低温（3℃）养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究.pdf

第 卷第 期 年 月 铁道科学与工程学报 低温（ ） 养护条件下不同水灰比混凝土 细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究 段运， 王起才， 张戎令， 张少华， 徐瑞鹏 （ 兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 ） 摘要： 为研究低温（ ） 养护条件和水灰比对混凝土抗氯离子渗透性和细观孔结构的影响规律及程度， 采用气孔分析法 和直流电量法对低温（ ） 养护条件下和标准养护条件下的不同水灰比混凝土 细观孔结构和电通量进行测试。试验 结果表明： 低温（ ） 养护条件对不同水灰比混凝土孔径分布有显著影响， 使其孔径粗化严重， 大孔含量增多， 小孔含量减 少； 气孔间距系数和平均孔径都明显大于对应标准养护条件下的混凝土， 且都随着水灰比增大而增大， 低温（ ） 对低水 灰比混凝土平均孔径影响程度大， 对高水灰比混凝土平均孔径影响程度小； 不同水灰比混凝土 电通量值也明显大于其 标准养护条件下的混凝土， 且随着水灰比增大， 电通量值逐渐增大， 抗氯离子渗透性逐渐减弱； 低温对不同水灰比混凝土孔 结构和抗氯离子渗透性都产生不利影响， 使混凝土细观孔结构劣化， 抗氯离子渗透性降低， 且对低水灰比混凝土的影响程 度大。 关键词： 低温养护条件； 水灰比； 混凝土； 孔结构； 渗透性 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） （ ） ， ， ， ， （ ， ， ， ） ： ， （ ） ： （ ） ， ， ， （ ） ， ， ， 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ） ； 长江学者和创新团队发展计划资助项目（ ） ； 西北干寒地区材料与结构耐久 性研究基金项目 通讯作者： 王起才（ ） ， 男， 河北晋州人， 教授， 博士， 从事工程新材料、 混凝土结构以及耐久性方面的研究； ： 第 期段运， 等： 低温（ ） 养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究 ： ； ； ； ； 混凝土是由水泥、 骨料和水共同组成的复杂多 相聚集体， 内部是一个非常复杂的多孔体系。我国 盐渍土面积大部分分布在西北地区， 主要以氯盐和 硫酸盐为主 。当混凝土结构物处于盐渍土中， 环境中的氯离子就会渗透到混凝土中， 而氯离子是 造成钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的主要原因之一， 氯离子会破坏高碱性混凝土环境中钢筋的钝化膜， 致使钢筋锈蚀。钢筋混凝土结构物在强盐渍土环 境中， 之内会发生钢筋锈蚀 ， 混凝土是钢 筋最基本、 直接的保护物， 氯离子只有渗入到混凝 土中， 才能使钢筋发生锈蚀 ， 引起混凝土产生顺 筋胀裂、 层裂和剥落破坏， 进而严重影响结构物使 用功能及使用寿命 ， 因此提高混凝土抗氯离子 渗透性是防止钢筋锈蚀最基本、 最经济合理、 最有 效的措施。 