粉煤灰和矿粉对地铁用混凝土抗杂散电流腐蚀性能的影响.pdf

文 章编号 ： 1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 4 0 3 ；粉煤灰 粉煤灰和矿粉对地铁用混凝土抗杂散电流腐蚀性能的影响 I n fl u e n c e o f F l y A s h G r o u n d S la g o n S t r a y C u r r e n t C o r r o s i o n R e s i s t a n c e P e r f o r m a n c e o f C o n c r e t e f o r S u b w a y 巫昊峰 ，何慧兰 ，李宝枝： ( 1 广东建设职业技术学院 ，广州 5 1 0 4 7 0 ；2 中交集团第三航务工程局南京分公司，南京 2 1 0 0 1 5 ) 摘要 ： 地 铁 杂 散 电流 腐 蚀 是 影 响 地铁 用 混凝 土耐 久 性 很 重 要 的 因 素之 一 。通 过 对 胶 凝 材料 中掺 加粉 煤 灰 和 矿 粉 提 高混 凝土电阻的方式，来优化地铁用混凝土的配合比设计。结果表明，粉煤灰和矿粉能有效地提高混凝土的密实程度 ，减 小混凝 土的孔 溶液 离子 浓度 ，从 而提 高混 凝土 的 电阻。 同时 ，粉 煤灰和 矿粉 的掺入 减 小 了混凝 土的 电 阻压敏 性 ，为地 铁 用混凝 土 配合 比设计提 供 了依 据 。 关键 词 ： 混 凝土 电阻值 ；粉煤 灰 ；矿粉 ；电阻压敏性 中图 分 类号 ：T U5 2 8 2 文献 标 识 码 ：A Abs t r ac t ：S t r a y c u r r e n t c o r r os i on i s o n e of t h e mo s t i mpo r t a n t f a c t or s a f f e c t i ng t he d u r a bi l i t y of c on c r e t e f o r s u b w a y M i x p r o po r t i o n de s i g n o f c o n cr e t e f o r s u bwa y wa s o pt i m i z e d b y a dmi x i n g f l y a s h g r ou nd s l a g i n t o c e m e nt i t ou s m a t e r i a l t o i n c r e a s e r e s i s t a nc e of c o n c r e t e The r e s ul t s ho we d t ha t fly a s h a n d s l a g c ou l d e f f e c t i ve l y i mpr o v e t h e de n s i t y o f c on c r e t e a n d r e d u c e t h e i o n c on c e n t r a t i on of po r e s ol u t i on i n c o n c r e t e t o e nh a n c e t he r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e M e a n wh i l e ，a dmi xt u r e o f fly a s h a n d s l a g wo ul d r e d uc e t h e pr e s s u r e s e ns i t i v i t y o f t h e r e s i s t a n c e of