粉煤灰对混凝土中氯离子扩散与固化性能的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 6期 (总 第 2 9 6 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 6 0 1 8 粉煤灰对混凝土中氯离子扩散与固化性能的影响 郭亚楠 。勾密峰 ，李晓帆 ，管学茂 ( 河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 4 5 4 0 0 3 ) 摘要 ： 采用 自然扩散法测定了普通混凝土与粉煤灰混凝土各个扩散深度的总氯离子含量和 自由氯离子含量 ，同时计算了混 凝土对氯离子的固化能力 。 试验结果表明： 混凝土中粉煤灰掺量为 5 0 时 ， 粉煤灰的微集料效应和火山灰效应生成的水化硅酸钙 均改善了混凝土的孑 L 结构 ， 从而降低了氯离子 的扩散性能 ； 而粉煤灰的火山灰效应生成的铝酸盐水化物能够提高其固化氯离子 的能力 。 关键词： 混凝土；粉煤灰 ；氯离子 ；扩散 ；固化 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 6 2 0 3 I n f l u e n c e o f f l y a s h o n d i ffu s i on a n d bi n d i n g o f c h l o r i d e i o n s i n c o n c r e t e GUO Ya na n， GOU Mi f e n g， L1Xi a o f a n， GUAN Xu e ma o ( S c h o o l o f Ma t e r i a l sS c i e n c e a n d En g i n e e ri n g， He n an P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ， Ch i n a ) Abs t r a ct ： Na t u r a l d i f f us i o n me t h od i S us e d t o me a s u r e t he a mo u n t o f f r e e an d t o t a 1 c h l o rid e i o n s o f e a c h d i f f us i o n d e p th i n the n o r ma l c o n c r e t e and fl y a s h c o n c r e t e ， and t h e b i n d i n g c a p a b i l i ty o f c h l o ri d e i s c a l c u l a t e a t the s a me t i me Re s u l t s s h o w tha t wh e n t h e d o s a g e o f fl y a s h i n c o n c r e t e i s 5 0 ， t he p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e i s i mpr o v e d by mi c r o a gg r e g a t e e ffe c t a n d h yd r a t e d c a l c i u m s i l i c a t e g e n e r a t e d by p o z z o l an e ff e c t o ffl y a s h ， thu s t h e p e r f o r manc e o fc h l o ri d e d i f f u s i o n i s r e d u c e d ； Wh i l e i t s a b i l i ty o f c h l o ri d e b i n d i n g c a l l b e i mp r o v e d b y c a l c i um a l um i n a t e h y dra t e s g e ne r a t e d b y p o z z o l a n e ffe c t o ffly a s h K e y wor d s ： c o n c r e t e ； fl y a s h ； c h l o ri d e i o n； d i f f u s i o n； b i n d i n g 0 引言 众所周知 ， 氯离子渗入混凝土内部引起钢筋锈蚀是混 凝土结构破坏 的首要原 因 1 - 2 。 研究表明 ， 氯离子是通过混 凝土拌合物组分和外 界环境渗 入两种方式进入混凝 土3 】 。 混凝土 内部 的氯离子主要 以游离态和 固化态两种形式存 在 ， 固化 的氯离子不会产生危害 ， 只有游离 的氯离子达到 临界浓度时 ， 才会引起钢筋锈蚀 ， 破坏混凝土结构 。 所 以 改善混凝土耐氯离子侵蚀性 能的途径 ， 除了降低混凝 土原 材料 自 身所引入的氯离子量外 ， 一是减少扩散进入混凝土 内部的总氯离子量 ， 二是提高其 固化氯离子能力 。 