双掺海砂混凝土的性能研究.pdf

2 0 1 2年 第 9期 (总 第 2 7 5期 ) N u mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 4 0 双掺海砂混凝土的性能研究 欧阳东 b ，吴亭亭 a - o cb，黄华县 ，傅浩 一 ，孔琳洁 - 一 ，易超 。 ( 暨南大学 a 理工学 院 “ 重大工程灾害与控制” 教育部重点实验 室 ；b 工程材料与结构耐久性研究中心 ； C 材料与科学工程系，广东 广州 5 1 0 6 3 2 ) 摘要： 海砂混凝土中有害氯离子是阻碍其应用的主要问题 ， 提出了采用粉煤灰和磨细矿渣 2 种活性矿物复掺的方法 ， 固化海砂混凝 土中有害氯离子含量 ， 提高海砂混凝土的耐久性。 研究结果表明： 双掺 2 0 粉煤灰及 3 0 磨细矿粉制备的海砂混凝土具有良好的力学性 能及 耐久性能。 关键词： 海砂；氯离子渗透系数；耐久性 中图分类号 ： T U 5 2 1 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 1 2 3 0 3 S t ud y on t he pr oper t i e s o f c onc r e t e a dm ixe d wi t h sa nd OU Y A NGDo n g wU T i n g - t i n g a ,b , c HU ANGHu a - x i a n b , F UHa o a ,b KO NGL i n -fie ， C h a o 。 ( a MO E Ke y L a b o f D i s a s t e r F o r e c a s t a n d Co n t r o l i n E n g i n e e ri n g ； b R e s e a r c h C e n t e r o f E n g i n e e ri n g Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r a l D u r a b i l i t y ； C Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， J i n an U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ha r mf u l c h l o r i d e i o n hl o r i d e i o n s i n s e a s a n d c o n c r e t e a r e t h e ma i n p r o bl e ms tha t h i n d e r i n i t s a p p l i c a t i o nS a n d c o n c r e t e e xp e rime n t we r e c o n d u c t e du s i ngf l y a s h， g r o u n d s l a gan d o the r a c ti v em i n e r a l smi x e dt o g e t h e r ， th ewo r ki n gp e rfo r man c e， m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a ndd u r a b i l i t y o fd i ffe r e n t r a t i o s o f c o nc r e t e h a v e be e n r e s e arc he d T he r e s u l t s s h o we d that， c o mp a r e d、 v i t l l the c o n t r o l g r o u p， d o u b l e d o p e d 2 0 fly a s h an d 3 0 fi n e s l a g p o wd e r p r e p a r a t i o n o f s e a s a n d c o n c r e t e h a d g o o d me c h ani c s p e rf o r ma n c e and d u r a b i l i t y ， an d the l a t e r s tr e n g t h h a d r a p i d d e v e l o p m e nt Ke y WO Ir ds ： s e a s and； c h l o rid e i o n p e r me a b i l i ty c o e f fi c i e n t ； d u r a b i l i ty 0 引 言 随着世界经济的快速发展和世界人 口的不断增长， 合理开 发利用海洋资源已经成为人类生存发展的必然趋势。 