混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律.pdf

文章编号: 1 0 0 1 - 9 7 3 1(2 0 1 4)1 8 - 1 8 0 2 7 - 0 4 混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律 刘军, 陈晓池, 邢锋, 唐开锋, 潘冬 ( 深圳大学 土木工程学院, 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室, 广东 深圳5 1 8 0 6 0) 摘要:采用不同配合比的混凝土试件标准养护 2 8d后, 用A u t o c a l m表面渗透性测试仪检测混凝土 表面层的渗水系数, 研究表层渗水性能的影响因素及 其作用规律。研究发现, 水灰比对混凝土的表层渗水 性能有较大影响,C 2混凝土的表层渗水系数是C 1的 0. 5 9倍,C 3是C 1的0. 3 1倍, 水灰比与表层渗水系数 之间存在线性关系; 粉煤灰的掺入, 一方面由于填充效 应会降低混凝土的表层渗水系数, 另一方面由于延缓 水泥浆体水化会增大表层的渗水系数, 粉煤灰对表层 渗透性能的影响是这两方面相互作用的结果; 粉煤灰 掺入比例为1 5%时, 与普通混凝土相比, 表层渗水系 数减小, 掺量达到3 0%时, 表层渗水系数和普通混凝 土几乎相同。 关键词:表层渗水系数; 粉煤灰; 孔结构; A u t o c a l m; 影响因素 中图分类号:TU 5 2 8文献标识码: A D O I:1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1 - 9 7 3 1. 2 0 1 4. 1 8. 0 0 6 1引言 混凝土是目前最常用的建筑材料, 是一种复杂的 多孔介质。环境中的有害离子会通过混凝土表层向结 构内部传输 1 - 2, 与水泥水化浆体发生一系列物理和化 学反应, 从而引起混凝土结构的耐久性问题。关于混 凝土的渗透性, 国内外学者做了很多研究, 主要集中在 氯离子的扩散方面, 如B u e n f e l d等提出了考虑扩散和 毛细管两种方式共同作用的氯离子渗透模型 3; B o d - d y 等提出的模型考虑了渗透、 扩散、 毛细管作用等多 种机理 4; N i l l s o n提出了在非饱水混凝土中扩散和对 流的共同作用下离子在混凝土中的侵入过程模型 5。 在有害离子的扩散和渗透过程中, 水分的作用至 关重要 6 - 8, 首先, 水分迁移本身会导致混凝土有效应 力的变化, 其次, 水也是侵蚀性介质( 如氯盐、 硫酸盐 等) 迁移进入混凝土内的载体, 最后, 水是破坏发生的 必要条件和许多失效模型建立的基础 9 - 1 0。混凝土结 构服役后, 水泥浆体的水化过程和结构性能会受到所 处环境的影响, 通过表层与环境发生物质交换 1 1 - 1 2, 环 境中的气态或液态水会改变混凝土表层的饱和度和含 水量, 水分再由表层向内部传输。本文通过A u t o c a l m 表面渗透性测试仪检测不同配合比混凝土试件的表层 渗水系数, 分析了混凝土表层渗水系数的主要影响因 素和作用规律, 对研究水分在混凝土内部的传输过程 和机理有重要的意义。 2实验 2. 1原材料和配合比 水泥: 深圳海星小野田水泥有限公司生产的普通 硅酸盐水泥( P. O. 4 2. 5) 化学成分见表1。细集料: 河 砂, 细度模数为2. 6 1, 表观密度为26 3 2k g/m 3。粗集 料: 制备混凝土用的石子为深圳安托山采石场的碎石, 公称粒径为52 0mm, 表观密度为27 0 0k g/m 3。 普通混凝土采用3种水灰比, 分别为0. 3 8,0. 4 7 和0. 5 3。实验中考虑矿物掺合料的作用, 粉煤灰的质 量取代量分别为1 5%和3 0%, 混凝土的配合比见表2。 表1水泥的化学组成 T a b l e1C h e m i c a l c o m p o s i t i o n so f c e m e n t i t i o u sm a t e - r i a l s 化学成分C a O S i O2A l2O3F e2O3M g O f - C a O烧失量 含量/% 6 3. 2 2 1 8. 9 6 6. 0 5 3. 4 21. 2 10. 5 63. 0 7 表2混凝土配合比( k g /m 3) T a b l e2M i xp r o p o r t i o n so f c o n c r e t es p e c i m e n s ( k g /m 3) 编号水泥砂子石头粉煤灰水水胶比 C 13 9 67 1 810 7 602 1 00. 5 3 C 24 0 97 2 010 7 901 9 20. 4 7 C 34 5 47 2 910 9 401 7 30. 3 8 C F 1 53 4 86 9 710 5 46 11 9 20. 4 7 C F 3 02 8 6. 36 8 910 4 11 2 31 9 20. 4 7 2. 2试件制作和检测 试件尺寸为1 0 0mm的立方体块, 标准养护2 8d 后, 采用表面渗透性测试仪(A u t o c a l m) 研究混凝土表 面层的渗水特性。2 0世纪9 0年代, B a s h e e r标准化了 整个实验过程, 并实现了实验的自动化, 因此这个实验 被称作A u t o c l a m实验, 如图1所示。