骨料及界面区对混凝土渗透性影响试验.pdf

2 0 1 4 年 第 9期 (总 第 2 9 9 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 4 ( T o m l No ． 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 8 ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 0 3 骨料及界面区对混凝土渗透性影响试验 虞爱平 1 I2 ，吕海波 1 I 2 ，韦克宇 ( 1 ． 桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室 ，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ；2 ． 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要 ： 混凝土渗透性一直是混凝土耐久性能的重要指标 ， 为了探求混凝土中骨料及界面区对混凝土渗透性能的影响， 试验引人 了混凝土界面区， 将混凝土看成是由砂浆 、 骨料及两者的界面区共同组成的三相材料 ， 通过砂浆及规则骨料混凝土的快速渗透试验 ， 计算各试件的混凝土氯离子扩散系数 ， 进而分析骨料及界面区对混凝土渗透性能的影响。 结果表明 ： 当混凝土中骨料含量增加 1 0 ％ 时， 其扩散系数将下降 1 2 ． 7 ％； 而当骨料含量增加到 2 0 ％， 其扩散系数下降了 3 3 ． 8 ％， 骨料对混凝土渗透性有着较大的影响； 混凝土中 界面区扩散系数约为砂浆扩散系数的 4 0 倍 ， 混凝土中界面区的增长也将增大混凝土的渗透性能。 关键词： 混凝土；骨料；界面区；渗透陛 中图分类号： T U 5 2 8 ．0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 — 0 0 0 8 — 0 4 A ffe c t o f a g g r e g a t e a n d i n t e r r a c i a l t r a n s i t i on z o n e on t h e p e r m e a bi l i t y o f c o n c r e t e Y UAi p i n g。 一 ， L0Ha i b o1 ,2 WE I Ke y u ( 1 ． G u a n g x i K e y L a b o r a t o r y o f G e o m e c h a n i c s a n d G e o t e c h n i c a l E n g i n e e ri n g ， G u i l i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f C iv i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， G u ang x i U n i v e r s i ty， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： P e r me a bi l i t y o f c o n c r e t e h a s b e e n an i mp o r t a n t i n di c a t o r o f t he d ur a bi l i t y o f c o n c r e t e， i n o r d e r t o e xp l o r e the a f f e c t o f a g g r e — g a t e a n d i nt e r f a c i a l t r a ns i t i o n z o ne o n the pe rm e a b i l i t y o f c on c r e t e ．Th e i n t e r f a c i a l t r a ns i tio n z o n e wa s i n t r o d uc e d i n the t e s t ； c on c r ~e i s s e e n a s a thr e e — p ha s e ma t e ria l i s c o mpo s e d wi th the mo r t a r ， a gg r e g a t e s and i n t e ffa c i a l tra n s i t i o n z o n e ． Ba s e o n t h e r a p i d pe n e t r a t i o n t e s t s wa s l a un c h o n mo r t a r a n d r u l e a g gre g a t e c o n c r e t e s p e c i me n s， the c hl o rid e i o n d i ffu s i o n c o e ffi c i e nt o f s p e c i me n s we r e c a l c u l a t e d， a nd the a f f e c t o f a g gre g a t e and i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e o n the p e rm e a b i l i ty o f c o n c r ~e wa s f u r t h er a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s h o we d tha t a g gre g a t e h a d agre a t e r i mp a c t o nthe p e rm e a b i l i ty o f c o n c r e t e ． Wh e nthe c o n c r e t e a g gre g a t e c o n t e n t i n c r e a s e db y1 0 ％ ， the d i ffu s i o n c o e ffic i e n t wi l l d e c r e aseb y 1 2．7 ％ ； andwh e n a g gre g a t e c o n t e nt i nc r e a s e db y 20 ％ ， the d i f f us i o n c oe ffi c i e nt de c r e a s e dby 3 3． 