c o n c r e t e f o r s ub wa y ， The p a p e r pr o v i d e s a r e f e r e n c e fo r mi x p r o p or t i o n d e s i g n o f c o nc r e t e fo r s u b wa y K e y w o r ds ：r e s i s t a nc e va l ue of c on c r e t e ，f l y a s h ，g r o u nd s l a g ，p r e s s u r e s e ns i t i v i t y 0前 言 目前，我国城市轨道交通和城际铁路的建设进人一个 空前的密集阶段，然而不论是地铁还是高铁，都是通过直 流电进行牵引的，因此，混凝土杂散电流腐蚀成为一个很 重要的研究领域。研究表明，在混凝土中以部分粉煤灰 和矿粉取代水泥可在一定程度上提高混凝土的电阻，但相 关文献对粉煤灰和矿粉的具体掺量没有深入的讨论。 1实验原材料及实验方法 1 1实验原材料 采用 P O 4 2 5 普通砬酸盐水泥，粉煤灰为二级灰，同 时本实验中部分组试件选用了磨细矿渣，其物理特性及化 学组分分析见表 1 、表 2 。本实验中的砂石分别为河砂和卵 石，砂子的细度模数为 2 8 ，卵石最大粒径为 2 5 m m，经 测定卵石的级配较好。减水剂使用聚羧酸高性能减水剂。 表 l 水泥和粉煤灰的化学组分 3 d 2 8 d 初凝 终凝 用水量 4 6 1 4 5 3 5 5 合格 2 7 _3 4 COALAsH 3 201 1 1 2 混凝土 配合 比设 计 1 2 1单位立方混凝土中胶凝材料用量及水灰比的确定 考虑到地铁运行中，杂散电流主要影响部位为地铁运 行轨道，而此部位的混凝土通常的设计标号为C 3 0 C 3 5 。 本文 中采用 C 3 5混凝 土进行试验 。胶凝材料用量采用 J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计规范中的方法，并 结合材料的性质，经计算得到每立方混凝土的胶凝材料用 量为 3 6 0 ，水灰比为 0 4 。 1 2 2 砂率的确定 本实验中，砂率的确定采用最大塌落度法，即在固定 其他因素的条件下分别测定不同砂率下混凝土的塌落度， 得出各砂率下的塌落度值，对其进行分析，从而得到最大 塌落度时砂子、卵石比例。实测下的塌落度和砂率的关系 见图 1 ，由此可确定砂率为 4 1 。 砂率 图 1 不同砂率下混凝土所对应的塌落度 1 2 _ 3实验用混凝土配合比 经过计算和实测，在确定混凝土胶凝材料用量、水灰 比以及砂率的情况下，采用等量取代的方式，在混凝土中 引入粉煤灰和矿粉，本实验中所用的混凝土配合比和胶凝 材料组成见表 3 。 表 3 混凝土配合比 k g m3 粉煤灰 矿粉 0 0 3 6 0 0 3 6 0 7 2 7 2 5 4 7 2 7 2 水 砂子 1 4 4 7 5 4 1 4 4 7 5 4 1 4 4 7 5 4 1 4 4 7 5 4 1 4 4 7 5 4 1 4 4 7 5 4 卵石 减水剂 l 0 6 8 0 1 8 1 0 6 8 0 1 8 1 0 6 8 0 1 8 1 0 6 8 0 1 8 1 0 6 8 0 1 8 l 0 6 8 0 1 8 1 3实验方法 1 3 1强度测试 依据表 3中的混凝土配合比成型 1 5 0 m m X 1 5 0 m m 1 5 0 m m的混凝土立方体试件，成型 1 d后拆模，并在 温度 ( 2 0 2 )，湿度 1 0 0 的环境中养护，在达到 3 d 和 2 8 d龄期时，对其进行抗压实验。 