实验前将试件放 72081 刘军 等: 混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律 基金项目: 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (5 1 1 0 8 2 7 1) ; 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (9 7 3计 划) 资 助 项 目 ( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 4) ; 深圳市科技计划资助项目(J C Y J 2 0 1 2 0 6 1 3 1 1 5 6 2 2 1 5 4) 收到初稿日期: 2 0 1 3 - 0 9 - 2 1 收到修改稿日期: 2 0 1 4 - 0 4 - 0 3 通讯作者: 邢锋,E - m a i l:x f e n g s z u . e d u . c n 作者简介: 刘军(1 9 7 9-) , 男, 湖北襄樊人, 副教授, 博士, 从事混凝土结构耐久性研究。 入烘箱, 在8 0的温度下烘1 2h, 确保所有试件的含 水率处于同一水平, 取出后在干燥的环境中放置, 待试 件温度下降后, 进行渗水实验。 图1A u t o c l a m表层测试系统 F i g1A u t o c l a mp e r m e a b i l i t yt e s t s y s t e m 由于实验初期渗水过程不稳定, 所以舍去前5m i n 的实验数据。根据第51 5m i n之间的数据作图。渗 水量与时间平方根成直线关系, 直线的斜率即为渗水 系数, 单位为m 3/ m i n 0. 5。混凝土试件渗水数据的回归 直线( 以C 2混凝土为例) , 如图2所示, 通过对数据点 的拟合, 见表4, 得出C 2混凝土的表层渗水系数是 1. 8 4 6m 3/ m i n 0. 5, 同理得出 C 1、C 3、C F 1 5和C F 3 0的 表层渗水系数分别为3. 1 4 2,0. 9 7 8,1. 4 0 4和1. 8 2 6 m 3/ m i n 0. 5。 3实验结果及分析 3. 1实验结果 采用A u t o c l a m测定混凝土的表层渗透系数, 记 录试件在1 5m i n内每分钟的渗水量, 见表3。 表3不同混凝土的表层渗水量( L) T a b l e3S e e p a g ev o l u m eo f c o n c r e t es a m p l e( L) 时间/m i n 1234567891 01 11 21 31 41 5 C 16 3 48 8 510 6 9 12 1 3 13 1 5 14 2 1 14 9 2 15 5 1 16 0 3 16 6 8 17 0 9 17 4 6 17 8 0 18 1 2 18 4 1 C 21 6 82 7 53 4 13 7 84 2 15 0 75 4 65 7 96 0 66 3 26 5 56 7 46 9 57 3 57 5 5 C 35 99 21 2 81 3 81 6 71 8 42 0 12 1 02 4 52 6 12 6 62 8 72 9 93 1 13 2 0 C F 1 51 2 41 8 72 6 43 0 13 3 73 7 03 9 44 1 64 4 14 5 65 0 45 2 15 2 95 4 35 6 3 C F 3 01 5 12 6 23 2 13 8 74 3 25 0 55 4 05 7 96 0 86 3 06 5 36 7 36 9 37 3 47 5 8 图2混凝土C 2的表层渗水量拟合图 F i g2 C u r v ef i t t i n gr e s u l t so fC 2c o n c r e t es u r f a c e s e e p a g e 表4不同混凝土表层渗水系数的拟合 T a b l e4T h ef i t t i n go f t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f c o n c r e t es p e c i m e n s 混凝土编号拟合方程相关系数 C 1y=3. 1 4 2x+6. 5 00. 9 9 4 C 2y=1. 8 4 6x+0. 4 2 70. 9 8 9 C 3y=0. 9 7 8x-0. 5 5 00. 9 9 5 C F 1 5y=1. 4 0 4x+0. 2 3 20. 9 9 5 C F 3 0y=1. 8 2 6x+0. 4 9 00. 9 9 3 3. 2水灰比对表层渗透性能的影响 表层混凝土的吸水过程主要是毛细管的吸附作 用, 通过吸收液体来填充混凝土的内部空隙, 由于水进 入的深度较浅, 进入混凝土表层的速度较快, 能够使混 凝土内部的大毛细管最大限度地发挥其传输作用, 混 凝土的表层渗水系数能够保持“ 大孔领先” 的局面。因 此, 表层的吸水性能在很大程度上取决于混凝土本身 的微观孔结构。水灰比高的混凝土, 大孔体积也越大, 混凝土的密实性差, 内部的连通孔隙也就越多 1 3 - 1 6, 渗 水系数相应地增大。混凝土的水灰比对孔结构有较大 的影响, 文献 1 7 研究了孔径分布和水灰比之间的关 系, 把孔结构分为3个部分:31 0 0n m,1 0 02 0 0n m 和大于2 0 0n m, 研究发现, 孔径在31 0 0n m的范围 内, 低水灰比(W/C0. 4 5)的孔体积较高水灰比( W/ C0. 5 0)的大; 反之, 孔径在1 0 02 0 0n m范围内的 大孔, 低水灰比(W/C0. 4 5)的孔体积较高水灰比 (W/C0. 5 0)的 少。