掺硅灰和粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性.pdf

郭 春兴等 ： 掺硅灰和粉煤灰混凝土抗 氯离子 渗透性 7 掺硅灰 和粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性 郭春兴 ， 高培伟 ， 耿飞 ， 项红超 ( 1 南京航空航天大学土木 系 南京2 1 0 0 1 6 ； 2 中国航空港建设第-3 2 程总队 。 江 苏徐 州2 2 1 0 0 5) 【 摘要】 本文结合粉煤灰和硅灰单掺时的优点， 试验研究了将两种掺合料复掺后对混凝土抗氯离子渗透 性能的影响。试验结果表明： 掺 5 硅灰( s F ) 和 3 0 粉煤灰( F A ) 时， 对混凝土的抗氯离子渗透性改善最大， 2 8 d 、 9 0 d和 1 8 0 d三个龄期的改善幅度分别为 4 9 、 4 5 和 3 8 ， 明显优于单掺 F A与 s F的混凝土。 【 关键词】 混凝土； 粉煤灰； 硅灰； 抗氯离子渗透性能 【 中图分类号】 5 5 2 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 一 O 0 O 7 0 3 E F F ECI I oF肿As H AN D F咖oN C0NC 蛐 ， I E RE To CHL0R) E l 0N P】 口 珊 BI Ll 1 r Y GUO Ch u n x i n g 1 ，GAO Pe i - we i ，GE NG F e i ，XI A NG Ho n g - c h a o 2 ( 1 C i v i l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t o f N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 T h e S e c o n d E n gi n e e ri n g D e p a r t me n t o f C h i n a A i r p o r t C o n s t r u c t i o n ， J i ang s u X u z h o u 2 2 1 0 0 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： The i n fl u e n c e s o f fl y a s h( F A ) and s i l i c a f u m e( S F )o r m i x t u r e s o f F A a n d S F o n c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n p e r me a b i l i ty we r e i n v e s t i g a t e d i n thi s p a pe r Th e r e s u l t s s h o we d t h a t the c o n c ret e r e s i s t a n c e t o e h l o r i d e qo n p e rm e a b i l i ty W as i mp mv e d w h e n c o n c ret e b l e n d e d w i t h 5 S F and 3 0 F A I n thi s s i t u a t i o n， the i mp r o v e me n t d e g r e e Was l a r g e r tha n the o n e s tha t o n l y F A o r S F wa s i n c o r p o rat e d Th e im p r o v e me n t d e g r e e s we re 4 9 ， 4 5 a n d 3 8i n t h e a g e o f 2 8 d， 9 0 d an d 1 8 0 d r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s： c o n c r e t e； fl y a s h； s i l i c a f u me； r e s i s t a n c e t o c h l o rid e i o n pe r me ab i l i t y 0 前 言 我 国存在广 阔的海 洋环境 ， 大规 模 的建 设基本集 中在沿海地区。海水、 海风、 海雾中的氯离子以及不合 理地使用海砂造成钢筋混凝土结构的破坏 ， 北方冬季 使用除冰盐导致路面 耐久性下降 ， 给 社会带来 了 巨大 的损失。