冻融循环下锂渣粉对混凝土渗透性的影响.pdf

2 0 1 5年 第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND C E ME NT P RODUC T S 2 01 5 No 3 Ma r c h 冻融循环下锂渣粉对混凝土渗透性的影响 张广 泰 ， 董海蛟 ， 温 勇 ( 新疆 大学 建筑 工程 学 院 ， 乌 鲁木 齐 8 3 0 0 4 7 ) 摘要 ： 采 用 电 通 量 法 测 定 了 不 同锂 渣 掺 量 的 混凝 土在 不 同 冻 融循 环 次 数 下 的 电通 量 并 研 究 了 电 通 量 与 各 影 响 因素之 间的 函数关 系。 试验 结果表 明 ， 随冻融循环 次数的增加 ， 混凝土电通量近似呈线性增加 。 当冻融循环次数 为 7 5次时 ， 不同锂 渣掺 量下的混凝土仍具有较 高的抗氯 离子渗 透性 。锂 渣粉 的加入 能明显 降低 混凝 土的氯 离子渗透 性 ， 随锂渣掺 量的增加 ， 混凝土 电通量近似 呈负指数 函数 关 系下降。同时发 现 ， 电通量与初 始电流间、 电通量与氯 离 子渗透深度 间、 初 始电流与氯 离子渗透深度 间均具有较好的线性相 关性 。 关键 词 ： 混凝 土； 锂 渣粉 ； 冻融循 环 ； 电通量 Ab s t r a c t ： E l e c t ri c fl u x o f c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t l i t h i u m s l a g p o w d e r c o n t e n t s n b i e c t e d t o d i f f e r e n t f r e e z e t h a w c y c l e n u mb e r wa s d e t e r mi n e d b y t h e t e s t me t h o d o f c o u l o mb e l e c t r i c fl u x ，a n d t h e f u n c t i o n r e l a t i o n s b e t we e n e l e c t r i c fl u x a n d d i f f e r e n t f la c t o r s we r e s t u d i e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t e l e c t ri c fl u x o f c o n c r e t e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g f r e e z e t h a w c y c l e n u mb e r b y t h e l i n e a r f u n c t i o n W h e n t h e f r e e z e t h a w c y c l e n u mb e r i s 7 5 t h e c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t l i t h i u m s l a g p o w d e r c o n t e n t s t i l l h a s a h i g h r e s i s t a n c e t o c h l o ri d e p e n e t r a t i o n A d d i t i o n o f l i t h i u m s l a g p o w d e r i n t o c o n c r e t e c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e i t s c h l o ri d e p e n e t r a t i o n a n d e l e c t r i c f l u x d e c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g l i t h i u m s l a g p o wd e r c o n t e n t b y t h e n e g a t i v e e x p o n e n t i a l f u n c t i o n I n a d d i t i