本 文 混 凝 土 的 水 灰 比 分 别 为0. 5 3, 0. 4 7和0. 3 8, 可知水灰比越大, 大孔体积占 的比例高, 而混凝土表层渗透性能和大孔数量密切相 关, 本文对水灰比与表层渗透性能的关系, 采用线性拟 合, 如图3所示, 相关系数达到了0. 9 7 4, 有较好的相 关性, 可以认为随着水灰比的增加, 表层渗透系数呈直 线增长。 文献 1 8 考虑了3个不同水灰比的试样, 分别为 0. 4 0,0. 5 0和0. 6 0, 采用水压法测量混凝土的渗透性 能, 用压汞法测量微观孔结构, 研究孔隙率和渗透性能 的关系, 发现对于不同的水灰比, 混凝土的渗透性能都 随着孔隙率的增加而增加, 也可以认为水灰比较高时, 混凝土的渗透性能就好。从图3可以看出C 2混凝土 是C 1混 凝 土 的0. 5 9倍,C 3混 凝 土 是C 1混 凝 土 的0. 3 1倍, 随着水灰比的降低, 表层渗透系数下降得 很快。 820812 0 1 4年第1 8期(4 5) 卷 图3水灰比与表层渗透性能的关系 F i g3T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e s u r f a c ep e r m e a b i l - i t ya n dw a t e r - c e m e n t r a t i o 3. 3粉煤灰对表层渗水性能的影响 矿物掺合料粉煤灰的掺入会改变混凝土的微观结 构, 从而对混凝土的表层渗透性能造成影响。一般将 粉煤灰作用归结为3个效应的综合: 火山灰反应效应、 微集料效应和颗粒形态效应, 其中火山灰效应是化学 反应。粉煤灰的火山灰活性是一种潜在的化学活性, 必须在激发剂的作用下才能显现出来。硅酸盐水泥水 化生成的C a(OH) 2是最常用的激发剂。硅酸盐水泥 的水 化 浆 体 中 会 生 成C a(OH) 2 激 发 剂。 但 是 C a(OH)2的溶解度较低,C a 2+ 的碱性弱于碱金属离 子, 因此C a(OH) 2的激发作用有限, 不能使粉煤灰的 火山灰反应达到较高程度, 特别是在水化初期, 单纯由 C a(OH)2激发的粉煤灰的火山灰反应程度很低, 这导 致粉煤灰混凝土的水化较慢, 随着浸泡龄期的增长, 粉 煤灰的火山灰活性作用逐渐明显。标准养护2 8d后, 如图5(a) 所示, 没有掺入粉煤灰的混凝土在水泥水化 浆体的微观结构中存在细小的孔洞, 掺入粉煤灰后, 如 图5( c) 所示, 主要还是填充效应的作用, 粉煤灰颗粒 堵在混凝土的连通孔隙中, 降低了连通孔的数量, 使混 凝土变得密实。标准养护2 8d后, 混凝土C F 1 5是C 2 的0. 7 6, 而混凝土C F 3 0是C 2的0. 9 9倍。从图4也 可以看出, 掺入粉煤灰量的多少对表层渗水性能的影 响较大, 掺入比例为1 5%时, 和普通混凝土相比, 表层 渗水系数减小; 当掺量达到3 0%时, 表层渗水系数和 普通混凝土几乎相同。这是因为混凝土的表层渗水系 数和表层的孔结构密切相关。粉煤灰掺入混凝土后, 对孔结构会产生两方面的影响, 一方面由于活性材料 的减少, 水泥浆体的水化速度减慢, 同时, 水化浆体和 粉煤灰之间会存在界面区, 产生空隙, 如图5(b) 所示, 这些都会导致混凝土孔结构的粗化; 另一方面, 由于粉 煤灰的填充效应, 会优化混凝土的孔结构。粉煤灰对 混凝土表层渗透性能的影响与这两方面作用相关, 和 粉煤灰的掺量也有一定关系。从图4可以看出,1 5% 掺量的粉煤灰表层渗水系数小于相同水灰比的普通混 凝土, 这是因为1 5%粉煤灰掺量混凝土的水泥取代量 小, 对水泥的水化速度影响不大, 同时由于填充效应的 作用, 混凝土的孔结构细化, 粉煤灰掺量1 5%混凝土 的表层渗水系数明显降低。而3 0%粉煤灰掺量混凝 土的表层渗水系数和普通混凝土接近, 这说明粉煤灰 混凝土由于初期水化速度减慢对孔结构造成的粗化效 应与粉煤灰的填充效应相互抵消, 从而使二者的表层 渗水系数较为接近。 图4粉煤灰与表层渗透性能的关系 F i g4T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e s u r f a c ep e r m e a b i l - i t ya n df l ya s h 图5标准养护2 8d后的微观形貌 F i g5M i c r o s t r u c t u r ea f t e rs t a n d a r dc u r i n g2 8d 4结论 ( 1)混凝土表层的吸水过程主要是毛细管吸附 作用, 能够保持“ 大孔领先” 的局面, 在很大程度上取决 于混凝土本身的微观孔结构。 ( 2)随着水灰比的增加, 混凝土的表层渗透系数 呈直线增长, 标准养护2 8d后,C 2混凝土是C 1混凝 土的0. 5 9倍,C 3混凝土是C 1混凝土的0. 3 1倍。 ( 3)粉煤灰的掺入, 一方面由于填充效应会降低 混凝土的表层渗透系数; 另一方面由于延缓水泥浆体 92081 刘军 等: 混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律 水化会增大表层的渗透系数, 粉煤灰对表层渗透性能 的影响是这两方面相互作用的结果, 掺入比例为1 5% 时, 和普通混凝土相比, 表层渗水系数减小, 掺量达到 3 0%时, 表层渗水系数和普通混凝土几乎相同。 