掺耐腐蚀早强超塑化剂的HPC管桩混凝土性能研究.pdf

2 0 1 0年第 4期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 0 No 4 Au g us t 掺耐腐蚀早强超塑化剂的 H P C管桩混凝土性能研究 童常荣 ， 秦鸿根 ， 郭 伟 ， 陈惠苏 ( 1 三和管桩企业集 团南京和创建材有限公司， 2 1 0 0 4 4 ； 2 东南大学江苏省土木工程材料重点实验室， 南京 2 1 l 1 8 9 ) 摘要： 为提高管桩混凝 土耐腐 蚀的性能， 采用 氯离子渗透、 抗化学侵蚀等试验方法来研究耐腐蚀早强超塑化剂对 H P C管桩 性能 的影响， 并且对混凝土耐腐蚀早强超塑化剂的作用机理 进行分析 。相关试验结果表 明： 掺耐腐蚀早强超塑化剂 的 H P C管桩混 凝土表现出优 良的抗压 强度 和耐久性能 ， 相关性能指标均优于掺普通外加剂的管桩混凝 土。 关键词 ： 混凝土； 耐腐蚀早强超塑化剂 ； 氯离子渗透 ； 化学侵蚀 ； 抗蚀系数 Abs t r a c t ： I n o r de r t o i mp r o v e t h e 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 ma n c e o f c o n c r e t e p i l e s ，t h e t e s t i n g me t h o d s o f c h l o r i d e i o n p e rm e a b i l i t y a n t i c h e mi c a l e r o s i o n e t a 1 a r e u s e d to r e s e a r c h t h e e f f e c t s of s u p e r p l a s t i c i z e r f o r c o r r o s i o n r e s i s t an c e a n d e a r l y s t r e n g t h o n t h e p e r f o r ma n c e o f HPC p i l e s ；a n d t h e me c h a n i s m o f c o n c r e t e s u p e r p l a s t i c i z e r f o r c o r r o s i o n r e s i s t a n c e an d e a r l y s t r e n g t h i s a n a l y z e d Re l a t i v e t e s t i n g r e s u l t s s h o w t h a t t h e HP C p i l e s mi x i n g s u pe r p l a s t i c i z e r for c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d e a r l y s t r e n gth s h o w e x c e l l e n t c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d d u r a b i l i t y p e rfo r ma n c e ，a n d r e l a t e d p r o p e r t y i n d e x e s a l e be t t e r t h a n t h e c o n c r e t e p i l e s mi x i n g o r d i n a r y a d mi x t u r e s Ke y wo r ds ：C o n c r e t e ；S u pe r p l a s t i c i z e r f o r c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d e a r l y s t r e