o n ， t h e r e l a t i o n s h i p s b e t we e n e l e c t ric fl u x a n d i n i t i a l c u r r e n t ，e l e c t ric fl u x a n d c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n d e p t h ， i n i t i a l c u r r e n t a n d c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n d e p t h a l l h a v e a g o o d l i n e a r c o r r e l a t i o n Ke y wo r d s ： Co n c r e t e ； L i t h i u m s l a g p o wd e r s ； F r e e z e t h a w c y c l e s ； El e c t ri c fl u x 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 5 ) 0 3 8 3 0 4 0前言 新疆地处西北高原 内陆 ， 降水稀少 ， 蒸发强烈 ， 是 我 国最 干 旱 的地 区 也 是土 壤 盐 碱化 面积 最 大 、 类型最多 、 分布最广 、 积盐最重 的地区l l _ 。该类 土壤 中存在的大量氯盐 、 硫 酸盐和镁盐等强腐蚀性介 质 与恶劣的气候 相互作用导致混凝土结构损伤率 明 显高于其他地区 。 严重影响了建筑物的耐久性圜 。一 般认为 ，由氯离子渗透引起的钢筋锈蚀最为普遍 、 直接和严重t3 。而在影响混凝土耐久性 的众多因素 中 ， 钢 筋锈 蚀被 认 为是 最重 要 的 。经 过 国 内外 学 者 大量调查及研究表明 ， 抗氯离子渗透 性是评价钢筋 混 凝 土 耐久 性 的 一 种 有 效 方 法 和 指 标 5 1 ， 它反 映 了 钢 筋 混 凝 土结 构 抵 抗 外 界 环境 有 害 介 质 侵 蚀 的 能 力 。新疆地 区由于严寒天气混凝土结构遭受冻融破 坏较为严重 ，当混凝土结构经受冻融循环作用时 ， 混凝 土内部会 产生裂缝 、 裂纹等 ， 这就 为氯离子 的 渗透提供 了通道 ， 加速和加深 了氯离子在混凝土内 部 的渗透 ，从而加快 了钢筋的锈蚀及结构 的破坏 。 文献f 6 9 1 的研究表 明 ， 混凝 土在 遭受冻融破坏后 ， 其氯离子渗透性都会有不同程度的增加 。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 6 8 0 5 5 ) 。 通常 ， 矿物掺合料 的使用可以增强氯离子结合 能力I1 o ， 降低氯离子渗透性 1 1 ， 提高氯离子含量临界 值 l 2 1 ， 改善孑 L 隙形状和尺寸分布_ l 3 。锂渣粉是锂辉石 提炼锂盐过程 中的副产品 。 经磨细后制成 的具有一 定火 山灰活性的矿物掺合料。新疆是 国内生产锂 盐的重要基地之一 ， 锂 渣粉产量较高 ， 主要应用 于 混凝土 中。然而 ， 国内外对锂渣粉对混凝土耐久性 影响的研究较少 ， 尤其对混凝土氯离 子渗透性影 响 的研 究 更 少 这在 一 定 程度 上 限制 了锂 渣 在 工 程建 设中的推广应用。因此 。 本文研究了冻融循环作用 下锂渣粉对混凝土氯离子渗透性 的影响 ， 同时研究 了电通 量 与初 始 电流 间 、 电通 量 与 氯 离子 渗 透 深度 间、 初始电流与氯离子渗透深度间的相互关 系。 1 试 验 1 1 原 材料 水泥 ： P 0 4 2 5级水泥 ： 细集料 ： 水洗砂 ， 细度 模数 2 8 6 ， 含泥量 1 3 ， 表观密度 2 6 4 0 k g m ； 粗集 料 ： 卵石 ， 5 1 6 mm连续级配 ， 压碎指数 3 2 ， 含 泥 量 0 7 。 表观密度 2 6 8 0 k g m ； 锂渣粉 ： 新疆某公司 产 ， 8 0 tx m方孑 L 筛筛余 4 0 ，比表面积为 4 1 7 m 2 k g ， 密度 2 4 8 g m ； 减水 剂 ： 聚羧 酸减 水剂 ； 水 ： 自来 水 。 1 2 混凝土配合 比 一 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 7期 按 C 4 0强度等级进行混凝土配合 比设计 ， 锂渣 粉等量取代水泥。 