海砂混凝土耐久性能研究.pdf

2 0 1 2年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RET E AND C EME NT P R0DUC T S 2 01 2 No 2 F e b r u a r y 海砂混凝土耐久性能研究 卞立波， 宋少 民， 李 飞 ( 北京建筑工程学院土木与交通工程学院绿色建筑与节能技术北京市重点实验室 1 0 0 0 4 4 ) 摘要： 通过 海砂 混凝 土不 同条件下 力学性 能和耐久性的测试 ， 对 海砂 高强混凝土 中的钢筋锈蚀 能力进行 了研 究。 结果表 明， 海砂 中氯 离子含量在 0 1 2 3 、 在混凝 土中使 用量低 于 3 2 0 k g m3 的条件下 ， 对强度 高于 5 0 MP a 的混凝 土立方体抗压 强度、 碳化 性能、 抗 氯 离子扩散性 能影响不大 ； 海砂 混凝 土的钢 筋锈 蚀失重率 随着海砂掺 量的增加和 水胶 比的增 大而增加 ； 阻锈 剂的掺入和保护层 厚度的增加 ， 可使海砂 混凝土的抗钢筋锈蚀 能力有所改善 ， 钢筋锈蚀 程度 有所下降。 关键词 ： 海砂 ； 抗钢 筋锈蚀 性 ； 阻锈剂 Ab s t r a c t ：T h r o u g h t e s t i n g t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e wi t h s e a s a n d u n d e r d i ff e r e n t c o n - d i t i o n s t h e s t e e l c o r r o s i o n o f t h e h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e wi t h s e a s a n d i s s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t i t h a s a l i t t l e e f f e c t o n t h e c o n c r e t e c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n gth ， a n t i - c a r b o n a t i o n p r o p e r t i e s a n d r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e d i f f u s i o n p r o p e r t i e s wh e n t h e c o n t e n t o f c h l o r i d e i o n i s l e s s t h a n 0 1 2 3 a n d t h e d o s a g e o f s e a s a n d i s l e s s t h a n 3 2 0 k g m Th e s t e e l c o rro s i o n b e - c o me s l a r g e r a s t h e s e a s a n d a n d t h e w a t e r b i n d e r i n c r e a s e Th e s t e e l c o rro s i o n c a n b e i mp r o v e d wh e n t h e MC I 一 2 0 0 6 r u s t y r e t a r d a n t a g e n t i s u s e d a n d t h e p r o t e c t i v e l a y e r t h i c k n e s s i n c r e a s e s Ke y wo r d s ： S e a s a n d ； An t i - s t e e l c o rro s i o n ； Ru s t y r e t a r d a n t a g e n t 中图分类 号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 2 - 1 1 - 0 4 0前 言 将海砂应用到混凝土中 ， 一方面为 目前 日益紧 缺 的河砂资源提供替代 品， 可 以拓宽混凝土细骨料 使用 品种的范围 ；另一方面将海砂掺入到混凝 土 中 ， 也会 给混凝 土带来 一系列的问题 ， 会影 响到混 凝土的部分性能 ， 尤其是海砂 中的氯离子会造成钢 筋混凝土结构 中的钢筋锈蚀 问题 ， 从而影响结构使 用 。