n g t h ；C h l o r i d e i o n pe rm e ab i l i t y ；Ch e mi c al e r o s i o n ； C o rro s i o n r e s i s t an c e c o e f f i c i e n t 中图分 类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 4 3 0 0 3 0前 言 国际 上 自 2 0世 纪 3 0年 代开始 使用 混凝 土外 加 剂 ， 我 国 自上世纪 5 0 年代开始研制和少量使用混凝土 外加剂 ； 2 0世纪 7 0年代# l- n 剂行业开始 兴起 ； 经过近 3 0年 的努 力 ，我 国的# l - u 剂行业 已经得 到长足 的发 展 。1 9 9 0年 ， 美 国学者提 出了高性能混凝土( H P C ) 的概 念 ， 超塑化剂是高性能混凝 土中必不可少 的组分 ， 而高 性 能是混凝土材料发展 的必然趋势n 。 混凝土的耐久性 是指混凝土在使用过程 中，在 内 部 的或外部的 ， 人为的或 自然 的因素作用下 ， 混凝土保 持 自身工作能力的一种功能 ，或者结构在设计使用年 限内抵抗外界环境或 内部本身所产生 的侵蚀破坏作用 的能力嘲 ， 是一个综合性概念 ， 包含 的内容很 多 ， 如抗渗 性 、 抗冻性 、 抗碳化和抗化学侵蚀等性能 。混凝土管桩 主要应用于建筑物基础等地下 工程 ，易受 到土壤 中的 侵蚀性 物质 ( 盐碱等 ) 的侵蚀 ， 造 成管桩混凝 土性能 的 下降 ， 甚至造成严重的工程事故 ， 因此有必要对管桩混 凝土的耐久性进行深入的研究。 1 原材料与混凝土配合 比 1 1 原材料 ( 1 )水 泥 ：安徽产 P 5 2 5水泥 ， 3 d抗 压强度 2 7 6 M P a ，抗 折强度 5 8 MP a ； 2 8 d抗 压 强度 5 7 3 M P a ， 抗折强度 9 6 MP a 。 一 3 0一 ( 2 ) 砂 ： 机制砂 ， 细度模数 Mx = 3 4 ， 含泥量 0 7 ， 满 足 区级配。 ( 3 ) 石 ： 玄武 岩碎 石 ， 5 - 2 0 mm 连 续级 配， 含 泥量 O 3 ， 针片状含量 7 2 ， 压碎值 6 3 。 ( 4 ) 外加 剂 ： 日本产减水剂 MD 一 1 5 0 ， 掺量 2 0 ( 折 合 固体掺量 0 8 0 ) ； 自行研制 的 T C R I 型耐腐蚀早 强超塑化剂 ， 主要成 分为无机密实促凝剂 ， 无机和有机 活性激发 剂 ，有 机表 面活 性剂及 超塑 化剂 等 。掺量 1 7 - 3 ， 本试验掺量为 2 4 。 1 - 2 混凝土配合 比 本试验按 照 J G J 5 5 2 o o o ( 普通混凝土配合 比设计 规程 进行管桩混凝土的配合 比设计 ， 混凝土配合 比见 表 l ( J Z 一 1 为掺 M D 一 1 5 0外加剂 的耐腐蚀管桩 P H C混 凝 土 ， S J l 为掺加 自行研 制 T C R I的高耐腐蚀 H P C 管桩混凝土 ) 。 2 试 验方法 表 1 混凝土配合比 k g m 3 注 ： J Z 一 1组混凝土 2 8 d抗压强度为 7 2 MP a ， S J - 1组混凝土 2 8 d 抗压强度为 8 0 MP a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 童常荣 ， 秦鸿根 ， 郭 伟， 等 掺耐腐蚀早强超塑化剂的 H P C管桩混凝土性能研究 成型后的 J Z对 比组混凝 土先进行蒸汽养护 ( 静停 1 h 一 升温 1 5 h， 速度 2 0 C _+ 5 C h 一 恒温 4 h， 温度 8 0 5 一 降温 1 h ) ， 脱模 后进行 “ 压蒸” 养 护 ； S J 高 耐腐蚀混 凝 土无 需“ 压蒸 ” 养 护 ， 常温养 护 即可 ( 常温养 护制度 同 J Z 组 ) 。 J Z组混凝土和常温养护的 S J 高耐腐蚀混凝土 进行抗冻性 、 氯离子渗透性和耐腐蚀试验。 