明确指出， 混凝土渗透性高低主 要取决于其内部连通孔的数量和渗透路径的曲折 性 ； 刘军等 研究了混凝土微观孔结构对渗透 性能的影响； 杨明飞等 研究了复合外加剂对低 温高性能混凝土抗渗性的影响； 陈立军等 研究 了混凝土孔径尺寸对其抗渗性的影响； 等 认为， 混凝土的渗透性不仅与孔隙率有关， 孔径的 分布和连通性更是其决定性因素， 以上学者分别从 不同的角度研究并推动混凝土抗渗性发展， 但大部 分研究都基于标准养护条件下的混凝土， 对低温养 护条件下的混凝土目前研究较少。我国北方地区 进入冬期时间早， 且持续时间长， 日平均温度低于 时， 进入冬期施工阶段， 此时施工的钢筋混凝 土结构的安全性及耐久性等问题都异于正常施工 条件下。因此研究低温下混凝土的抗氯离子渗透 性和细观孔结构有很大意义。本文以北方冬季施 工为研究背景， 对低温（ ） 养护条件下和标准养 护条件下不同水灰比混凝土 抗氯离子渗透性 和细观孔结构进行研究， 分析低温养护条件和水灰 比对混凝土的抗氯离子渗透性和细观孔结构的影 响规律及程度， 进而为我国北方地区冬期施工的工 程提供理论依据。 试 验 试验方法 抗氯离子渗透试验方法 电通量法试件在混凝土养护至 时钻芯取 样， 采用 的圆柱体试件。试验 前进行真空饱水， 将试件放入真空容器中， 内将真空容器中的气压减少至（ ） ， 并保持 该真空度 ， 然后在真空仍泵运作的情况下， 注入 足够的蒸馏水， 液面高度将试件淹没， 在试件浸没 后恢复常压， 并继续浸泡（ ） 。真空饱水 结束后， 分别将质量浓度为 的 溶液和摩 尔浓度为 的 溶液注入试件两侧 的试验槽中， 且分别与电源的负、 正极相连。试验 时在试件轴向施加（ ） 直流电压， 记录电 流初始读数 ， 之后每 记录一次电流值， 直 至 结束。 孔结构测试方法 本试验选用气孔分析（ 型） 对孔结构 进行测试。按照 规范， 对养护 的 混凝土试块切割成厚度为 的试件， 经打 磨、 抛光、 利用宽头黑色记号笔涂黑试样表面， 然后 用粒径小于 的白色碳酸钙或者硫酸钡粉末 填充气泡， 再用刀片除去表面多余粉末， 待干燥后 放入试验台进行试验。 试验仪器和原材料 本试验仪器包括： 环境模拟箱、 标养室、 氯离子 多功能测定仪和 型气孔分析仪等。环境 模拟箱有效尺寸长 宽 高为 。温度范围： ， 升 降温速率最大 ， 温度变化可实现温度荷载编程， 温度波 动度 ； 温度均匀度。湿度范围： ； 湿度偏差 （ ） 。 试验中水泥采用 普通硅酸盐水泥， 由兰州甘草水泥集团生产。水泥各项性能指标实 测值见表 。 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 表 级硅酸盐水泥性能指标 氯离子 含量 比表面积 （ ） 三氧化硫 含量 硫酸盐含量 （ ） 不溶物含量 （ ） 可溶物含量 （ ） 安定性 碱含 量 烧失 量 凝结时间 抗压强度 初凝终凝 粗骨料： 碎石， 连续级配， 粒径范围 ， 表观密度分别为 ， 压 碎 指 标 。 细骨料： 河砂， 细度模数为 ， 属于中砂， 表 观密度 ， 松散堆积密度 ， 紧密堆积密度 ， 含泥量 。 减水剂： 聚羧酸高性能减水剂。 试验所用的混凝土配合比见表 。 表 混凝土配合比 编号水灰比水 （ ）水泥 （ ） 粗骨料 （ ）细骨料 （ ）减水剂 试验步骤 将原材料的各项指标测定完之后， 依据混凝土 配合比进行称料， 之后通过搅拌、 测量、 入模等步 骤， 最终放置在 种养护条件下进行养护。混凝土 搅拌时试验室温度为 ， 湿度为 。不同水 灰比下的混凝土由专用混凝土搅拌机一次搅拌完 成。试块尺寸大小为 ， 试模水平放置后灌入混凝土， 经振动台振捣 后抹平表面。