具体配合 比见表 1 ， 混凝土的基本 性 能见 表 2 。 表 1 混凝 土配合 比 k g m 注 ： b一 0为基 准混凝 土配合 比， 一 1 0 、 L i 一 2 O 、 L i 一 3 O分 别表示 锂渣掺量为 1 0 、 2 0 、 3 0 的混凝土配合 比。 表 2 混凝土 的基本性能 1 3试 验方法 1 3 1 冻融 循环 试验 制作 01 0 0 m mx 5 O mm圆柱体试件用 于冻融循 环试验 参照 G B T 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 规定 ， 用 K D R V型混 凝土快速冻融测控仪进行测试 。 1 3 2 混凝土氯离子渗透试验 采 用 电通 量 法 对 冻 融 循 环 作 用 后 的试 件 进 行 氯离子渗透试验 ， 试验方法参照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 ， 采用 D T L A氯离子 电通量测试仪进行测试。 1 3 3 硝酸银显色法测定氯离子渗透深度试验 在 电通量试验完成后 ， 采用硝酸银显色法测定 氯离 子渗透深度 ，具体试验步骤参考 R C M法 中氯 离 子渗 透深 度 的测定 方法 。 2试 验 结果及 分 析 2 1 冻融 循环 作用 下混 凝土 的损 伤情 况 2 1 1 圆柱 体试 块冻 融前 后抗 压强 度 的变 化情 况 圆柱体试件冻融前后抗压强度见表 3 。由表 3 可知 ， 对 于不 同锂渣掺量 的混凝土 当冻融循环次 数 为 2 5次 、 5 0次 时 ，冻 融前 后 的抗 压 强 度变 化 不 大 ； 当冻融循环次数为 7 5次时 ， 冻融后 的圆柱体抗 压强度有所降低 ，在不掺锂渣 、锂渣掺量为 1 0 、 2 0 、 3 0 下 ， 冻融后的圆柱体抗压强度分别降低 了 1 1 2 、 1 9 、 3 3 、 1 7 ， 其 中不掺 锂渣 的混凝 土冻 融后 的圆柱体抗压强度降低幅度较大 。分析可知 。 当冻融循环次数为 2 5次 、 5 O次时 ， 混凝土内部损伤 较小 ， 而 当冻 融循 环 次数 为 7 5次 时 ， 混凝 土 内部损 8 4 表 3 圆柱体试 件冻融前 后的抗压 强度 MP a 注 ： 表 中编 号 格 式 为 X- Y， 其 中 X 表 不 锂 渣 掺 量 ， Y 表 不 冻 融 循环次 数 ， 如 1 0 2 5表示 锂渣掺 量为 1 0 ， 冻融循 环次数 为 2 5次 的混 凝 土 。 伤开始有所增加 ， 因此出现 了上述现象。 2 1 2 圆柱体试件冻融前后质量变化情况 圆柱体试件冻融循环后 的质量损失率见表 4 。 由表 4可 知 ， 随 冻 融 环 次 数 的 增 加 ， 不 同锂 渣 掺 量 的 圆柱 体试 件质 量 损失 率 均 为 负值且 逐渐 减 小 ， 表 明冻 融后 试 块质 量 有所 增 加 。分 析认 为 ， 冻 融循 环 作用会使混凝土内部裂缝有所发展 ， 试件 的吸水量 有所 增 加 ， 同时 ， 由 于冻 融循 环 的损 伤 作 用较 小 ， 混 凝土外 观剥落情况较轻 。 因此 ， 冻融后试件的质量 有所增加 。 表 4圆柱体试块冻融循环后 的质量损失率 2 2 冻 融循 环作 用对 混凝 土氯 离子 渗透 性 的影响 图 1 为 电通 量 与 冻 融循 环 次 数 的关 系 。 由图 1 可 知 ， 随冻 融 循 环 次 数 的增 加 不 同锂 渣 掺 量 下 混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张广 泰 ， 董 海蛟 温 勇 冻融 循环 下锂 渣粉 对 混凝 土渗 透性 的影 响 凝 土 的 电通 量 均逐 渐 增 加 。与 未冻 融情 况 相 比 不 掺锂渣 、锂渣掺量为 1 O 、 2 0 、 3 0 的混凝土电通 量 分别增 加 了 7 0 8 C、 3 8 9 C、 4 0 4 C 、 1 8 9 C 。 冻 融循 环 7 5 次时 ， 根据 A S T M C 1 2 0 2标准 中对混凝土渗透性 的 分类标准评价 ， 不掺锂渣和锂渣掺量为 l 0 时混凝 土 的渗 透性 为“ 低 ” ， 锂 渣掺 量 为 2 0 和 3 0 时混 凝 土的渗透性为“ 非常低” ， 表明该状态下混凝土具有 较 高 的抗 氯 离子 渗 透性 。