考虑到国 家土地保护政策、 陆地环境保护力度的加强以及陆地河床砂 日 益匾乏的现状， 将海砂用作建筑用砂是一个十分自然的选择， 这 一 趋势已经为世界上发达国家发展( 日本、 英国等国) 所验证。 海砂分选好、 分布集中的特点适合于大规模工业化开采 ， 同时 海运费用低， 可以有效降低使用成本1 J 。 海砂之所以被限制用于制备混凝土的主要原因在于海砂 中富含氯盐， 溶解产生的氯离子达到一定浓度时会破坏钢筋表 面的钝化膜 ， 造成钢筋的锈蚀破坏。 另外 ， 氯离子的存在 ， 强化 了离子的通路， 即氯离子的存在会使其他的一些有害杂质也更 容易渗透到混凝土中来， 严重危害到混凝土的耐久性。 在推广应 用海砂的过程中， 如何降低危害海砂混凝土耐久性的氯离子含 量是一个关键问题。 淡水冲洗法 、 掺用阻锈剂法和河砂混合法是海砂用于混凝 土的主要方法， 而采用掺合料固化海砂混凝土中氯离子的方法 并不多见。 许多试验结果表明， 损坏钢筋保护膜和混凝土耐久性 是溶解于混凝土溶液中的游离氯离子而不是全部氯离子 ， 水泥 石固化氯离子的能力越大， 其抗氯离子渗入的能力也越大【 。 而粉煤灰和矿渣对氯离子有一定的固化作用， 当渗入混凝土中 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 3 - 0 5 的氯离子一定时， 固化能力越强 ， 则游离态的氯离子越少， 对钢 筋混凝土造成的危害也就越小嘲 。 本试验就是基于以上问题， 利 用粉煤灰和矿渣对氯离子的固化作用降低游离氯离子含量， 制 备粉煤灰矿渣双掺海砂混凝土， 研究了粉煤灰和矿渣的不 同掺量对混凝土工作性 、 抗压强度、 劈裂抗拉强度和氯离子扩 散系数的影响并探讨了其作用机理。 1 试验材料及 方法 1 1 试验 材料 水泥： 金羊牌 P 4 2 5级水泥， 广州珠江水泥厂生产； 粉煤 灰 ： I I 级灰 ， 化学成分为： 5 2 6 6 S I O 2 、 3 1 0 3 A1 2 O3 、 6 3 3 F e 2 03 、 3 6 2 C A O 、 1 1 Mg O、 0 51 S O 3 、 3 -7 4 o 谠失量； 磨细矿渣： 3 4 2 4 S i 0 1 4 1 5 A1 2 O3 、 4 1 2 6 C A O、 7 2 2 MG O， M值为 1 8 3的碱性矿粉； 砂： 珠江 口未淡化海砂， I I 区中砂， 氯离子含量为 0 0 7 7 ； 石： 碎 石， 5 2 5 m i l l 连续粒径分布； 减水剂 ： 高效减水剂 WH I I A。 1 2试验 主要仪 器 搅拌机： 6 0 L卧式强制性搅拌机 ； 压力机： 3 0 0 0 k N微机液 压压力试验机 ； 清华大学研制 ， 北京耐尔科技有限公司生产的 NE L P D R型自动采集数据的混凝土渗透性快速电测仪。 1 3 试 验 方法 本试验采用粉煤灰与磨细矿渣的等量替代法 ， 通过正交表 设计了不同掺量的粉煤灰及矿渣混凝土、 砂浆 ， 并测试其不同 1 23 龄期的强度、 耐久性能力。 详细配合比如表 1 所示。 混凝土抗压 强度试验采用 1 0 0 mmx l 0 0 n l l l l x 1 0 0 mi n试件 ， 测出混凝土强 度再乘折减系数 0 9 5 。 混凝土劈裂拉伸强度试验采用 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx l 0 0 m m的试件 ， 试验结果乘以尺寸换算系数 0 8 5 。 混凝 土氯离子扩散系数试验采用 1 0 0 mmx 5 0 tur n的圆柱体试件， 试 件共 8组。 分别测其 7 、 2 8 、 9 0 d的抗压强度、 氯离子扩散系数和 2 8 d劈裂抗拉强度。 表 1 试验混凝土的配合 比 氯离子扩散系数的具体方法是将混凝土成型为一定厚度的 试件， 养护一定龄期后， 放入N E L V J 混凝土真空饱盐设备进行真 空饱盐， 饱盐一定时间后测试其扩散系数。 氯离子渗透 能反映了 混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向混凝土内部侵入的能力， 是评价混凝土耐久性的重要指标之一， 具体评价标准见表2 。 