标准养护下的混凝土试块先在室内 （ 内平均气温为 ） 带模保水养护 ， 然后 脱模放入标准养护室进行养护； 低温（ ） 养护条 件下的试块带模放入环境模拟箱中养护， 养护过程 采取保水措施， 防止混凝土内大部分水分散失到空 气中。混凝土试块在 种养护条件下养护至所需 龄期时， 依据 普通混凝土长期 性能和耐久性能试验方法标准 和 规 范对 的抗氯离子渗透系数和孔结构进行测 试。 试验结果与分析 细观孔结构试验结果与分析 孔径分布 图 分别为 种养护条件下不同水灰比混 凝土孔径分布图。 由图 可以看出， 标准养护条件下， 种不同 水灰比混凝土大部分孔径分布在 范围 内， 水灰比为 ， 和 混凝土的气孔直 径在此范围内的孔分别占总孔体积的 ， 和 。种不同水灰比混凝土中气 孔直径大于 的孔含量较小， 其中水灰比为 的混凝土在此孔径范围内占总孔体积的 ； 水灰比为 的混凝土在此孔径范围内 占总孔体积的 。水灰比为 的混凝土 在此孔径范围内占总孔体积的 。说明标 准养护条件下， 随着水灰比的增大， 出现频率最多 孔向大孔径移动， 小孔径孔含量减小， 大孔径孔含 量增加。这是由于水灰比的增大， 致使混凝土中自 由水的含量增多， 相应的由于自由水迁移、 泌出所 造成的气孔含量相应的增多， 相应孔径的孔含量增 多， 部分小孔连通合并成较大的孔， 致使大孔数量 增多。因此， 随着水灰比的增大， 混凝土变的更加 不密实， 大孔数量增多， 气孔分布更不均匀。 图 标准养护条件下孔径分布图 第 期段运， 等： 低温（ ） 养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究 图 养护条件下孔径分布图 低温（ ） 养护条件下， 由图 可以得到， 种不同水灰比混凝土大部分孔径分布在 范围内， 较标准养护孔径范围扩大， 孔径粗化 明显。种不同水灰比（ ， 和 ） 混凝 土中气孔直径大于 的孔含量分别为 ， 和 ， 且为标准养护条件 的 ， 和 倍， 相比标准养护条件下气 孔含量都增大， 但随着水灰比增大， 大于 的孔含量相对于标准养护条件下增大倍数的程度 却逐渐减小。说明低温养护条件对 种不同水灰 比混凝土的孔径分布有显著的影响， 使混凝土中大 孔径孔含量增多， 小孔径孔含量减少， 且低温养护 条件对水灰比小的混凝土内部孔径分布影响程度 大， 对水灰比大的混凝土影响程度小。这是由于低 温养护条件下， 混凝土早期水化反应速率相比标养 下要慢很多， 致使混凝土内部存在较多的未参与水 化的自由水， 当混凝土达到一定强度以后， 混凝土 内部结构基本形成， 这部分水分在混凝土结构中自 然要占据一部分体积， 相比较标准养护条件， 此时 未参与水化反应的自由水在混凝土内所占的体积 较大， 随着龄期增大， 这部分自由水一部分继续参 与水化反应， 另一部分会迁移、 泌出和蒸发， 从而导 致混凝土内相应孔径的气孔含量增加， 并且部分孔 会连通， 使大孔含量增多。水灰比小的混凝土中， 单位水泥颗粒周围的水含量少， 早期水化反应慢， 并且低温还会降低水化反应速率， 使水化反应更 慢， 混凝土中未参加水化反应的自由水含量相对更 多， 从而导致混凝土大孔含量增大的程度最大， 水 灰比大的混凝土中， 单位水泥颗粒周围的水含量 多， 早期水化反应快， 水化放热量多， 混凝土内温度 升高， 进一步加速水化反应， 混凝土中未参加水化 反应的自由水含量很少， 因此混凝土大孔含量增大 的程度最小。 气孔间距系数与平均孔径 图 和图 分别为混凝土气孔间距系数和混 凝土气孔平均直径。 