分 析可 知 ， 对 于冻 融 循 环 过 程 而 言 ， 当 温 度 处 于 零 度 以下 时 ， 混 凝 土 孔 隙 中 的水因结冰而体积膨胀 ， 从而产生 了拉应力 ， 致使 混 凝 土 原 生 裂 缝 有 所 扩 展 ， 新 生 裂 缝 形 成 ， 而 当 温 度高于零度时 ，孔隙 中结冰 的水 因融化 而体 积减 小 ， 使裂缝有所闭合 。随着冻融循 环过程 的不断进 行 ， 混凝土相 当于被加载 、 卸载 ， 内部裂缝 张开 、 闭 合 ， 进而扩 张和增多 ， 致使混凝 土内部形成较 多和 较宽的渗透通道 ， 因此 ， 混凝土渗透性有所增加。 本 研 究 采 用 混 凝 土 电通 量 关 于 冻 融 循 环 次数 的一 次 函数来 拟合 试 验数据 ， 即 ： y ： 僦+ g 1 ( 1 ) 式 中 ： 口为 回归 常数 ； q 。 为 未冻 融 情 况下 混 凝 土 的 电通 量 。 拟合曲线如图 1 所示 ， 拟合结果见表 5 。 21 O 0 l 8 0 0 1 5 0 0 皿 唧1 2 0 0 删 9 0 0 6 0 0 3 0 0 一 L i 一 0 ， 一L i 一 1 O 0 2 5 5 0 7 5 冻融循环次数， 次 图 1 混凝土 电通量与冻融循环次数 的关 系 表 5 式 ( 1 ) 的拟合结果 由表 5可见 ， 与基准混凝 土相 比， 掺锂渣混凝 土 拟合直线的斜率相对较小 ， 反映了其在冻融循 环作 用下抵抗氯离子渗透性 的能力相对较强 。利用此数 学模 型可以由未冻融情况下的混凝土 电通量 近似 推断不 同冻 融循 环 次数 下相 应 的混凝 土 电通量 。 2 3 锂渣 粉 对混凝 土 氯离 子渗 透性 的影 响 图 2为混凝土电通量与锂渣掺量的关系。由图 可知 ， 不 同冻融循环次数下混凝土 的电通量 随锂渣 掺量的增加均呈 降低趋势 。与基准混凝土相 比， 掺 3 0 锂渣后 ，未 冻融及冻 融循环次 数为 2 5次 、 5 0 次 、 7 5次 的混凝 土 电通 量分别 降低 了 8 0 、 8 0 、 7 9 、 7 7 。表 明在 不 同冻 融循 环 次数 下 ， 加入 锂 渣 粉 均 能 明显 降 低 混 凝 土 的氯 离 子 渗 透性 。分 析 可 知 ， 加入到混凝土中的锂渣 粉可发挥其火 山灰质效 应 ， 与水泥水化反应生成的 C a ( O H ) 发生二次反应 ， 一 方 面生 成 了更 多 的水 化 产 物 提 高 了混 凝 土 固化 氯离子 的能力 ； 另一方 面 ， 由于C a ( O H) 数 量 的减 少 ，减弱 了其在浆骨界面的定 向排列和富集程度 ， 界 面结 构 得 以优 化 ， 再 加上 更 多 的低 碱 度 水 化硅 酸 钙凝 胶 使水 泥 石 结构 更 为 密实 从 而提 高 了混凝 土 抗氯 离子 渗透 能力 。 本研究采用混凝 土电通量关 于锂渣掺量 的负 指数 函数 来拟 合试 验数 据 。 即 ： y = q 2 e ( 2 ) 式 中 ： b为 回归 常数 ； q 为基准 混凝 土 电通量 。 拟合 曲线 如 图 2所 示 拟合 结果 见表 6 。 21 0 0 1 8 0 0 1 5 0 0 1 2 0 0 旧 9 0 0 6 0 0 3 0 0 O 1 O 2 0 3 0 锂渣掺量 图 2 混凝土 电通量 与锂渣 掺量 的关 系 表 6式( 2 ) 的拟合结果 由表 6可 知 不 同冻融 循环 次 数下 回归 常数 b 相 差 不 大 表 明锂 渣 粉对 不 同冻 融循 环 次 数 下混 凝 土氯离子渗透性的影响规律基本一致 。利用此数学 模 型可以 由基准混凝土的 电通量近似推断不 同锂 渣掺 量下 相应 的混 凝 土 电通 量 。 2 4电通量 、 初始 电流及氯离子渗透深度问的关系 一 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 3 期 混 凝 土与水 泥制 品 总 第 2 2 7期 对 电通 量 、 初 始 电流 及 氯离 子 渗 透深 度 相 互 间 的关 系进行分析 ， 结果分别如图 3 、 图 4 、 图 5所示。 由图可见 电通量与初始 电流间 、 电通量 与氯 离子 渗透深度间、 初始 电流与氯离子渗透深度间均具有 2 1 0 0 l 8 0 0 u 1 5 0 0 皿 硎1 2 0 0 删 9 0 0 6 0 0 3 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 初 始电流 mA 图 3 电 通 量 与 初 始 电 流 的 关 系 2 1 0 0 1 8 0 0 u 1 5 00 1 2 0 0 涮 ； 9 0 0 6 0 0 3 00 较 好 的线 性 相关 性 。