有学者研究表明 ， 混凝土 中加入不 同掺量的海 砂 ， 会 导致钢筋腐蚀 ， 破坏混凝土结构 ， 导致混凝土 结构耐久性下降【 l J 。亦有学者的研究表 明： 海砂对混 凝 土结 构使 用寿命 的主要影响 因素是其携带 的氯 离 子 。本试 验着 重研究 了使 用不 同掺量( 从 0 5 7 6 k g m 。 ) 海砂 ， 携带 不 同氯 离子含量 ( o - o 7 0 4 8 k g m ) 后混凝土 的强度发展 、 碳化性能 、 抗氯离子扩散 性能 、 抗钢筋锈蚀能力以及采取的阻锈措施。 1 试 验 用原 材料 及试 验 方 法 1 1 原材 料 天然砂 ： I 区中砂 ， 细度模数 2 9 ， 其余性能见表 1 。 海砂 ： 区中砂 ， 细度模 数 2 4 ， 其余 性能见表 2。 粉煤灰 ： 级粉煤灰 。 水泥 ： 4 2 5级普通硅酸盐水 泥 ，各项指标见表 3。 碎石 ： 最 大粒 径 2 5 m m。 矿粉 ： $ 7 5 。 减水剂 ： 萘系高效减水剂 ， 减水率 ： 2 0 。 阻锈剂 ： MC I 一 2 0 0 6迁移型阻锈剂 。 水 ： 自来水 。 1 2 试 验方 法 试验配合 比见表 4 。 表 1 河砂材料性能 注 ：试验结果是每 克海 砂试 样中氯离子含量是 0 0 0 1 2 3 g ， 即 含量为 0 1 2 3 ， 远高 于 G B 厂 r l 4 6 8 4 _ 2 o 0 l 建筑用砂 中三类 砂 氯离子含量 0 0 6 的限制 ，在下文 的配合 比设计 阶段 ， 海 砂最 大掺量 占到整个细骨料的 5 0 ， 将氯离子折算到全部细 骨料 中， 则氯离子含量为 0 0 6 1 5 ， 满足三类砂的使用要求。 一 l 1一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 0期 注 ： 海砂掺量采用等质量代砂 。 2试验 结果 与 分析 2 1 海砂混凝土 的立方体抗压强度 海砂混凝土的立方体抗压强度见表 5 。 由表 5可知 ， 随着海砂 的掺人 ， 初始 阶段混 凝 表 5海砂混凝土 的 7 d 、 2 8 d抗压强度 压强度开始下降。对氯离子含量而言 ， 在混凝土 中 氯离子含量分界点在0 3 9 3 6 k g m。 ， 低 于 0 3 9 3 6 k g m 时 ， 氯离子含量较低 ， 此时氯离子的早强作用起到 主导作用 ； 当混凝土 中氯离子含量超过 0 3 9 3 6 k g m 时 ， 强度呈现下 降趋势。原 因是将海砂掺加 到混凝 土中 ， 海砂中贝壳等有机物含量在混凝土拌合物 中 分布 ， 当混凝土硬化后在混凝土内部随分布而形成 薄弱点 ， 海砂掺量 5 0 作为界 限点 ， 在混凝土 中海 砂掺量低 于 3 2 0 k g m 、 氯离子含量小 于 0 3 9 3 6 k g m 时 ， 混凝土 中氯离子 随海砂掺量逐 渐增 大 ， 此时氯 离子作为混凝土早强剂 ， 对混凝土强度 的发展起到 正面作用 ； 当混凝土中海砂掺量超过 3 2 0 k g m ( 氯离 子含 量大于 O 3 9 3 6 k g m 。 ) 时 ， 此时氯离子及海砂 中 的有机物 贝壳等含量过大 ， 引进的薄弱点所起 的负 面作用超过氯离子所起的增强作用 ， 对混凝 土的强 度 发展 起 到 了负 面作用 。 一 】 2一 土强度有所下降， 而后混凝土的立方体抗压强度逐 渐提高 ， 在海砂掺量 5 0 即 3 2 0 k g m 海 砂时 ， 混凝 土 的 7 d和 2 8 d 抗 压 强 度 达 到 4 9 5 1 MP a和 5 6 1 5 MP a ， 5 0 海砂掺量为分界点 ， 此后混凝土 的抗 2 2 海砂混凝土的碳化 表 6为海砂混凝土的碳化深度 。 表 6 海 砂混凝 土碳化深度 编号 碳化深度 ram 由表 6可知 ， 随着海砂掺量 的增加 ， 各个 掺量 海砂混凝土碳化深度均维持在一个较低水 平 ， 整体 上碳化深度在 2 3 mm， 碳化深度较浅 。随海砂掺量 和氯离子含量的增加 ， 整体上对混凝土碳化影响不 明显 。