图 混凝土气孔间距系数 图 混凝土气孔平均直径 由图 可以看出， 标准养护下， 水灰比由 增大到 时， 混凝土的气孔间距系数由 增大到 ， 增大约 ； 水灰比由 增大到 时， 混凝土的气孔间距系数由 增大到 ， 增大约 ， 表明在 标准养护条件下， 随着水灰比的增大， 气孔间距系 数逐渐增大， 这也是由于混凝土中大孔数量增多， 气孔分布更不均匀导致。低温（ ） 养护条件下， ， 和 水灰比混凝土的气孔间距系数 分别为 ， 和 ， 是对应标准养护 条件下的 ， 和 倍， 也就是说低温（ ） 养护条件下混凝土的气孔间距系数是标准养 护条件下的 倍左右。说明低温养护条件下， 种不同水灰比混凝土气孔间距系数都要比标准养 护条件下大， 且随着水灰比的增大， 气孔间距系数 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 逐渐增大。 由图 可以得到， 标准养护条件下， 水灰比为 ， 和 的混凝土其平均孔径分别为 ， 和 ， 随着水灰比的增大， 平均孔径 呈增大的趋势， 这是因为对于较小孔级的孔径范围 内， 低水灰比的孔体积较高水灰比的孔体积要大， 而较大孔级的孔径范围内， 低水灰比的孔体积较高 水灰比的孔体积小。低温（ ） 养护条件下， 水灰 比为 ， 和 的混凝土平均孔径分别为 ， 和 ， 分别为标养下的 ， 和 倍， 说明低温养护条件下， 种不同水灰比混 凝土平均孔径都要比标准养护条件下大， 且随着水 灰比的增大， 平均孔径逐渐增大， 且低温对水灰比 小的混凝土平均孔径影响最大， 其原因与低温下孔 径分布变化的原因一致。 电通量试验结果与分析 水灰比对氯离子渗透性的影响 图 为混凝土电通量。 图 混凝土电通量 由图 可以看出， 在低温（ ） 养护条件下， 水灰比由 增大到 时， 电通量由 增大到 ， 增大约 ； 水灰比由 增大 到 时， 电通量由 增大到 ， 增大 约 。表明低温（ ） 养护条件下， 随着水灰 比的升高， 电通量逐渐提高， 混凝土抗氯离子渗透 性下降。这是因为低温养护条件下水灰比较大时， 水化反应速率相对较快， 过快的水化会使核心混凝 土水化热较大， 内外温差会引起混凝土内产生温度 应力， 而低温下早期混凝土强度又很低， 当温度应 力大于混凝土强度时， 容易在混凝土内部形成一些 微裂纹， 并且由于温度较高， 水的蒸发量和消耗量 也会较大 ， 水灰比大的混凝土内自由水含量较 大， 散失和消耗的水就更多， 水散失后在混凝土内 留下孔隙， 导致混凝土中各种孔径的孔数量都相应 增多， 连通孔隙也变多， 平均孔径增加， 混凝土内部 结构变得不密实， 导致混凝土抗氯离子渗透性下 降 。并且由图 可以看出， 随着水灰比的增大， 混凝土的平均孔径呈现出增大的趋势， 孔径分布逐 渐向较大的孔径变化， 大孔增多， 都影响混凝土抗 氯离子渗透性降低。由此可知， 低温（ ） 养护条 件下， 低水灰比混凝土不仅有利于提高混凝土强度 而且有利于提高混凝土抗氯离子渗透性， 并且水灰 比越大混凝土的抗氯离子性能下降越快。 养护温度对氯离子渗透性的影响 在标准养护条件下， 水灰比由 增大到 时， 电通量由 增大到 ， 增大约 ； 水灰比由 增大到 时， 电通量由 增大到 ， 增大约 ， 相对于低温 （ ） 养护条件下其电通量的增长量都大， 说明低 温（ ） 养护条件下， 随着水灰比的增加， 电通量 的增长量较标准养护条件下的小， 混凝土的抗氯离 子性能随水灰比增大而下降的程度变缓， 在一定程 度上有提高混凝土抗氯离子性能的作用， 但不是主 导作用， 因为低温养护条件下 种水灰比混凝土电 通量都比标准养护条件下大。 