1進行,即兩天干燥、一天浸泡;混凝土試樣水灰比為0.5,設置再生粗骨料替代率分別為0%、30%、50%、70%、100%,按照水∶水泥∶砂∶石子/粗骨料質量比為1∶2∶2∶3的比例預制混凝土試件,試樣尺寸100mm×100mm×100mm。

表1 試驗工況設計(質量比)

氯化鈉溶液濃度為2.5%,循環天數分別為90、180、270天。表1中的NO.1-NO.18不同工況試樣,在氯化鈉腐蝕性溶液中按照2∶1的干濕循環方案,經歷不同的循環天數后,將試樣從溶液中取出,通過臺式多用鉆床鉆取試樣不同深度處的粉末,采用ZDJ-4A自動電位滴定儀對其內的自由氯離子濃度和總氯離子濃度進行測量。

2 試驗結果

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷不同的循環天數干濕循環試驗后,分析其抗氯離子擴散能力和混凝土材料與氯離子結合能力的變化。采用試樣不同深度處的自由氯離子濃度,量化其抗氯離子擴散能力的變化;采用總氯離子濃度與自由氯離子濃度的比,量化混凝土材料和氯離子的結合能力變化。通過測定表1中不同試驗工況下試樣各循環天數后的自由氯離子濃度和總氯離子濃度,獲得不同干濕循環天數后試樣中自由氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖,見圖1、圖2、圖3;不同干濕循環天數后,試樣中總氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖4、圖5、圖6。

圖1 自由氯離子濃度隨深度的變化(90天)

圖2 自由氯離子濃度隨深度的變化(180天)

圖3 自由氯離子濃度隨深度的變化(270天)

圖4 總氯離子濃度隨深度的變化(90天)

圖5 總氯離子濃度隨深度的變化(180天)

圖6 總氯離子濃度隨深度的變化(270天)

2.1 自由氯離子濃度變化

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷90天的循環天數干濕循環試驗后,分析其抗氯離子擴散能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中自由氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖1。

由圖1可知,在同一深度處,隨著替代率的增大,自由氯離子濃度逐漸增大,如在2.5mm深度處,替代率分別為0%、30%、50%、70%、100%的試樣,對應的氯離子濃度分別為0.72%、0.74%、0.75%、0.78%、0.85%;每一替代率的試樣,氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率70%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的自由氯離子含量分別為0.78%、0.4%、0.26%、0.22%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯離子增大。

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷180天的循環天數干濕循環試驗后,分析其抗氯離子擴散能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中自由氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖2。

由圖2可知,在同一深度處,隨著替代率的增大,自由氯離子濃度逐漸增大,如在7.5mm深度處,替代率分別為0%、30%、50%、70%、100%的試樣,對應的氯離子濃度分別為0.55%、0.57%、0.6%、0.75%、0.95%;每一替代率的試樣,氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率50%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的自由氯離子含量分別為0.98%、0.6%、0.4%、0.32%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯離子增大。

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷270天的循環天數干濕循環試驗后,分析其抗氯離子擴散能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中自由氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖3。

由圖3可知,在同一深度處,隨著替代率的增大,自由氯離子濃度逐漸增大,如在12.5mm深度處,替代率分別為0%、30%、50%、70%、100%的試樣,對應的氯離子濃度分別為0.62%、0.68%、0.7%、0.78%、0.84%;每一替代率的試樣,氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率30%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的自由氯離子含量分別為1.22%、0.94%、0.68%、0.62%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯離子增大。

2.2 總氯離子濃度變化

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷90天的循環天數干濕循環試驗后,分析其混凝土材料和氯離子的結合能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中總氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖4。

由圖4可知,排除替代率為0%的試樣,在同一深度處,隨著替代率的增大,總氯離子濃度逐漸增大,如在2.5mm深度處,替代率分別為30%、50%、70%、100%的試樣對應的氯離子濃度分別為0.84%、0.96%、1.0%、1.15%;每一替代率的試樣,總氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率70%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的總氯離子含量分別為1.0%、0.6%、0.4%、0.34%。可以看出,粗骨料替代率的增大對混凝土的抗侵蝕特性不利,但考慮0%替代率和30%替代率之間的反差可以得出,適當的粗骨料替代率可以降低混凝土與氯離子的結合能力,提高抗侵蝕特性。