2 1 混凝土冻融循 环试验 混凝土抗 冻性试 验按照 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法 进行 ； 试 验设 备为北京产 D T R I 型混凝 土快速冻融实 验设备 ， 冻融温度控制在 ( 一 1 7 2 ) 和 ( 8 2 ) 之 间 ，每次冻融循环在 2 - 4 h内完 成 ， 冻融介 质为水 。 2 2 混凝土抗氯离子渗透性能试验 抗氯离子渗透性能试验是 目前评定 混凝 土抗 渗性 及耐腐蚀性 能常用 的方法， 电通量采 用 A S T MC 1 2 0 2 1 9 9 7 混凝土氯离子渗透电量快速测定方法 中的试 验 方 法 ； 氯离子 扩散 系数 依据 C C E S O 1 2 0 0 4 ( 混凝 土结 构 耐久 性设计与施工指南 附录 B 2混凝土氯离子 扩 散系数快速检测 的 NE L法进行试验 。 电通量法 ， 即 A S T MC1 2 0 2方法 ， 是测 量在 6 h内 通 过 从 l O O mm直 径 的 芯 样或 圆柱 体 试 块 中切 下 的 5 0 m m厚混凝土切 片的电量 。将试件真空饱 水后 ， 在试 样 的两边 保持 6 0 V的恒定 电压 ，试 样一边浸 人 0 3 N a C 1 溶液 中 ， 另一边 浸入 1 2 N a OH溶 液中 。以库仑 表示通过的总电量值 ，与试块的抗 氯离子渗透性能有 一 定关系 ， 该法 实质上是测定饱水混凝土的电导率 。 应 用该法的基本假设是饱水混凝土的电导率值与反映混 凝土孔结构特征 的混凝土抗氯化物侵人性 之间具 有 良 好的相关性圄 。 N E L法是 清华大学路新瀛教授基于离子扩散和电 迁 移提出 的试验 方法 ，实际是饱 盐混凝 土 电导 率法 。 它是用真空抽吸的方法来加 速混凝 土试 件饱盐 ，使之 成 为线性元件 ，然后用 N e r n s t E i n s t e i n方程确定混凝 土 中的氯离子扩散系数旧 ， 对混凝土渗透性进行快速评 价 ，为耐久混凝 土的配合 比设计和混凝土质量检验提 供依 据 。 混凝 土氯离 子扩散 系数 试验结 果列 于表 2 中。 2 3 混凝土耐腐蚀试验 混凝土抗 腐蚀性试验参照 J T J 2 7 0 1 9 9 8 水 运工 程混凝 土试验规程 中烘浸循环试验方法 ， 采用尺 寸为 4 0 m mx 4 O m m x l 6 O m m 的细石混凝 土 ， 粗 骨料 5 1 0 m m 粒级， 砂为机制砂 ； 采用混凝土流动度 1 8 0 mm_+ 5 mm( 跳 桌法 ) 控制细石混凝 土流动度来调整用水量 ， 以便等坍 落度对 比。采 用小试件是为 了加速干湿循环对混凝土 的侵蚀作用。 腐 蚀性溶 液分 别为 5 硫 酸钠 溶 液 、 3 5 氯 盐溶 液和 1 硫 酸溶液 ， 烘 浸循 环制度为 ： 将试 件在 7 0 C 烘 箱 中烘 1 d ， 冷却 1 h ， 在腐蚀性 溶液 中浸 泡 8 h ， 再放人 烘 箱 中 ， 在( 7 0 2 ) o C的温度下烘 1 5 h为一次循 环 ， 反复进 行 3 0次循环后测试混凝土的强度 变化率 。 3试验结果与分析 3 1 混凝 土抗冻性 和氯离子渗透性试验 按 照 2 1和 2 2节 中混凝土抗 冻性和 氯离子 渗透 性 的试验方法进行混凝土 的抗冻性和抗 氯离子渗透性 试验 ， 试验结果列于表 2中。 由表 2中的试验结果可知 ：掺 MD - 1 5 0外加剂的 表 2 混凝土抗冻性和氯离子渗 透性试验结果 J Z组 混凝土经历 7 5次冻融循环 即破 坏 ， 掺 T C R I的 S J 高 耐腐 蚀混凝土 可达到 3 0 0次冻融循环 ， 相对于对 比组抗 冻 性提 高 3 0 0 ，说 明耐 腐 蚀早 强 超 塑化 剂 T C R I可以显 著提高管桩混凝土的抗冻性 ； 掺人耐腐 蚀 早强超塑化剂 T C R I 的混凝土 抗氯离子渗 透能力 明显提高 ， 电通量 试验测得 通过 电量仅 为 3 4 0 C， 相对 于 J Z对 比组 通过 电量 降低 1 8 6 ， N E L法 测得 的氯离 子扩 散系数为 2 1 2 x l O h n 2 s ， 相对于 J Z对 比组氯离子 扩 散 系数 降 低 3 8 2 。