原 因是 在 文 中试 验 条件 下 ， 对 混凝 土 抗 碳 化 性能起决定性作用的仍 为混凝土的水胶 比和强度 ， 较低 的水 胶 比和较高 的强度使混凝土 的密实度较 高 ， 从而使混凝土的碳化深度较小 ， 海砂 的使用 ( 氯 离子的引入) 对混凝土抗碳化能力影响甚微。 2 3 海砂混凝土的钢筋锈蚀试验结果 2 3 1 不 同环境下海砂 混凝土 的钢筋锈 蚀试验结 果 在海砂混凝土钢筋锈蚀试验 中 ， 采取三种试验 方法 ： ( 1 ) G B 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 卞立波 ， 宋少 民， 李飞 海砂混凝土耐久性能研究 久性 能试验方法标准 ； ( 2 )参照标准方法 制作试 件 ， 标 养 2 8 d后 ， 将试件置于室外环境 中 2 8 d ， 让其 自然锈蚀 ； ( 3 ) 掺加 了阻锈剂后按照标准方法测试 ， 测试结果见表 7 。 由表 7可知 ， 整体趋势上看钢筋失重率随混凝 土中氯离子含量的增加而增加 。G B 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 条件 下海砂混凝土 的钢筋失重率高于长期暴露在外界 表 7 不 同环境下钢筋锈蚀情况 对比 环境 中的混凝土 的钢筋失重率。标准方法下 ， 海砂 混凝 土 的钢筋锈蚀失重率远高于基准混凝 土钢筋 锈蚀失重率 0 1 1 ，暴露于外界环境中的钢筋锈蚀 失重 率居 于第二 ， 但 较标准方法要低 ， 三种 试验方 法相 比， 掺加了阻锈剂后海砂混凝土的抗钢筋锈蚀 能力 有较大幅度 的提高 ，钢筋锈蚀失重率均低 于 0 1 。 原 因分析 ： 在 G B 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ( 普通 混凝土 长期 性能和耐久性能试验方法标准 中采用强制碳化的 方法使混凝土表层先碳化 ， 碳化能力较外界环境 中 恶劣 ，导致在强制碳化情况下钢筋锈蚀较 为严重 ， 暴露于外界环境中的混凝土居其次 ， 而掺加阻锈剂 后 ， 阻锈剂本身的特性使钢筋 的抗锈蚀能力有了较 大提高 。相关研究表明， 无机盐类缓凝剂掺量过高 时会降低混凝土和易性和 中后期强度3 1 ， 试验采用 阻锈剂 中含有 的醇胺化合物对混凝土有一定的早 强作用 ， 导致混凝土强度有所提高 ， 密实度增加 ， 从 而降低钢筋的锈蚀程度 。 2 3 2水胶 比不同时海砂混凝土 的钢筋锈蚀试验结 果 表 8为试配基本配合比， 表 9为水胶 比对海砂 混凝土工作性和力学性能的影 响，表 1 O为钢筋锈 蚀失重率 。 由表 1 0可知 ， 在氯离子含量不变 的条件下 ， 随 着水胶 比的增加 ，海砂 混凝 土的抗压 强度 逐渐下 降 ， 与普通混凝土抗压强度 的增长规律相 同； 随着 表 8 试 配基本 配合比 k g m 表9 水胶比对海砂混凝土工作性和力学性能的影响 水胶 比的增加 ， 海砂混凝土的钢筋锈蚀失重率也随 之增加 。由于水胶 比的降低使混凝土的强度和密实 度均有所提 高 ，使得混凝土 的抗碳化能力有所提 升 ， 从而使混凝土中的钢筋抗锈蚀能力有所提高。 2 3 3 保护层厚度不 同时对 钢筋锈蚀影 响的试验 结果 研究表明 ： 增 大混凝土保护层厚度能有效延缓 混凝土中钢筋的锈蚀 ，延长钢筋开始锈蚀的时间 ， 保护层厚度越大，越能延长钢筋开始锈蚀 的时间 ， 当钢筋开始锈蚀后 ， 保护层比较厚的混凝土 中钢筋 锈蚀速率增长 的较慢 ； 在稳定锈蚀阶段 ， 保 护层厚 一 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 0期 度越大 ， 稳定腐蚀 电流就越小 ， 钢筋锈蚀速率就越 低。 厚度分别 为 1 5 mm、 3 0 mm、 5 0 ram，试验采用标准试 验方法 ， 钢筋锈蚀失重率见表 1 2 。 表 1 1 是本研究 的基准配合 比，混凝土保 护层 由表 1 2可知 ， 随着保护层厚度的增大 ， 钢筋锈 表 1 1 试配基准 配合 比 k g m 蚀失重率逐渐降低。其中当保护层厚度 由 1 5 ram增 加到 5 0 m m 时，钢筋锈蚀失重率 由 0 2 7 下降到了 0 1 5 。 