混凝土抗氯离子侵蚀能力与材料的抗渗性 有关， 抗渗性又与水泥石密实度和孔隙特征密切相 关 ， 特别是骨料与水泥浆界 面过渡 区对氯离 子有重大 影响作用。要提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力， 提高 耐久性 ， 必 须 改善 水泥 石与 骨料 之 间的界 面结 构 ， 缩 小抑制界面过渡区的形成l_ l J ， 使用优质矿物掺合料是 一 种有效的方法。 硅灰( S i l i c a F u m e ， 简称 S F ) 是硅铁合金厂用高纯 度石英冶炼金属硅或硅铁合金时从烟尘 中收集的硅 氧化物粉末 ， 比表面积 高达 1 5 2 0 X l o 5 c m 2 ， g ， 平均 粒径 小于 0 1 ,u rn， 约为水 泥粒径 的 1 5 0 1 1 0 0 ； 质量好 的硅灰中硅含量大于 9 o ， 其中活性硅在 4 0 以上， 故活性较高。混凝土中掺入 s F可显著提高混凝土强 度和耐久 性 ， 其 主要是利用 s F极细微 的颗粒产生 良好 的微填充效应 ， 使混凝土孔结构细化， 高 的火山灰活 性对混凝土早期和后期强度发展十分有利 J 。 粉煤灰 ( F l y A s h ， 简称 F A ) 是 由大量直 径 以 ,u m计 的实心和( 或) 中空玻璃微珠以及少量的莫来石 、 石英 等结 晶物质所组成 引。用 F A取代部分水 泥可 以减少 水化热、 降低渗透性和孔隙率， 减小干燥收缩 ， 抑制碱 骨 料反应 。但 F A的火山灰 活性较 低 ， 在常 温下 ， 即使 水 泥水化产物 中有足 够的 C a ( O H ) 2 ， 其火 山灰 反应仍 很慢 ， 导致混 凝 土 的早期 强 度发 展缓 慢 ， 从 而 限制 了 F A的使用【 引。 本文结合上述两种掺合料单掺时的优点， 试验研 究了将两种掺合料复掺方案对混凝土抗氯离子渗透 性能 的影 响。 1 试验材料与试验方 法 1 1 试验材料 水泥 ： 南京某公 司生产 的 5 2 5 M P a 硅酸盐水泥 ； 细 骨料 ： 细度模数为 2 9 8 ， 级配 良好 的天然河沙； 粗骨 基金项 目 西部交通( 2 0 o 9 z B 0 1 ) ； “ 8 6 3 ” ( 2 0 0 9 A A 0 3 Z S 0 8 ) 国家 自然科学基金 ( 6 o 6 7 2 l 6 6 ) 联合资助 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 3期 ( 总第 1 4 1 期) 料 ： 粒径在 5 2 0 m m的碎石 ， 级配 良好 ， 5 1 0 ra m与 1 0 2 0 m m掺加 比例 为 2 ： 3 ， 堆积密度 为 1 2 9 5 k m 3 ， 表观 密度约为 2 5 1 7 k g m 3 ； 粉煤 灰 ： 南京某 粉煤 灰建材 厂生 产的 I 级粉煤 灰 ； 硅灰 ： 采用上海 铁合金 厂 的硅 灰 ； 外 加剂 ： i S 用江苏 某新 材料 有限公 司生产 的 J M P C A ( I ) 型超塑化剂 ， 是以羧酸类接枝聚合物为主体的复合高 效碱水剂 。 本研究所采用的主要原材料化学成分如表 1 所示。 1 2 试验方法 ( 1 ) 试验配合比。以普通混凝土为基础， 分别将 F A和 s F 单掺或复合掺 人 ， 配 制 6组不 同配 比的混凝 土。其间 ， 固定 水胶 比不变。 F A采 用替 代水泥 掺入 ， s F 采用外掺 的方式 ， 配合 比和试验结果如表 2 所示。 表 1 主要试验原材料化学成分 类别 S iO 2 a h o 3 C a O M S 0 s f C a O 1 8 S O 4 o ，4 2 6 ， 2 4 1 表2 混凝土材料配合比和试验结果 注： C 为水泥， F A为粉煤灰， s F 为硅灰， w为水， P E A为减水剂， S 为砂， G为石子。 ( 2 ) 试验 方法 。采用 N E L法进行氯离 子渗透系 数测定试验 ， 试样为 1 0 0 m m1 0 0 ra m5 0 m m标准试 件 ， 切除表层 2 0 ra m以避免浮浆层 的影响 ； 试验 前将试 件加工成标 准 尺寸 ， 将试 件放 入真空 干燥 器 ， 真 空度 低于 一 0 0 5 M P a ， 保持 6 h ， 加入 4 m o l l 的氯化钠 溶液后 再抽真空 2 h ， 继续保持试样浸泡于氯化钠溶液中至 2 4 h 。 2 试验 结果分析 2 1 单掺粉煤灰和硅灰混凝土氯离子扩散系数 编号 A 、 C 、 E分 别 为普 通混凝 土、 掺 3 0 F A混凝 土和掺 5 0 F A的混凝 土。由图 1 可 以看出 ： 掺入粉煤 灰后能够有效 改善 混 凝 土的抗 氯离 子 渗透性 能 。