其 中 ， 有 关 电通 量 与 初始 电流 间关系的研究结果与文献 1 5 1 8 的结论较为一致。 因此 ， 可 以考虑采用初始电流 、 氯离子渗透深度来 评价混凝土的氯离子渗透性。 O 5 1 0 1 5 2 O 2 5 氯离子渗透深度 ra m 图 4电通量与氯离子渗透 深 度 的 关 系 3结论 ( 1 ) 当冻 融循 环 次 数 为 2 5次 、 5 0次 时 ， 冻 融 前 后抗压强度变化不大 ： 当冻融循环次数为 7 5次时 ， 冻融后 的抗压强度有所降低。 ( 2 ) 随冻融环次数 的增加 质量损失率为负值 且逐渐减小 ， 表明冻融后试件的质量有所增加 。 ( 3 ) 随冻 融 循 环 次 数 的增 加 ， 混 凝 土 电通 量 近 似呈线性增加。当冻融循环次数为 7 5次时， 不同锂 渣掺量下的混凝土仍具有较高的抗氯离子渗透性。 ( 4 ) 锂渣 粉 加入 到 混 凝 土 中能 明显 降低 氯 离 子 渗透性 。随锂渣掺量的增加 ， 混凝土电通量近似呈 负指数函数关系下降。 ( 5 ) 电通量与初始 电流 间、 电通量与氯离子 渗 透深度间 、 初始 电流与氯离子渗透深度间均具有较 好的线性相关性。 参考文献 ： 1 】 胡汝 骥， 樊 自立， 王亚俊， 等 近 5 0年新疆气 候变化对 环境 影响评估 J 干旱 区地理， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 2 ) ： 9 7 1 0 3 2 】 温勇， 刘 国君， 秦志勇， 等 锂渣粉对混凝 土氯 离子渗透性的 影响 J 混凝 土， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 7 6 7 8 3 】 李伟文， 冷发光， 邢 峰 不 同强度等级 混凝土氯离 子渗 透性 研究f J 1 混凝土， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 9 3 0 ， 6 2 I 4 】E H T A P K ， MO N T E I R O P J M C o n c r e t e M i c r o s t r u c t u r e ， P r o p e r t i e s a n d Ma t e r i a l s M 3 r d e d N e w Y o r k ： T h e M c G r a w - Hi l l Co mp a ni e s ，I n c ，20 06 【 5 】 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 1 粉煤灰， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 2 8 0 2 8 5 【 6 】 叶其业， 杜乃红， 米胜东 冻融循环后 混凝土抗氯 离子渗透 性能试验研究【 J 中国港湾建设， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 3 3 3 5 【 7 1 王军强 混凝土 中冻融循环和氯离子侵蚀的耦合效应试验 研究 J 昆 凝 土， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 2 9 3 1 【 8 洪 雷， 唐 晓东 冻融循环对 高性 能混凝土 氯离子 渗透性 的 一 8 6 8 0 7 0 6 0 媛5 0 4 o 3 0 2 O 1 0 O 5 1 O 1 5 2 0 2 5 氯离子渗透深度 mm 图 5初始 电流与氯离子渗透 深度 的关系 影响 J 1 武汉理工大学学报， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 8 ) ： 4 1 4 4 9 洪雷， 彭超 单 向荷载及 冻融循 环对氯 离子渗透性 的影 响 J I 建筑材 料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 2 ) ： 2 5 5 2 5 9 【 1 0 何松晟， 高玮， 汪磊 