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷180天的循環天數干濕循環試驗后,分析其混凝土材料和氯離子的結合能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中總氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖5。

由圖5可知,排除替代率為0%的試樣,在同一深度處,隨著替代率的增大,總氯離子濃度逐漸增大,如在2.5mm深度處,替代率分別為30%、50%、70%、100%的試樣對應的氯離子濃度分別為1.18%、1.34%、1.5%、1.6%;每一替代率的試樣,總氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率50%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的總氯離子含量分別為1.34%、0.76%、0.55%、0.51%。可以看出,粗骨料替代率的增大對混凝土的抗侵蝕特性不利,但考慮0%替代率和30%替代率之間的反差可以得出,適當的粗骨料替代率可以降低混凝土與氯離子的結合能力,提高抗侵蝕特性。

為了研究不同粗骨料替代率的混凝土試樣,按照2∶1的干濕循環制度,在氯化鈉溶液中經歷270天的循環天數干濕循環試驗后,分析其混凝土材料和氯離子的結合能力,不同干濕循環天數后NO.1-NO.18試樣中總氯離子濃度隨侵入深度變化的關系曲線圖見圖6。

由圖6可知,排除替代率為0%的試樣,在同一深度處,隨著替代率的增大,總氯離子濃度逐漸增大,如在12.5mm深度處,替代率分別為30%、50%、70%、100%的試樣對應的總氯離子濃度分別為0.8%、0.9%、1.06%、1.18%;每一替代率的試樣,總氯離子含量隨著侵入深度的增加而逐漸減小,如替代率70%的試樣在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度處的總氯離子含量分別為1.77%、1.44%、1.06%、0.84%。可以看出,粗骨料替代率的增大對混凝土的抗侵蝕特性不利,但考慮0%替代率和30%替代率之間的反差可以得出,適當的粗骨料替代率可以降低混凝土與氯離子的結合能力,提高抗侵蝕特性。

經過270天干濕循環后,不同粗骨料取代率試樣不同深度處的自由氯離子和總氯離子濃度之間的關系可以用線性關系進行擬合,粗骨料取代率為0%、30%、50%、70%、100%試樣的擬合公式分別見式(1)-式(5),相應粗骨料取代率下的氯離子與混凝土的結合能力分別為0.307 9、0.316 9、0.325 5、0.330 0、0.335 5。

Ct=1.3079Cf

(1)

Ct=1.3169Cf

(2)

Ct=1.3255Cf

(3)

Ct=1.3300Cf

(4)

Ct=1.3355Cf

(5)

式中:Ct為總氯離子濃度;Cf為自由氯離子濃度。

3 結 論

本文采用不同粗骨料取代率的混凝土試驗進行了抗氯離子腐蝕的試驗研究,通過測定試樣不同深度處的自由氯離子和總氯離子含量變化情況,結論如下:

1)NO.1-NO.18組試樣經過不同天數的循環后,不同深度處的自由氯離子均隨著粗骨料替代率的增大而增大,經過相同天數的干濕循環,粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯離子增大。

2)NO.4-NO.18組試樣經過不同天數的干濕循環后,試樣中的總氯離子含量隨著替代率的增大而增大,單純考慮NO.1-NO.3試樣與 NO.4-NO.6組試樣,不同粗骨料取代率試樣不同深度處的自由氯離子和總氯離子濃度的關系符合線性比例關系。

3)粗骨料取代率為0%、30%、50%、70%、100%的氯離子,與混凝土的結合能力分別為0.307 9、0.316 9、0.325 5、0.330 0、0.335 5。在實際工程應用再生混凝土時,應根據其采用的粗骨料取代率,合理預測其有效服務年限。