表 2 评价混凝土渗透性标准 2 结果分析及讨论 2 1 双掺对海砂混凝土工作性的影响 坍落度是衡量混凝土工作性的重要指标， 图 1 反应的是海 砂混凝土的坍落度随着粉煤灰和矿渣的变化而变化的规律。 在 海砂混凝土中掺人粉煤灰和矿渣， 坍落度均增加， 这与普通混 凝土中掺人粉煤灰和矿渣的情况大体相同， 说明海砂中氯离子 并未对粉煤灰和矿渣的润滑作用起到阻碍作用。 当粉煤灰掺量 为 2 0 。 矿渣掺量为 3 0 ， 即A7时， 坍落度达到最大值 1 9 0 mit t ， 这时海砂混凝土的工作性最好。 是混凝土的最基本的力学性能， 图 2反应的是海砂混凝土的抗 压强度随着粉煤灰和矿渣的变化而变化的规律。 在矿渣的掺量 相同的情况下 ， 随着粉煤灰掺量的增加 ， 海砂混凝土 7 d龄期强 度和 2 8 d龄期强度的基本趋势是下降， 9 0 d 龄期强度增加。 当 粉煤灰的掺量相同的情况下， 随着磨细矿渣掺量的增加， 海砂 混凝土 2 8 d龄期强度和 9 0 d龄期强度呈现增加的趋势。 总掺 合料掺量较多时， 前期强度较低， 后期强度增长速度较快 ， 其中 当粉煤灰掺量为 2 0 ， 矿渣掺量为 3 0 ， 即A7表现得尤为明 显。 原因在于水泥与粉煤灰和矿渣的二次反应缓慢， 2 8 d龄期 时初步起到效果， 到 9 0 d龄期时才充分表现出来。 A l A2 A 3 A4 A 5 A 6 A 7 A 图 2 海砂混凝土抗压强度 2 - 3 双掺对海砂混凝土劈裂抗拉 强度的影响 劈裂抗拉强度可以反应混凝土的抗拉性能， 图3反应的是 海砂 昆 凝土的劈裂拉伸强度随着粉煤灰和矿渣的变化而变化 的规律。 在矿渣的掺量相同的情况下， 随着粉煤灰掺量的增加， 海砂混凝土劈裂拉伸强度降低。 而矿渣却在一定程度上提高了 海砂混凝土的劈裂拉伸强度。 当只掺2 0 矿渣时， 海砂混凝土的 劈裂拉伸强度达到最大值。 这是因为矿渣较粉煤灰更易在前中 期与水泥发生二次水化反应， 增加海砂混凝土的抗拉能力。 日 瞪 垂 4 5 如 加 如 加 B d 苫、 醚黑 嶝辖 m m m 如 舳 g I u 鞍密 吕 l。 0 、 锰 U 50 A l A2 A 3 A4 A5 A 6 A7 A 8 图 4 NE L测定的不 同龄期混凝土氯离子扩散系数 3机 理 分 析 众所周知， 渗入混凝上中的氯离子是造成混凝上中钢筋锈 蚀的主要原因。 渗入混凝土中的氯离子在混凝土中有 3种存在 形式： 一种是氯离子与水泥矿物熟料的 c ： 的水化产物硫铝酸 钙反应生成低溶性的单氯铝酸钙( 3 C a O A1 O C a C 1 1 0 H O) ， 即所谓 F r i e d e 盐旧 ， 这称为氯离子的化学结合； 第二种是氯离子 被吸附到水泥胶凝材料的水化产物中去 ， 即被水泥水化产物内 比表面积不可逆的吸收， 这叫做氯离子的物理吸附 ； 第三种是 氯离子以游离的形式存在于混凝土的孔溶液里 ， 只有这部分以 游离态存在的氯离子达到一定浓度时才会对钢筋造成腐蚀。 混 凝土对氯离子的化学结合与物理吸附的能力统称为混凝土对 氯离子的固化能力。 混凝土中游离氯离子和结合氯离子是同时 存在的， 并保持化学平衡。 当渗人混凝土中的氯离子一定时， 固 化能力越强 ， 则游离态的氯离子越少 ， 其抗氯离子渗入的能力 也越大。 双掺粉煤灰与矿渣微粉， 兼有单掺粉煤灰水泥与单掺矿渣微 粉水泥二者的特点。 在早期， 主要是熟料水化所生成的 C a ( O H) 和掺入的石膏分别作为矿渣微粉的碱性激发剂和硫酸盐激发 剂， 并与矿渣微粉中的活性组分相互作用， 生成水化硅酸钙 、 水 化硫铝酸钙或水化硫铁酸钙。 而在后期， 主要是水泥熟料水化所 析出的 C a ( O H) ： 通过液相扩散到粉煤灰球形玻璃体的表面， 发 上 接第 1 2 2页 结构用钢与国际接轨， 实现我国经济可持续发展， 高强度 、 高性 能钢筋的开发与应用势在必行。 推广应用高强钢筋， 具有显著的 经济效益和社会效益。 通过政府的大力倡导和各部门的积极配 合以及新规范的实施 ， 5 0 0 MP a高强钢筋将会在实际工程中真 正得 以推广和应用 。 