矿物掺合料对混凝 土抗氯离子渗 透性 影响研究【 J 】 武汉工业学 院学报， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 8 0 8 3 1 l 】曾祖亮锂渣 粉的来源 和锂渣粉混凝 土的增强抗渗 机理 探讨 J 】 四川有 色金 属， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 9 5 2 1 2 】 河野 克哉， 市 川牧彦， 梁承 奎， 等 混凝 土 中钢筋 锈蚀 的氯 离子临界浓度及规范 J 】 混凝 土世 界， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 3 4 3 9 1 3 】K h a n M I N a n o s t r u c t u r e a n d m i c r o s t r u c t u r e o f C e me n t C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g Mu h i c e m e n t i o u s C o m p o s i t e s f J J T r a n s p ； R e s R e c o r d ， 2 0 1 0 ， 2 1 ( 4 1 ) ： 2 1 2 7 1 4 巴恒静， 张武满， 邓宏 卫 评价高性 能混 凝土耐久性综合指 标抗 氯离子 渗透性 及其 研究现 状 J 混 凝土 ， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 3 4， 1 4 【 l 5 叶其业， 杜乃红， 张珩瑜 混 凝土氯离 子渗透 试验 研究 J I 中国港 湾建设， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 3 5 3 7 【 l 6 孟振 亚， 刘加 平， 刘 建忠， 等 矿物掺合 料的掺 人对混凝 土 抗 氯离子渗透性能影 响的评价 与研 究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 2 8 30- 3 3 1 7 】F E L D MA N R F ， P R U D E N C 1 0 J R L R ， C H A N G W R a p i d c h l o r i d e p e r me a b i l i t y t e s t o n b l e n d e d c e me n t a n d o t h e r c o n c r e t e s ：c o r r e l a t i o n s b e t we e n c h a r g e ，i n i t i a l c u rre n t a n d c o n d u c - t i v i t y J 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 r i a l s ， 1 9 9 9 ( 1 3 ) ： 1 4 9 - 1 5 4 1 8 】 Z H A O T J ， Z HO U Z H ， Z HU J Q ， e t a1 A n a l t e r n a t i n g t e s t me t h o d f o r c o n c r e t e p e rme a b i l i t y J 1 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 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 7 一 l 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 0 5 作者简介 ： 张 广泰 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 教授 、 硕士生导 师。 通讯地 址 ： 乌鲁木齐市延安 路 1 2 3 0号 。 新疆大学南校 区 建筑工程学院 联 系电话 ： 1 3 8 9 9 9 1 8 6 9 2 E- ma i l ： z g t lx h1 2 6 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m