参考文献: 1F a n gC,L u n d g e r nK,P l o s M,e ta l .B o n db e h a v i o ro f c o r r o d e dr e i n f o r c i n gs t e e lb a r si nc o n c r e t eJ. J o u r n a lo f C e m e n ta n dC o n c r e t eC o m p o s i t e s,2 0 0 6,3 6(1 0) :1 9 3 1 - 1 9 3 8. 2P a r kSS,Kw o nSJ,J u n gSH,e t a l .M o d e l i n go fw a t e r p e r m e a b i l i t y i ne a r l ya g e dc o n c r e t ew i t hc r a c k sb a s e do n m i c r op o r es t r u c t u r eJ. C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a - t e r i a l s,2 0 1 2,2 7:5 9 7 - 6 0 4. 3B u e n f e l dN R,S h u r a f a - D a o u d iM T,M c l o u g h l i nL M. C h l o r i d et r a n s p o r td u et o w i c ka c t i o ni nc o n c r e t e .I n: n i l s s o nLO,O l l i v i e rJP. C h l o r i d ep e n e t r a t i o ni n t oc o n - c r e t eJ. P r o co f I n t e r . R I L EM w o r k s h o p,s t - R e m y - l e s - C h e v r e u s e,1 9 9 7,1 5 - 3 2 4. 4A n d r e aB o d d y,E v a nB e n t z,T h o m a sM D A,e ta l .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 fa m u l t i - m e c h a n i s t i c c h l o r i d et r a n s p o r t m o d e lJ.C e m e n ta n dc o n c r e t er e - s e a r c h,1 9 9 9,2 9:8 2 7 - 8 3 7. 5N i l l s o nL O.An u m e r i c a lm o d e l f o rc o m b i n e dd i f f u s i o n c h l o r i d e i nn o n - s a t u r a t e dc o n c r e t e .D e p a r t m e n to fb u i l d - i n gm a t e r i a l sJ.C h a l m e r s U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y, S E - 4 1 2 9 6,G o t e b o r g,S w e d e n . 6H eZ h i h a i,Q i a nC h u n x i a n g,Q i a nG u i f e n g,e ta l . I n f l u - e n c eo f c o n c r e t e c o n s t i t u e n t so na u t o g e n o u s s h r i n k a g e a n d i n t e r i o r r e l a t i v eh u m i d i t yo f c o n c r e t ea t s a m e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h sJ. J o u r n a lo fF u n c t i o n a lM a t e r i a l s,2 0 1 1,4 2 ( 2) :2 2 2 - 2 2 5. 7Kw o nSJ,S o n gH W.A n a l y s i so fc a r b o n a t i o nb e h a v i o r i nc o n c r e t eu s i n gn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h ma n dc a r b o n a - t i o nm o d e l i n gJ. C e m e n t a n dC o n c r e t eR e s e a r c h,2 0 1 0, 4 0:1 1 9 - 1 2 7. 8W a n gX i u y u,A l v a r a d oV l a d i m i r,N o r b e r tS w o b o d a - C o l - b e r g,e t a l . R e a c t i v i t yo fd o l o m i t e i nw a t e r - s a t u r a t e ds u - p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d e:S i g n i f i c a n c e f o r c a r b o nc a p t u r e a n ds t o r a g ea n df o re n h a n c e do i la n dg a sr e c o v e r yJ. E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t,2 0 1 3,6 5:5 6 4 - 5 7 3. 