参考文献： I J G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范I s 1 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 1 1 2 王铁宏亟需推广应用高强钢筋和高性能混凝土 建设科技， 2 0 0 5 ， 4 ( 6 ) ： 2 8 2 9 3 李空军， 杨勇新 ， 王希伟 高强钢筋在混凝土结构工程中的应用 J 】 广 东土木与建筑， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 5 ) ： 1 5 1 6 4 4 王学忠， 刘佩明， 穆国栋， 等 H R B 5 0 0 钢筋的研制与生产分析J 】 山 东冶金， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 3 ) ： 2 0 2 2 5 裴智， 王友权 ， 王学忠， 等 H R B 5 0 0 钢筋的研究开发与应用 J 1 建筑 结构 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 8 ) ： 2 8 2 9 6 】A C I 3 1 8 - - - 4 3 8 ， B u i l d i n g c o d e r e q u i r e m e n t s f o r s t r u c t u r a l c o n c r e t e a n d c o mme n t a r y S AC I ， 2 0 0 8 【 7 】E N 1 9 9 2 1 1 ： 2 0 0 4， E u r o e o d e 2 ： d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s p a r t 1 - 1 ： g e n e r al r u l e s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s S C E N， 2 0 0 4 【 8 裴智 ， 张维汇 ， 王润晓 ， 等 H R B 5 0 0 钢筋的发展与设计施工要点 J 施工技术， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 4 ) ： 1 3 1 6 9 】 G B 1 4 9 9 -1 9 9 8 ， 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 s 北京： 中国标准出 生化学吸附和侵蚀 ， 并生成水化硅酸钙和水化铝酸钙， 粉煤灰 的二次水化作用使 昆凝土的后期强度和耐久性得到大大的提 高。 粉煤灰与磨细矿渣就是通过二次水化改善混凝土水化的产 物和浆体孔隙结构 ， 使得混凝土内部孔隙细化 、 均匀化和孔道 曲折， 固化游离氯离子能力增强 ， 耐久性提高。 4结论 ( 1 ) 粉煤灰和磨细矿渣确实具有固化海砂混凝土中游离氯 离子 ， 提高海砂混凝土耐久性 的功能 。 ( 2 ) 为减少海砂混凝土中有害氯离子找到了一种新的途径。 粉煤灰和磨细矿渣两种活性矿物外加剂复掺能明显提高海砂 混凝土的工作性 ， 中后期抗压强度和耐久性。 采用双掺 2 0 粉煤 灰及 3 O 磨细矿粉， 能发挥最大的协同作用。 参考文献 ： f l 】 王圣洁， 陈江， 等 中国滨海建筑砂开采的环境地质问题和可持续发 展对策 J 】 海洋地质动态， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 5 8 2 1 R AS H E E D U Z Z AF A R， A L S A AD 0 U N S S ， A L G A H T A NI A S ， e t a 1 Eff e c t o f t r i c a l c i u m a l u mi n a t e c o n t e n t o f c e me n t o n c o r r o s i o n o f r e i n for e i n g s t e l li n c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 0， 2 O ( 5 ) ： 7 2 3 73 8 3 1 HA R R I S 1 0 N W H E f c t o f c h l o ri d e i n mi x i n g r e d i e n t s o n s u l r a t e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e J Ma g C o n c r Re s ， 1 9 9 0 ， 4 2 ( 1 5 2 ) ： 1 1 3 1 2 6 f 4 1 R AS H E E D U Z Z AF A R， HU S S A I N S E， A L S A D 0U N S S ， E 商 e c c o f 一 c a l c i u m a l u mi n a t e c o n t e n t of c e me n t o n c h l o r i d e b i