在混凝 土的应用 中 ， 由于粉煤灰 的取代 效应 、 微集料 填充效应 、 火 山灰效应和形态效应 ， 在保 护环境 、 节约能源 的同时， 还能大大改善混凝土的工作性、 力学性能、 抗裂抗 渗性能及耐久性能 ， 从而使粉煤灰广泛应用于土木建筑工 程、 预制预拌混凝土制品等方面旧 。 在混凝土抗氯离子侵蚀 应用方面 ， 施惠生等7 1研究 了高钙粉煤灰硬化水 泥浆体 中 氯离子 的扩散和渗透规律 ， 谢友均等罔 探讨 了不同粉煤灰 掺量下混凝土的氯离子结合能力变化规律， 吴相豪等【 9 】 分 析了环境因素对粉煤灰混凝土固化氯离子能力 的影响 。 针 对不同氯盐溶液侵蚀作用下 ， 进一步分析粉煤灰对混凝土 中氯离子 的扩散和固化性能的影 响， 从而为粉煤灰在抗 氯 盐侵蚀混凝土中的推广应用提供依据。 1 试 验 1 1 原材料 水泥( c) ： 北京兴发水泥生产的 I 型硅酸盐水泥 ， 其化 学成 分和物理性能分别见表 1 、 2 ； 粉煤灰 ( F A) ： 采用 平顶 山姚孟 电力粉煤灰开发有限公 司生产的粉煤灰 ， 其化学组 成见表 1 ， 该粉煤灰各性能指标均符合 G B T 1 5 9 6 - - - 2 0 0 5 的 I 级灰要求； 细骨料( s ) ： 中砂 ， 细度模数 Mx = 2 7 ； 粗集料( G) ： 破碎 石子 ， 粒 径为 9 1 6 m m 连续级配 ； 水( w) ： 除混凝 土 拌和过程中使用普通自来水， 其余情况下均采用蒸馏水。 化学 试剂 ： 分析纯氯化钠( N a C 1 ) 、 氯化钙 ( C a C 1 ) 和硫酸钠 ( Na 2 S O 4 ) 。 表 1 水泥化学组成 样品名称S i O 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O Mg O S O 3 N a ： O e q f - C a O L o s s C 2O 7 7 4 3 3 2 8 6 6 4 O 2 228 2 7 6 0 71 0 9 6 1 71 FA 56 1 O 31 9 0 3 6 4 1 9 9 092 0 4 8 0 1 1 2 7 3 收 稿 日期 ：2 0 1 3 1 2 - 2 0 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 2 0 6 8 ) 、 河南省高等学校矿业工程材料重点学科开放实验室开放基金资助项 目( ME M1 2 9 ) 6 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 水泥的物理性能 1 2试验 配合 比 本试验设计 了 A、 B两种混凝土 ， 分别采 用基准水 泥 和水 泥中掺入 5 0 粉煤灰作为胶凝材料制备混凝土试件 ， 水灰比为 0 5 。 表 3 试验配合比 注 ： A： 不掺粉煤灰， B： 掺 5 0 的粉煤灰。 1 3试验 方 法 1 - 3 1 试件的制备与养护 成型的混凝土试件尺寸为 1 0 0 mmx l O 0 m mx l O 0 i n ff l ， 拆模后放人标准养护室养护 ， 待混凝土凝结成型并具有一 定强度， 将其在大型切割机上切割成 5 0 m mx 5 0 m m x l O 0 m m 的混凝土 ， 用水清洗表面在室温下晾干 ， 继续养 护至 2 8 d 龄期 。 1 3 2 试样的浸泡与取样 将丙酮 、 乙二胺 、 环氧树脂按一定 比例配制 的固化 液 涂抹在长方体混凝 土试样 表面 ， 涂抹其 中五个 面 ， 留出切 割出来的上表面 ， 在室温下静置 2 d 待混凝土表面固化液固 化 。 按照 自然扩散方法 ， 将养护好的混凝 土试件 分别浸 泡 于配制好的三种氯盐溶液 中( 其中 ， C a C 1 ： 和 N a C 1 溶液 的 氯离 子浓度均 为 2 8 2 mo l L ， N a C I + N a 2 S O 混合溶 液 中氯 离子浓度为 2 8 2 mo l L 、 硫 酸根浓度 为 0 5 mo l L ) ， 并用 凡 士林将容器密封在标准养护室 中养护 。 1 8 0 d 后 ， 各容器中分别取 出 A、 B两组混凝土试件 ， 并 用钻孔法对长方体试块从未涂抹环氧树 脂的上表面开始 分层取样 ， 所取样为距上表面 O 5 ml n 、 5 1 0 m m、 1 0 1 5 mm、 1 5 2 0 mm 、 2 0 2 5 mm 、 2 5 3 0 n l l T l 、 3 0 3 5 I 1 I 1 、 3 5 - 40 mm 、 4 0 4 5 mm、 4 5 5 0 mm、 5 0 5 5 m m、 5 5 6 0 mm 的粉 末 ， 过 0 3 m m筛后做好标记放入 5 0 的恒温真空干燥箱 内干燥 3 d 。 1 3 - 3 测定方法 参照国家交通部标准 J T J 2 7 0 9 8 水运工程 混凝 土 试验规程 1 ， 混凝土 中的 自由氯离子量 c f 采用蒸馏水溶 解的萃取法测定， 总氯离子量 c t 采用稀硝酸溶解的萃取法 测定 ， 两者之差 即为固化氯离子量 c b ， 三个氯离 子量均用 单位质量混凝土 中的氯离子含量表示 ( m g g ) 。 为了反 映混 凝 土固化氯 离子 的能力 ， 引入参数 R， 为 固化氯离子量与 自由氯离子量的比值 l J 。 