9H o n gK,H o o t o nRD. E f f e c t so f f r e s hw a t e r e x p o s u r eo n c h l o r i d ec o n t a m i n a t e dc o n c r e t eJ. C e m e n ta n dC o n c r e t e R e s e a r c h,2 0 0 0,3 0:1 1 9 9 - 1 2 0 7. 1 0N a v n e e tC h a h a l,R a f a tS i d d i q u e,A n i t aR a j o r . I n f l u e n c e o fb a c t e r i ao nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h,w a t e ra b s o r p - t i o na n dr a p i dc h l o r i d ep e r m e a b i l i t yo ff l ya s hc o n c r e t e J. C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 2,2 8:3 5 1 - 3 5 6. 1 1S e l e e m H o s a m E l - D i nH,R a s h a dA l a aM,E l - S a b b a g h B a s i lA. D u r a b i l i t ya n ds t r e n g t he v a l u a t i o no fh i g h - p e r - f o r m a n c ec o n c r e t e i nm a r i n es t r u c t u r e sJ. C o n s t r u c t i o n a n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,2 0 1 0,2 4:8 7 8 - 8 8 4. 1 2V l a h o v i cM i l i c aM,M a r t i n o v i cS a n j aP,B o l j a n a cT a m a - r aD,e ta l .D u r a b i l i t yo fs u l f u rc o n c r e t ei nv a r i o u sa g - g r e s s i v ee n v i r o n m e n t sJ.C o n s t r u c t i o na n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 1 1,2 5:3 9 2 6 - 3 9 3 4. 1 3T s i v i l i sS,C h a n i o t a k i s bE,B a t i sG,e t a l . T h ee f f e c t o f c l i n k e ra n dl i m e s t o n eq u a l i t yo nt h eg a sp e r m e a b i l i t y, w a t e ra b s o r p t i o na n dp o r es t r u c t u r eo f l i m e s t o n ec e m e n t c o n c r e t eJ.C e m e n ta n dC o n c r e t eC o m p o s i t e s,1 9 9 9, 2 1:1 3 9 - 1 4 6. 1 4Z h a n gM a o h u a,L iH u i . P o r e s t r u c t u r e a n dc h l o r i d ep e r - m e a b i l i t yo fc o n c r e t ec o n t a i n i n gn a n o - p a r t i c l e sf o rp a v e - m e n tJ.C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 1 1, 2 5:6 0 8 - 6 1 6. 1 5S u m a n a s o o r i y a M i l a n iS,N e i t h a l a t h N a r a y a n a n .P o r e s t r u c t u r e f e a t u r e so fp e r v i o u sc o n c r e t e sp r o p o r t i o n e df o r d e s i r e dp o r o s i t i e sa n dt h e i rp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nJ. C e m e n tf l ya s h;p o r e s t r u c t u r e;a u t o c a l m;i n f l u e n c i n gf a c t o r s 030812 0 1 4年第1 8期(4 5) 卷