n d i n g a n d c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e 1 i n c o n c r e t e J A C I Ma t e r i a l s J ， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 1 ) ： 3 1 2 f 5 】马昆林 友均 ， 等0 昆凝土固化氯离子影响因素的研究f J 】 _ 混凝土， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 2 0 - 2 3 6 1 B 0 N N Y A， B E N T Z E， T Ho MAS M D A， e t a 1 A n o v e r v i e w a n d s e n s i t i v i t y s t u d y o f a mu l t i me c h a n i s t i e c h l o ri d e t r a n s p o r t mo d e l J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 6 ) ： 8 2 7 8 3 7 作者简介： 欧阳东( 1 9 6 5 一 ) ， 教授， 博士生导师， 主要研究方向： 节能材 料与结构耐久性。 联系地址： 厂东省厂州币暨南大学黄埔大道西 6 0 1 号 暨南大学土木 工程试验楼二楼( 5 1 0 6 3 2 ) 联系电话 ： 1 8 6 6 6 0 9 9 3 6 3 版社 ， 1 9 9 8 【 I O G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s - E 京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 【 1 1 G B 1 4 9 9 2 2 0 O 7 ， 钢筋混凝土用钢第 2部分 ： 热轧带肋钢筋 s 1 _ E 京： 中国标准出版社， 2 0 0 7 1 2 】 汪红蕾 中国建硎 进入高强钢筋时代f J 族 筑， 2 0 1 1 ， 5 8 ( 1 9 ) ： 6 - 1 1 1 3 范玫光， 林双平， 赵军 节约型绿色建筑用高强高性能钢筋应用关键 技术f J 1 施工技术 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 3 ) ： 1 6 1 9 1 4 垮 春秋， 陈肇元 荷载作用下混凝土构件裂缝控制的若干问题【 J 建 筑结构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 ) ： 1 1 4 1 1 9 【 1 5 于秋波， 刘立新， 谢丽丽， 等 H R B 5 0 0级钢筋某试点工程的经济分 析 J 建筑科学 ， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 9 ) ： 1 0 8 1 1 0 【 1 6 张红霞 H R B 4 0 0 、 H R B S 0 0 钢筋在混凝土受弯构件中的应用分析 J 青海大学学报， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 0 1 3 1 7 R I S N -T G 0 0 7 -2 0 0 9 ， 热轧带肋高强钢筋在混凝土结构中应用技术 导则 s 】 E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 0 1 8 】 中华人民共和国住房和城乡建 “ 十二五 规戈 f o wo u 2 0 1 1 - 0 7 0 6 h t t p： w w wmo h u r d g o v c n 【 1 9 中华人民共和国住房和城乡建设部， 工业和信息化部 关于加快应用 高强钢筋的指导意见 D B O L 2 0 1 2 - 0 1 04 h t t p ： w w w m o h u r d g o v c a 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 杜毛毛( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博士， 讲师， 主要从事混凝土结构方面 的研究 。 福建嗄门集美大道6 6 8 号 华侨大学土木工程学院( 3 6 1 0 2 1 ) O 5 9 2 6l 6 6 2 O1 1 2 5