综 上 ，耐 腐蚀 早 强超 塑 化剂 T C R I可 以显 著提高管桩 混凝土 的抗氯 离子渗 透性 能 和抗冻 性 ， 这主要是 因为 T C R I中有促 密实成分 ， 可 以提高混凝土的密实程度 ，同时其减水 成分在混凝 土相同工作性条件下可以大 幅降低用水量 、降低混凝 土的水 胶 比， 减少 了水分蒸发产生 的毛细孔 ， 从而减少 了水和氯离子的渗透通道 ，这都有利 于混凝 土抗 冻性 和抗氯离子渗透性 能的提高 。 3 2 混凝 土耐腐蚀试验 为了加速硫酸盐 、 氯盐 、 硫酸等侵蚀介质的侵蚀速 度 、 增 强侵蚀效果 ， 以缩短试验 周期 ， 本 试验采用 细石 混 凝 土 制 备 小 试 件 ，试 件 尺 寸 4 0 m m x 4 0 m l n 1 6 0 m m， 采用 的混凝 土配合 比见表 3 。 根据 2 3节混 凝土耐腐蚀试 验方法进行混凝 土的 表 3 干湿循 环试 验混 凝土配合 比( 每组用量 ) k g m 注 ： J Z 一 2组 ( 对 比组)混凝土 2 8 d抗压强度为 7 2 MP a ， S J 一 2组 ( 高耐腐蚀 ) 混凝土 2 8 d抗压强度为 7 5 MP a 。 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 4期 耐腐蚀试 验 ，测试 3 0次干湿循环后混凝土 的强度 ， 为 便于分析， 提出抗 干湿腐蚀循环 系数 K x与对 比干湿腐 蚀循环系数 l ( r 的概念， 其定义分别为 ： K x = 3 0次 干湿循 环后 混凝土 强度 清水 养护混 凝 土强度 K r = 高耐腐蚀混凝土 K x 对 比组混凝土 K x 混凝土 的抗硫酸盐 、 氯盐 、 硫酸溶液干湿腐蚀循 环 系数 K x与对 比干湿 腐蚀循 环 系数 试验结 果 列于 表 4中。 表 4混凝 土耐腐蚀试验结果 由表 4的试验 结果 可知 ，耐腐 蚀早 强超 塑化 剂 T C R I可以显著提高管桩混凝土的抗硫 酸盐 、 氯盐 和 硫 酸侵蚀性 能 ，这主要与 T C R I可以降低混凝土水 胶 比 ，提高混凝土的密实程度 ，改善界面过渡区的界 面 ， 在一定程度上 阻止 了侵 蚀介质 的侵 入 ； 其次 ， 外加 剂 中的活性成分 可与水泥水化产生 的 C a ( O H ) 发生二 次火 山灰反应 ， 减少了易被侵蚀 的 C a ( O H ) 的量 ， 从 而 提 高了混凝土的耐腐 蚀性能 。 3 - 3 机理分析 耐腐蚀早强 超塑化剂 T C R I明显 的抗冻性 和耐 腐蚀性能机理如下 ： ( 1 ) 耐腐蚀 早 强超塑化 剂 T C RI中含有 早强 成 分 ，可 以促进水泥的水化 、加速混凝土早 期结构 的形 成 ， 提高混凝土 的强度 ， 可以使管桩混凝土无需压蒸养 护即可达 到高强 的要求。 ( 2 ) 耐腐 蚀早 强超塑 化剂 T C R I中含有 促 密实 成分， 可以提高混凝土的密实程度； 同时其中的高效减 水成分可 以在相 同工作性条件下 大幅降低用水 量 ， 降 低混凝土 的水胶 比，这均有利于提高混凝土 的力学性 能和耐久性 。 ( 3 ) 耐 腐蚀早 强超 塑化剂 T C R I中含 有机 活性 激发剂等，能够加速水泥 的水化 ，同时有 高活性 S i O z 等， 参 与胶凝材料 的二次水化反应使水化产物 中 C S H 凝胶体 的含量提高。同时减少了水化产 物中耐腐蚀 性能较差的氢氧化钙的含量 ， 并提高 了混凝土强度。 由以上分析可知，混凝土耐腐蚀早强超塑化剂是 一 3 2一 一 种复合型的外加剂 ，同时含有有机表 面活性剂及活 性激发剂等 ， 在改善混凝土密实度 的同时 ， 能够改善混 凝土的界面过渡 区，减少晶粒粗 大的氢 氧化钙 的定 向 生长 ， 二次火 山灰效应生成 的 C S H凝胶可 以提高界 面 的粘接力。 