1 3 2混凝土电阻值测试 采用与强度实验相同的混凝土配合比，成型 1 5 0 m m X 1 5 0 m m 4 0 0 m m的混凝土试件，并在两端埋入不锈钢 网，作为测定混凝土电阻值时使用的电极，两电极之间的 距离为 3 0 0 m m。试件及电极位置示意图见图 2 所示。试 件成型后 1 d 拆模，并在温度 ( 2 0 2) ，湿度 1 0 0 的 环境中养护，在达到7 d 、 2 8 d 和 5 6 d 龄期时，对其进行 电阻值测定，使用的仪器为数字电流表及稳压电源。 图 2 混凝土电阻测试电极位置示意图 2 实验结果及讨论 2 1混凝土强度 分别测定混凝土的3 d和2 8 d 强度，测定结果如表4 所示。由 3 d强度测定结果可明显发现，粉煤灰水化程 度处在一个很低的状态，编号为6的组掺加粉煤灰的量为 2 0 ，其强度明显低于其他组别。比较掺加粉煤灰的不 同掺量对强度的影响，可发现随着粉煤灰掺量的增加，混 凝土的早期强度有所降低，而矿粉的早期水化程度明显高 于粉煤灰，编号为4 6的三组中，矿粉的掺量是固定的， 其强度随粉煤灰掺量的增加而明显地降低。同时，编号为2 和 3的两组中，矿物掺合料的取代量是相同的，但强度也 有较大的差别，3号强度高于 2号的主要原因是矿粉和粉 煤灰在水化早期的不同水化速度和水化率。 表 4 混凝土 3 d 、2 8 d强度 MP a 编号 1 2 3 4 5 6 3 d强度 1 9 2 1 6 5 1 7 1 1 8 5 1 6 4 1 6 9 2 8 d强度4 5 5 3 8 3 4 3 7 4 5 7 4 2 8 4 3 7 2 2混凝土电阻值 分别在不同龄期测定混凝土的电阻值，分析得到各龄 期不同组分下混凝土电阻值的差异，以及其随龄期的发展 变化。具体测试结果见表 5 。 表 5 混凝土不同龄期电阻值 o h m 编号 1 2 3 4 5 6 分析所测得电阻值发现， 在混凝土成型早期 ( 7 d )， 由于混凝土胶凝材料组成不同而导致的混凝土电阻值差异较 小，掺和矿物掺合料的比纯水泥组电阻值略高，但粉煤灰 对电阻值的影响作用不明显。比较 1 号试件和2号试件可 知，粉煤灰的加入对混凝土早期的电阻值影响较小，这是 因为粉煤灰在早期的水化量较小， 其水化产物不足以填堵 混凝土中水泥浆体的空隙，造成混凝土中联通孔隙较多【 。 而掺加矿粉的试件中，混凝土电阻值增大较为明显，而且 随着矿粉掺量的增加，电阻值有增大的趋势。但 7 d 龄期 时，整体的电阻率都偏低，这是由于胶凝材料水化不充分， 内部存在大量的联通孔隙，而且此时的水含量较大。 分析混凝土试件 2 8 d时的电阻值，可以看到，掺和 粉煤灰的试件电阻值增加较大，但双掺粉煤灰和矿粉没有 起到明显的增大电阻的作用，电阻值依然随矿粉掺量的 增加而增大。同时，在所有的试件中，没有掺粉煤灰和矿 粉的一组电阻值最小，由此，不难得出结论，以部分矿物 掺和料取代水泥，可增大混凝土电阻。从微观的角度上讲， 掺加矿物掺合料可优化胶凝材料的级配，使得混凝土胶凝 材料硬化浆体更为密实。部分粉煤灰的水化产物可有效地 填充水泥水化后形成的联通孔隙，一方面减少了混凝土的 孔隙，另一方面减少了混凝土中联通孔隙的数量，而矿粉 也起到同样的作用【 3 _ 。同时，矿粉的水化使得混凝土中 孔溶液的离子浓度降低，这也是造成混凝土电阻值增大的 重要原因。根据已有研究，粉煤灰在 2 8 d 时并不能够完全 地水化，分析所得实验结果可发现，5 6 d时混凝土电阻 值较 2 8 d时有很大程度的增加，因此仍需分析 5 6 d结 3 2 0 1 1 粉煤灰 5 塑 讲 拼 。： 姗 渤 勰 搿 嬲 盯 例哪 粥 拼 拼 蚴 哺雌雌 电电 蒯 果来最终确定粉煤灰和矿粉对混凝土电阻值的影响。 