2 结果与讨论 2 1 粉煤灰对混凝土抗氯离子扩散性能影响 从图 1 可以看到， A混凝土 1 0 m m深度的总氯离子量为 4 3 7 m g g ， 相 同深度 B混凝土的总氯离子量为 3 4 5 mg g ， 较 A混凝 土减 少了 2 1 0 9 ， 其他深度 的总氯离 子含量 也 有不同程度 的降低 。 同样 ， 从 图 2 、 3 也能够看 出， 粉煤灰部 分取代水泥后 ， 氯离子在粉煤灰混凝土中的氯离子总量要 明显小于普通混凝土 ， 说 明掺人粉煤灰后对水泥混凝土的 抗氯离子扩散性能有 明显的改善作用 。 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 深度 mm 图 1 混凝土浸泡液为 N a C I 溶液 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 深度 mm 图 2 混凝土浸泡液为 C a C I2 溶液 U l U 2U 3U 40 U bU 深度 mm 图 3 混凝土浸泡液为 N a CI+ N a 2 S O 4 混合溶液 对 比三个图 ，可以看到 ， Na C 1 溶 液 中浸泡 的 A混凝 土 ， 1 0 m m 深度处的总氯离子含量为 4 3 7 m g g ， 同样试件 浸泡在 C a C 1 溶液 中同深度 的总氯离子含量为 4 8 4 m g g ， N a C I + N a 2 S O 4 混合 溶液浸 泡 的为 6 7 3 m g g 。 N a C 1 溶 液 中 的总氯离子量最小 ， 其次为 C a C 1 溶液 ， N a C I + N a 2 S O 混合 溶液 中的最 大。 说明氯盐 阳离子会影响混凝 土抗氯离子扩 散性 能 ， 且与钠盐相 比， 钙盐 溶液浸 泡的混凝 土抗 氯离子 扩散性 能较差 ； 而硫酸根离子的存 在 ， 更大程度地 降低 了 混凝土的抗氯离子的扩散能力 。 2 - 2 粉煤灰 对混凝 土 固化 氯 离子 能力的影响 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 ， 对混凝土造成 的危害也就越小 。 从 图 4 6的试验结果来看 ， 对比普通硅酸盐水泥混凝 6 3 9 8 7 6 5 4 3 2 1 一 ， 8 邑 、 咖扣 证墉踊 2 0 8 6 4 2 8 ， 导 咖如 怔蟥踊 O 8 6 4 2 0 8 6 4 2 一 暑 吕 珂 ) 删姐 犍墉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 的固化效果 ， 不 同氯盐溶液 中浸泡后 ， 添加粉煤灰对 固 化氯离子 的能力基本上都有明显提高。 这是 因为粉煤灰未 水化时具有空心结构和复杂的比表面积使其能通过物理 吸附大量 吸附游 离的 c l 一 ， 水化 以后又能生成更多可 以与 c l 一 产生化学反应的铝酸盐水化物 ， 前期的研究 【 l2 3 表明铝 酸盐水化物具有很强 的固化氯离子能力 。 0 l 0 2 O 3 0 4 O 5 O 6 0 深度 mm 图 4混凝土浸泡液为 N a C I 溶液 深度 mm 图 5 混凝土浸泡液为 C a CI 溶液 1 U ZU j0 40 )U 0 0 深度 mm 图 6混凝土浸泡液为 N a Cl+ N a z O 混合溶液 2 3 粉煤灰对混凝土中氯 离子扩散与固化性能影 响 机 理 分 析 粉煤灰对水泥混凝土 的抗氯离子扩散性 能有明显 的 改善作用 ， 这要与粉煤灰本身的功能效应有关 ， 粉煤灰加 入后 ， 使水泥石 的密实度增加 ， 同时孔结构 由大孑 L 向小孑 L 转变 ， 产生孔细化效应 。 其本质原 因是矿物掺合料与水泥 水化产生的 c a ( 0 H) 通过火山灰效应转变为稳定 的低碱 度的c s H凝胶， 有效填充了硬化浆体的大孔结构； 另一 方面 的原 因是 由于这些矿物掺合料 的超细离子 的微填充 效应， 这些超细微粒填充于水泥粒子之间 ， 使得水泥浆体 的抗渗性能大幅度提高 ， 这样氯离子难以进入浆体内部 ， 从而降低浆体的氯离子扩散能力 。 粉煤 灰 的 固化 作 用 主要是 通 过对 氯离 子 的化学 结 合 和物 理吸 附两方 面来实 现 的。 首 先 ， 由表 1中粉 煤灰 的化学 成分分析可知 ， 粉煤 灰以 S i O 和 A l 2 0 ， 为主 ， 另外 含少 量 的 C a O等 ， 作为掺 合料加 入后 ， 可与 水泥 的水化 6 4 产 物 C a ( O H) 反应形成更多 的铝酸 盐水 化物 ， 在有 氯离 子 的情 况下 ， 可 与其反应 生成 F r i e d e l 盐 ， 从而 提高 了其 对氯 离子 的化学 结合 能力 。 另外 ， 粉 煤灰 颗粒 自身 具有 空心结构 和复杂 的比表面积 ， 较 大的 吸附面积增 强 了混 凝土对氯离子 的物理吸附能力 。 3结论 ( 1 ) 粉煤灰 的孔细化和微填充效应 能够改善混凝土的 抗氯离子扩散性能 。 ( 2 ) 粉煤灰作 为矿物掺合料 等量取代部分水 泥 ， 由于 其自身具有高铝组分的特点以及二次水化使孔溶液中的 D H值降低 ， 能够显著提高混凝土氯离子 的固化能力。 