掺 人 3 0 F A后 ， 2 8 d 、 9 0 d 和 1 8 0 d 龄期 的混凝土氯离 子扩 散系数 分 别 改善 了 1 8 、 4 0 和 3 3 ； 掺入 5 0 时 ， 2 8 d 和 9 0 d 龄期 的混凝 土氯离子 扩散系数分 别改善 了 1 6 和 2 0 ， 1 8 0 d龄期 时 ， 氯离 子扩 散 系数则 提高 了 8 ， 使得混凝土 的抗氯离子渗透性 能略有下降 。 编号 A 、 B分别 为普通混凝土与外掺 5 硅灰 的混 凝土。由 图 2可以看 出 ： 2 8 d ， 9 0 d ， 1 8 0 d 龄期 的混凝 土 氯离子扩 散系数 都符合这 一规 律 ： s F的掺入能够 明显 改善混凝土的抗氯离子渗透性能， 改善幅度大于掺入 F A的情况 ， 分别 为 3 7 ， 3 l ， 3 6 。 2 2 粉煤灰与硅灰复掺混凝 土氯离子扩散 系数 编号 D 、 F 为 F A与 s F 复掺的情况( 图 3 ) 。 由图 3可看出 ： 掺 硅灰后可 以明显 改善混凝 土的 童8 2 6 4 箍 2 0 FAO F A3 0 F A5 0 图1 F 掺量对混凝土氯离-Y -YI R系数的影响 蓁 粥 辍、 、i 4 4 图2 掺s F 对混凝土氯离子扩散系 数的影响 抗氯离子渗透性能 ， 而且 2 8 d 、 9 0 d和 1 8 0 d龄期的混凝 土氯离子扩散系数规律 比较统一 ： 掺 5 s F和 3 0 F A 时 ， 混凝土 的抗 氯离 子渗 透性 能 改善 幅度 最大 ， 三个 龄期的改善幅度分别为 4 9 、 4 5 和 3 8 。明显优于 s F 掺量 5 ， F A 5 0 的情况及 F A与 s F 单掺的情况。 3 机理分析 c l 一 的渗透性 主要 由两个基本 因素决 定 ， 一是 ， 混 凝土对 c l 一 渗透 扩散阻 碍能力 ， 这 种阻 碍能力 决定 于 ， ， O 仉 钾 玑 n 帅 托 舛 概 n 郭春兴等 ： 掺硅灰和粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性 9 昌 2 X 籁 1 箍 U 一 混凝 土孔隙率及孔径分布 ； 二是 ， 混凝 土对 c l 一 的物理 或化学结合能力， 即固化能力l 5 J5。 适量 F A与 s F的复合掺人， 能够发挥各 自的优点， 形成有益 的叠加效应 ， 尤其是微填充效应， 大幅度提 高了混凝土的微观密实度 ， 可大幅度改善混凝土的抗 氯离子渗透性能 。 3 1 火山灰效应 活性掺合料所具有的火山灰效应是提高混凝土 强度等级 、 改善耐 久性 的原 因之一。活性 矿物掺 合料 本身没有水硬性 ， 它对 混凝土 的强度贡献是基 于 其 中 的 s i 0 2 、 0 3 与水 泥水 化 反应放 出 的 C a ( O H) 2与高 碱 陛水化硅 酸盐 发 生火 山灰 反应 ， 生成 强度 更 高 、 稳 定性更好的低碱度水化硅酸钙凝胶体和水化铝酸钙， 从 而改善 水泥 石 中胶 凝 物质 的组 成 ， 减少 或 消 除 C a ( O H ) 2 ， 促进 ( = 3 s 和 C 2 S 的水化 ， 形成 了有利于水泥 、 掺 合料体系水化的良性循环， 使水泥石中的水化凝胶体 增多 ， 改善 了凝 胶 的质 量 ， 使 硬化水 泥浆 体 的 结构不 断地发展L 8 J 。 F A粒子外有致 密的玻璃质外层 ， 参 与二次水化 的 时 间较 晚。 由表 3中的 数据 也 可 以看 出 ， 同样 掺人 3 0 的 F A ， 9 0 d的混凝土抗氯离子渗透性能改善幅度 要比 2 8 d 的大。这是 因为 9 0 d时 F A的二次水 化 要 比 2 8 d 时完全。 s F 接触拌合水后首先形成富硅的凝胶， 并吸收水 分 ， 凝胶在未 水 化水 泥颗 粒之 间聚 集 ， 逐 渐包 裹水 泥 颗粒 。而 C H与该富硅凝 胶 的表 面反 应产 生 c S H凝 胶 ， 这些来源于 s F和 C H的 C S - H凝 胶多生成 于水 泥 水化 的 C S - H凝 胶 孔 隙之 中， 大 大 提高 了结 构 密 实 度 9 l 。 3 2 微填充效应 混凝 土是 复杂多相体系 ， 极 不易达 到组分 的均匀 和各组成材料 的 紧密 堆 积。活性 矿物 掺合 料 的加 入 可有效改 善混 凝 土胶 结材 的级 配 ， 在 混凝 土 体 系 中， 粗集 料与细集 料形成 混凝 土的骨架 ， 水 泥颗粒 粒径 较 小 ， 能填充在空 隙中； 其次 ， F A填充在水泥颗粒 形成 的 空隙中 ； 适量更小 ( 小 于水泥颗粒直径 1 0 0 倍 ) 的 s F 粒 子可 以进 一步 填 充 于粉煤 灰 的间 隙 m I 1 ， 从 微 观尺 度上增加 了混凝 土的密实度 ， 提高 了其抗 氯离 子渗透 性能。 