在 5 6 d龄期时，混凝土的电阻率有了较大的变化， 掺加粉煤灰对提高混凝土电阻有很明显的效果，尤其是在 双掺粉煤灰和矿粉的情况下，效果更为显著。对比 几组试件， 尤其是 5号和 6号试件，发现矿粉的掺量也并非越多对混 凝土电阻的提高也越大，由此可得，矿物掺和料的参合比 例需控制在一定的范 内 由一 L 述结果可知，用部分粉煤灰和矿粉取代水泥，可 有效地改变混凝土的密实程度，降低其孔隙率，在很大程 度上提高混凝土的电阻。同时双掺粉煤灰和矿粉能有效地 提高混凝 t 抗杂散电流腐蚀耐久性。同时掺加粉煤灰和矿 粉提高混凝土密实程度也会使得混凝土抗渗性能得到很大 程度的提高，对混凝土耐久性的其他方面的表现也更为优 异 2 3 混凝 土电 阻压敏 性 在混凝土试件达到5 6 d 龄期时，连接混凝土试件中两 电极，对混凝士试件进行电阻压敏性测试。在混凝t试件 弹性变形范围内， 其进行 4个加载循环，在此过程中， 随时监测混凝土试块所受的压力值和其对应的电阻值，测 试结果如阁 3所示。当压力增大时，混凝土电阻值减小， 当卸载以后，混凝土电阻值又恢复到未加压前的水 ，由 此可见，在混凝土弹性范围内，当给混凝土加载时，混凝 土各相之间的接触会更紧密，而在未加压情况下，由于混 凝土内部水分较小，部分孔溶液不能够很好地接触，使混 凝土的电阻值在一个相对较高的范围内，而加压以后，混 凝土孔溶液部分融合，离子传递的路径很通畅，使混凝土 电阻减小。因此，在混凝土结构使用过程中，在构建上的 荷载可以使混凝土电阻有所降低。 蚓 岛 -R 循环荷载 图 3 混凝土弹性变形范围内循环荷载对混凝土电阻值的影响 对混凝土试件继续加压 ，直至混凝土试件破坏。在此 过程中，发现混凝土的电阻值经历了两个阶段。一是混 凝土电阻值基本稳定阶段；在此过程中，试件所受荷载不 断增大，而混凝土电阻值基本不变，可见此过程中，混凝 6 COALASH 3 2 01 1 土试件内部已经出现微裂缝，微裂缝的增加使得混凝土的 电阻增大，但同时，混凝土试件中部分孑 L 溶液在压力的作 用下，仍然会增大接触范围，这使得混凝土电阻值减小， 而在此阶段，这两个因素对混凝土电阻值的影响在一个基 本平衡的范围内，因此混凝土电阻值基本不变。二是混 凝土电阻值急剧增大的阶段；在此阶段，混凝土试件中裂 缝不断增多增大，这一方面对混凝土电阻值的影响起主导 作用，因此，混凝土电阻值急剧增大。 综上所述，混凝土电阻值与其所受 力有很大的关系， 在地铁运行过程中，一方面，来自杂散电流的影响会造成 混凝土构件中钢筋的锈蚀，从而使结构的承载能力降低； 另一方面，压力的作用又会使混凝上的电阻值不断地变化， 影响混凝土抗杂散电流腐蚀。因此，合理没计混凝土的配 合比，使得混凝土电阻值最大，同时在荷载作用下，电阻 值变化不是很大 ，即混凝土的电阻压敏性小，是一个很重 要的研究课题。 3结 论 ( 1 )以部分粉煤灰取代水泥，会使混凝土早期强度有 所降低，但在中后期，强度会继续发展，最终不会对混凝 土强度造成很大影响。而掺加矿粉对混凝土早期强度有所 增加，两者配合使用，能够取得很好的_ 厂 程和经济效益。 ( 2 ) 地铁用混凝土掺加粉煤灰和矿粉对提高混凝土电 阻有显著作用，尤其在双掺的情况下，效果更明显。粉煤 灰主要在后期起到相对重要的作用，能有效地提高混凝土 抗杂散电流耐久性。 ( 3 ) 混凝土电阻值存在对压力的敏感性，即在混凝土 弹性变形范围内，电阻值随压力的增大而减小，但是以部 分矿物掺和料取代水泥，会有效地降低混凝土电阻对压力 的敏感性 。 参考文献 收稿B 期： 2 0 1 0 年 1 O月 2 1 日 懒 呲 川 州 一 一 一 一 州 一 一 一 一 一 一 _二 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一