在低温（ ） 养护条件下， ， 和 混凝 土电通量分别为 ， 和 ， 是对应标 准养护条件下的 ， 和 倍， 也就是说 低温（ ） 养护条件下混凝土的电通量是标准养 护条件下的 倍， 说明养护温度对混凝土 的电通量影响显著， 低温（ ） 使混凝土的抗氯离 子渗透性变差。由于低温（ ） 养护条件下， 混凝 土内部水的黏滞性增大， 水分子运动能力减弱， 与 水泥颗粒之间的碰撞减弱， 水泥水化速率变缓， 水 化程度降低， 致使混凝土强度降低， 内部大孔数量 增多， 孔结构变得粗化和劣化， 内部结构不密实， 进 而导致混凝土抗氯离子渗透性下降。 结论 ） 低温养护条件对不同水灰比混凝土的孔径 分布影响显著， 使混凝土孔径明显粗化， 大孔径孔 含量增多， 小孔径孔含量减少， 且对水灰比小的混 凝土孔径分布影响程度大， 对水灰比大的混凝土影 响程度小。 ） 低温（ ） 养护条件下不同水灰比混凝土 气孔间距系数和平均孔径都比标准养护条件下大， 第 期段运， 等： 低温（ ） 养护条件下不同水灰比混凝土细观孔结构及抗氯离子渗透性试验研究 分别为标准养护条件下的 倍及 倍； 随着水灰比的增大， 气孔间距系数和平 均孔径都逐渐增大， 与标准养护条件下规律一致； 低温（ ） 养护条件对水灰比小的混凝土平均孔 径影响大， 对水灰比大的混凝土平均孔径影响小。 ） 低温养护条件下， 不同水灰比混凝土 的电通量比其标准养护条件下明显增大， 为标准养 护条件下的 倍， 且随水灰比的减小， 电 通量逐渐减小， 这与标准养护条件下的规律相同； 低水灰比混凝土有利于提高混凝土抗氯离子渗透 性， 且水灰比越大混凝土的抗氯离子性能下降越 快。 ） 养护条件及水灰比对混凝土的孔结构和抗 氯离子渗透性均有显著影响， 低温养护条件对混凝 土孔结构和抗氯离子渗透性都产生不利影响， 且对 低水灰比混凝土的孔结构影响较大。 参考文献： 洪乃丰 盐渍土对建筑物的腐蚀与防护 工业建 筑， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 夏文俊， 赵阳， 周欣， 等 盐渍土腐蚀机理与腐蚀措施分 析 上海交通大学学报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 胡瑾， 阎培渝， 董树国， 等 提高中等强度等级混凝土抗 氯离子渗透性能的研究 硅酸盐通报， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ）： 谢友均， 刘宝举， 刘伟 矿物掺合料对高性能混凝土抗 氯离子渗透性能的影响， 铁道科学与工程学报， ， （ ）： ， ， ， ， ， （ ）： 赵铁军 混凝土的渗透性 北京： 科学出版社， ： ， 刘军， 邢锋， 董必钦， 等 混凝土的微观孔结构及对渗透 性能的影响 混凝土， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 杨明飞， 倪修全， 宗翔， 等 复合外加剂对低温高性能混 凝土抗渗性的影响 西部探矿工程， （ ）： ， ， ， ， （ ）： 陈立军， 王永平， 尹新生， 等 混凝土孔径尺寸对其抗渗 性的影响 硅酸盐学报， ， （ ）： ， ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ： ， 郭寅川， 申爱琴， 王剑， 等 高寒地区桥梁混凝土抗氯 离子渗透性能研究 建筑材料学报， ， （ ）： ， ， ， ， ， （ ）： ， ， ， ， （ ） ：