在普通混凝土 中， 由于混凝土的泌水等使 得骨料下缘 易于积水 ， 造成 界面过渡 区中孔隙较大 ， 氢 氧化钙易于再此聚集 。防腐蚀外加剂可 以降低界面过 渡 区的厚度 ， 减少过渡区内的缺陷。 这些均有利 于混凝 土抗冻性 、 耐腐蚀性的提高。 4结论 ( 1 ) 试验结果表 明 ， 与对 比组相 比 ， 耐腐蚀早强超 塑化剂 T C R I 可 以显著 提高 管桩混 凝土 的耐久性 ， 抗冻性提高 3倍 ， 电通量 值降低 1 8 6 ， 氯离子扩散 系 数降低 3 8 ， 在硫 酸盐 、 氯盐和酸的溶液 中干湿交替腐 蚀的耐蚀 系数也有较大幅度 的提高 。 ( 2 ) 耐腐 蚀早强 超塑化 剂 T C R I中含有 早强 成 分 ，可 以促进水泥的水化 、加速混凝土早期结构的形 成 ， 提 高混凝土 的早期强度 ， 可 以使管桩混凝土无需压 蒸养护 即可达到高强度的要求 。耐腐蚀早强超塑化剂 T C R I中含有机活性激发剂等 ，能加速水泥的水化 ， 同时含有高活性 S i O 等 ， 参与胶凝材料 的二次 水化 反 应 ， 改善 了混凝土中界面过渡 区的结构 ， 提高了抗压强 度和耐久性能 。 参考文献 ： 1 陈建奎 混凝土外 加剂的原理 与应用i ra 北京： 中国计划 出版社， 2 0 0 4 ： 1 2 0 2 】S p i r a t o s N ， J o l i e o e u r C T r e n d s i n c o n c r e t e c h e m i c a l a d mi x t u r e f o r t h e 2 1 s t c e n t u r y【 AJ 6 t h C A N ME T A C I I n t e rna t i o n a l S u p e r p l a s t i c i z e r s a n d O t h e r C h e mi c al A d mi x t u r e s i n C o n c r e t e C P a r i s ： 【 S n ， 2 0 0 0 ： 1 1 5 3 】 卢木 混凝 土耐久性研究现状 和研究 方向 J 工业 建筑， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 5 ) ： 1 6 【 4 A S T M C 1 2 0 29 4 ，E l e c t r i c a l I n d i c a t i o n o f C o n c r e t e S Ab i l i t y t o Re s i s i t Ch l o r i d e l o n P e n e t r a t i o n 5 】 洪定海， 丁建彤 混凝土抗氯化物侵入性标准测试方法 的适用性阴 东南大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 增 刊( I I ) ： 3 9 - 4 5 【 6 X i n g y i n L u A p p l i c a t i o n o f t h e Ne r n s t - E i n s t e i n e q u a t i o n t o c o n c r e t e 【 J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 2 ) ： 2 9 3 3 0 2 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 - 2 6 作者简介： 童常荣 ( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 工程师。 通讯地 址： 南京市六合区中山科技 园博富路 联系电话 ： O 2 5 5 7 6 7 2 2 O 9 Email ： t c r l 5 801 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m