参考文献： 【 1 S A F E H I A N M， R A M E Z A N I A N P O U R A A A s s e s s m e n t o f s e r v i c e l i f e mo d e l s f o r d e t e r mi n a t i o n o f c h l o rid e p e n e t r a t i o n i n t o s i l i c a f u me c o n c r e t e i n t h e s e v e r e ma r i n e e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n I J 1 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 3 ( 4 8 ) ： 2 8 7 2 9 4 2 S HI X， XI E N， F OR T U NE K， e t a1 Du r a b i l i t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c h l o rid e e n v i r o n me n t s ： A n o v e r v i e w J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 1 2 ( 3 0 ) ： 1 2 5 1 3 8 【 3 马昆林 ， 谢友均， 刘灿， 等 混凝土固化氯离子影响因素的研究I J J 混凝土， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 2 0 2 1 f 4 】X U J ， J I A NG L ， WANG W， e t a 1 I n flu e n c e o f C a C 1 2 a n d Na C 1 f r o m d i ffe r e n t s o u r c e s o n c h l o rid e t h r e s h o l d v a l u e f o r t h e c o r r o s i o n o f s t e e l r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e J C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i al s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 2 ) ： 6 6 3 6 6 9 【 5 5 刘芳 ， 金伟良 ， 张奕 实际混凝土结构中氯离子结合理论对比分 析 J 1 新型建筑材料 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 3 1 7 6 边炳鑫 ， 李哲 粉煤灰分选与利 用技术【 M 北京 ： 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 7 施惠生， 冯涛， 贾怀锋 c l _ 对高钙粉煤灰硬化水泥浆体的影响 J 水泥 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 1 - 5 8 马昆林， 谢友均， 龙广成 粉煤灰掺量对砂浆固化氯离子性能的 研究【 J 1 粉煤灰 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 5 - 6 【 9 】吴相豪， 周金岩， 李怀垣环境因素影响粉煤灰混凝土固化氯离 子能力的试验研究 J 粉煤灰， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 5 - 8 【 1 0 1 9 8 J T J 水运工程混凝土试验规程i s 1 9 9 8 【 l 1 王新友 ， 李宗津 混凝土使用寿命预测的研究进展I J 1 建筑材料 学报 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 2 4 9 2 5 6 【 1 2 勾密峰， 管学茂， 张海波 钙矾石结合氯离子能力的研究【 J J 材料 导报， 2 0 1 3 ， 2 7 ( 5 ) ： 1 3 6 1 3 9 1 3 】 勾密峰， 管学茂， 张海波 单硫型水化硫铝酸钙对氯离子的固化 作用 建筑材料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 6 ) ： 8 6 3 8 6 6 作者简介 ： 郭亚楠 ( 1 9 9 2 一 ) ， 女， 硕士研究生。 联系地址 ： 河南省焦作市河南理工大学材料学院( 4 5 4 0 0 3 ) 联系电话 ： 1 8 7 3 9 1 8 5 5 0 2 2 O 8 6 4 2 避 回 键蟥 0 8 6 4 2 O 匝 褪蟥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m