表 1 2 保护层不 同时的钢筋锈蚀 失重率 保护层厚度 mm 失重率 l 5 30 50 0 2 7 0 1 7 0 1 5 2 4 海砂混凝土抗氯离子扩散性能 表 l 3为海砂混凝 土的抗氯离子扩散性能。 表 1 3 海砂混凝 土的氯离子扩散系数 氯离子含量 ( k g m3 ) 氯离子扩散系数 ( l O - m2 s ) O 0 0 7 8 7 2 0 2 361 6 0 3 93 6 0 0 6 0 0 2 4 8 9 2 7 - 3 7 5 1 9 3 5 4 4 8 8 从表 1 3可以看 出，随着海砂混凝土 中氯离子 含量的增加 ， 混凝土的氯离子扩散系数有减小的趋 势 ， 即抗氯离子扩散性能有所提高。一方面 ， 其与混 凝土强度提 高有关 ，在混凝 土强度均高 于 5 0 M P a 时 ， 混凝土 的氯离子扩散 系数评 价为极低 ； 另一方 面 ，这可能与氯离子在混凝土中的存在状态有关 ， 原材料海砂氯盐大部分被水泥固化 ， 形成对混凝土 没有危害的结合氯盐 ， 余下 的氯盐在 昆 凝 土孔 隙内 结 晶 ， 堵塞 了离子通道 ， 使 孔径 变小 ， 变 成非连 通 孔 ， 降低 了氯离子扩散系数 ， 耐久性得到提高。文献 表 明混凝 土中氯离子来源有4 ： 原材料 带入和外界 环境渗透进入 ， 原材料带入 的氯离子大部分被水泥 浆吸附以结合氯盐的形式存在 ， 对混凝 土的影响不 大 。 3结论 ( 1 ) 在水胶 比低于 0 3和强度 高于 4 5 MP a的情 况下 ，海砂在混凝土中的掺量在 6 4 5 7 6 k g m 变化 一 1 4一 时 ， 混凝土碳化 深度 均维 持在一个较低水平 ， 整体 上碳化深度在 2 - 3 ram， 海砂掺量对混凝土抗碳化性 影 响不 明显 。 ( 2 ) 随海砂掺量的增加 ， 氯 离子含量逐渐增大 ， 在 G B 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法标准 下 ， 钢筋失重率为 0 1 1 0 3 2 不 等 ； 而长期 暴露在户外情况下 ， 钢筋的锈蚀程度有 所降低 ； 当掺加了阻锈剂后 ， 钢筋锈蚀程度得到进 一 步抑制 ， 钢筋锈蚀失重率不到 0 1 。 ( 3 ) 随水胶 比的逐渐增大 ， 海砂混凝 土 中的钢 筋失重率逐渐增大 ，当水胶 比从 0 2 7增大到 O 3 5 时 ， 钢筋锈蚀失重率从 0 1 7 增大到了 0 2 0 ； 同时 随保护层厚度的增大 ， 海砂混凝土 的抗钢筋锈蚀 能 力有 所增 强 。 ( 4 ) 氯离子对高强海砂混凝 土的抗氯离子扩散 性能影响不大 ， 在本文所列情况下 ， 氯离子渗透性 评价为极低 。 存在 的问题 ： 海砂 的使用 ， 使较多氯离子掺 入 到混凝土 中，对混凝土的抗冻性能可能有所影响 ， 本文中并未涉及 ， 有待进一步的深入研究 。 参考 文献 ： 【 1 】 洪乃 丰 海砂 的利用 与钢 筋锈 蚀 的 防护 J 建 筑 技术 ， 1 9 9 6 ( 1 ) ： 4 6 - 4 9 2 周海华 ， 张 振文， 贺智 敏， 柳俊 哲 海 砂混 凝 土 中钢筋锈 蚀机 理及 其防治 J 】 低温建 筑技 术， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 9 - 1 1 3 】 袁延棚 ， 王 兆瑞 ， 张鑫 氯盐对 混凝土 中钢筋 锈蚀 机理 与 防腐技术【 J 山东建筑工程学 院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 1 ) ： 8 7 - 9 0 4 】 黄丹 水泥基材料 的氯离子渗透 与固化性能研究【 D 】 郑州： 河南理工大学 ， 2 0 0 5 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 2 2 作者简介 ： 卞 立波( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 讲 师。 通讯地址 ： 北 京市西城区展览馆路一号 联系 电话 ： 1 3 5 8 1 7 1 6 4 1 3 E- ma i l ： b ia n l i b ob u c e a e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m