4 结语 掺 3 0 F A时能有效改 善 2 8 d 、 9 0 d 和 1 8 0 d混凝土 的抗氯 离子 渗透 性能 ， 改善 幅度 分别 为 1 8 、 4 0 和 3 3 ； 掺 5 0 时， 改善 幅度 分别 为 1 6 、 2 0 和 一8 ， 改善 幅度不及掺 3 0 。 掺 s F 能明显提高混凝土的抗氯离子渗透性能， 提 高幅度大于掺 F A的情况， 2 8 d 、 9 0 d和 1 8 0 d 混凝土的抗 氯离 子渗透性 能分别为 3 7 、 3 1 和 3 6 。 s F掺量为5 ， F A掺量为 3 0 时， 混凝土的抗氯 离子渗透性能改善幅度最大。三个龄期 的改善幅度 分别为 4 9 、 4 5 和 3 8 。明显优于掺 5 S F 、 5 0 F A 的情况及单掺 F A或 s F的情况。 单独掺适量 F A或 s F ， 均能改善混凝土的抗氯离 子渗透性能， 按一定 比例复合掺入 ， 能够较大幅度的 改善混凝土的抗氯离子渗透性能。 参考文献 1 蔡路 ， 陈太林 硅 灰增 强混凝 土抗氯 离子 渗透性 能研 究 J 北方交通 ， 2 0 O 6 ， ( 8 ) ： 35 2 G a o P e i w e i E ff e c t s o f fl y a s h O n t h e p r o p e r t i e s o f e n v i r o n m e n t a l l y fr i e n d l y d a m。 0 n c r e J F u e l ， 2 0 0 7 ， s 6 ( 78 ) ： 1 2 0 8 1 2 1 1 3 吴中伟 ， 廉 慧珍 高性能混凝土 M 北京 ： 中 国铁 道 出版社 ， 1 9 9 9 4 钱成 ， 陈太林 ， 孙宝玉 硅灰 、 粉煤灰的复合掺加对道 面混凝土 力学性能及断裂脆性 的影响 J 水泥与 混凝 土， 2 0 O 8 ， ( 7 ) ： 5 5 5 7 5 谢友均 ， 马昆林 矿物掺合料对混凝土 中氯离子渗透性 的影响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ， 3 4( 1 1 ) ： 1 3 4 51 3 5 0 【 6 J A C I C o m m i t t e e 2 0 7 Ma s s c o n c r e t e f o r d a ms a n d o t h e r m a s s iv e s t r u t t u 【 J J A C I J c n a l ， 1 9 7 0 ， 6 7 ： 2 7 3 3 0 9 7 G a o P e i w e i ， L U X i a o l i n M i c r o s t r u c t u r e a n d p o r e s t r u c tu r e o f c o n c r e t e m i x e d w i t h s u p e r fi n e p h o s p h o r o u s s l a g a n d s u p e r p l a s t i e i z e r 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 ， 2 0 0 8， 2 2： 8 3 78 4 0 8 冯乃谦 ， 邢锋 高性能混凝 土技 术 M 北京 ： 原子能 出版社 ， 2 0 0 o 9 肖佳 ， 周士琼 ， 徐亦冬 粉煤灰 、 硅灰 对水 泥胶 砂性能影响的试 验研究 J 混凝土， 2 0 0 3 ， 1 6 6 ( 8 ) ： 2 9 1 0 G a o P e i w e i S h r i n k a g e a n d e x p a n s i v e s t i n o f c o n c r e t e w i th fl y a s h a n d e x p a n s iv e a g e n t J J o f Wu h a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yMa t e ri a l s S c i e n c e ， 2 0 0 9 ， 2 4( 1 ) ： 1 5 01 5 3 1 1 林育土 矿物掺合料 的复合效应及对混凝土性 能的影 响 J 化 工技术与开发 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 8 ) ： 1 9 2 0 1 2 高培伟 粉煤灰对 掺新型镁质类膨 胀剂 的大体积混凝土力学 性能的影响 J 水力发电学报， 2 O O 7 ， 3 ( 2 6 ) ： 5 9 6 2 收稿日期 2 0 0 9 1 2 一l 8 作者简介 郭春兴 ( 1 9 8 5一) ， 男 ， 山西临汾人 ， 硕士研究生 ， 研 究方 向 ： 路面材料 。