8 ％ ． Th e d i ffu s i o n c o e ffi c i e nt i n i n t e r f a c i a l tra ns i t i o n z o n e wa s a bo u t 40 t i me s i n mo r t a r ， an i n c r e a s e i n the i nte r f a c i a l z o n e o fc o nc r e t e wi l l a l s o i n c r e a s e the p e r me a bi l i t y o f c o n c r e t e ． K e y wor d s ： c o n c r e t e ； a g gre g a t e ； i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ； p e rm e a b i l i ty 0 引 言 混凝土的渗透性是评价混凝土抵抗环境中侵蚀性介 质侵入和腐蚀的能力重要指标， 一直以来 ， 是众多研究学 者关 注的焦点 。 然而在 以往 的大多数相关研究中 ， 仅仅是 从宏观的角度把混凝土 当成均质材料考虑 ， 渗透扩散基质 均匀化、 同性化， 从而得到相应的渗透性能指标[ 1 - 2 ] 。 很少考 虑混凝土的不均匀性和多样性 ， 忽略 了粗骨料对混凝土渗 透性的影响。 实际上， 由于混凝土中普通骨料的渗透性一 般都远低于水泥石p ， 在扩散 过程 中 ， 氯离子必定会绕过 骨料颗粒， 从而使得扩散的路径延长。 所以理论上， 混凝土 中低渗透性的骨料可以切断孔隙管道的连续性， 降低混凝 土 的渗透性 。 然而 ， 混凝土中水泥浆体与骨料 间的界面 区由于富集了定向排列的氢氧化钙晶体而成为薄弱部位， 而且界面结构疏松 ， 强度低 。 如果混凝土拌合物泌水 ， 那么 骨料界面上还会 形成水膜层 ， 水 泥浆硬化 后产生 原生裂 缝， 造成渗透通道， 从而提高水泥浆体的渗透性。 所以骨料 和界面 区对混凝土的渗透性都有着不可忽略的影响 。 因 此 ， 要更好的研究混凝 土渗透性 能 ， 就需要考虑骨混凝土 中骨料及界 面区 ( i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ) 对其渗透性能 的影响。 1 试验 过程 1 ． 1 试件设 计 试验 将混凝土看成是 由砂浆 、 骨料 及两者 的界面 区 共 同组成 的三相 材料 ， 主要设计 了纯水泥 砂浆体试 件和 两种规则骨料混凝土渗透试件( 主要表现为不同界面区 长度) ， 对其进行氯离子扩散渗透试验 ， 研究混凝土中骨 收稿 日期：2 0 1 4 - 0 3 一 l l 基金项 目： 广西 自 然科学~( 2 0 1 2 G X N S F G A 0 6 0 0 0 1 ) ； 广西矿冶与环境科学实验中心项目( K H 2 0 1 3 Z D 0 0 5 ) 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 在两个腔室里的两个铜网制成的电极夹紧 ， 试块 的暴 露面 用硅 胶密封 ， 防止水分流失 。 氢氧化钠 ( 0 _3 mo l ／ L ) 和氯化 钠 ( 重量 3 ％) 溶液分 别被倾 倒在混凝 土试 样两面 的腔室 里 ， 这样两种溶液被混凝土试件分 隔开。 然后施加 6 0 V的 直流电穿过两个表面， 由计算机测量电流通过混凝土的情 况和温度变化 ， 持续试验时间 6 h 。 氯离子浓度测量采用福 尔哈德化学滴定法， 采用式( 1 ) 计算扩散系数。 2 界面区的渗透性试验结果及分析 2 ． 1 纯水泥砂浆氯离子快速渗透试验 砂浆是 由水泥、 细骨料和水等材料按适当比例配制而 成的。 砂浆试件在进行通 电快速渗透试 验时 ， 温度升高很 快 ， 电流随温度 升高不断变大 。 为减小温度对试验的影响 因素 ， 试验中砂浆通 电 3 h ， 试验温度从 2 2℃到 4 8 ． 5℃， 总 的通 电量平均值 为 3 8 2 0 C 。 表 3为距砂浆 内距表面不同深 度处的氯离子百分含量 ， 氯离子浓度分布图如图 4 所示 。 表 3 砂浆内不同深度氯离子百分含量 深度 ／ m m 氯离子百分含量 ／ ％ O～ 5 5 -1 0 1 0～1 5 1 5 ～ 2 0 0．3 29 0． 1 l 0 0．O1 l 0．0 05 芝 篓 l 皿 溢 蠊 深 度 ／ mm 图4 砂浆内氯离子浓度分布图 当电场强度足够大 ， 氯离子渗透深度足够深时[ 1o l ， 得 ,o r 2 ~ v／ R T L ( 1_ 等) (1 ) 其 中： D——混凝土扩散系数 ； —— 气体常数 R = 8 ． 3 1 4 J ／ ( mo l K) ； —— 绝对温度 ， K； —— 试块的厚度 ， m； Z ——离子价 ； F ——法拉第 常数 F = 9 ． 6 4 8 ~ 1 0 4 C ／ mo l ； U ——施加的有效电压 ， v； X d ——氯离子渗 透深度 ， m； —— 试验进行的时间 ， S ； —— 试验的参变量 ； c d ——硝酸银喷洒颜色变化处的自由氯离子浓度 值 ， 一般取 0 ． 0 7 mo l ／ L ； —— 外部溶液 自由氯离子浓度 0 ． 5 2 m o l ／ L 。 根据砂浆 的浓度分布 曲线 ， 按式( 1 ) 计算得到砂浆 的 扩散系数 = 1 ． 5 2 0 ~ 1 0 — 1 1 m 2 ／ s 。 2 ． 2 规则骨料混凝土渗透性试验研究 规则骨料混凝土与砂浆相同快速氯离子渗透通电 3 h ， 通 电 3 h后两组规则骨料混凝土的通过 的电量情况 ， 并计 算扩散系数如表 4 。 表 4 规则骨料混凝土氯离子扩散系数 从表 4中可知 ， 第一组 3 种试块的扩散系数标准差为 0 ． 0 5 3 ， 第二组为 0 ． 1 2 1 。 就这两组试块来说 ， 砂浆含量对扩 散系数 的影响比界面区的影响大 ， 第二组试块 的扩散系数 是随着砂浆含量的增加而增大的。 因为通电量与氯离子的扩散系数 、 以及试块的截面面 积成正比， 则整个试块的扩散系数 D c= D ( S e 1J (妻 ) m ( ) (蚤 ) ( 2 ) 式 中： D ——试块的扩散系数 ； s 。 ——试块截面面积 ； D ——砂浆 的扩散 系数 ； s ——砂浆截面面积； D ——界面区的扩散系数 ； S ——界面区截面面积 。 界面区截面面积 5 = z h ， 等于骨料的边长 z 与界面区 厚度 h的积 。 设砂浆 的扩散系数 D m 、 界面区的扩散 系数 D 和界面 区厚度 h的乘积为未知量 ， 对表 4中的数据进行拟合 ， 得 D~ -- - 1 ． 6 0 2 x1 0 一 ”m2 ／ s ， DI h =3 ． 1 7 4 ： < 1 0 一 m／ s ， D c = ( 1 ．6 0 2 3 ( l+ 0 ．4 0 4 1 6 ／ l x l 0 m 2／ s ， r Z=- 0 ．7 0 1 9 ( 3 ) ＼ ＼oc／ ／ 拟合的结果如表 5 和图 5 所示。 界面区的宽度取用 C C Y a n g t ] 等人测定的 5 0 m， 计 算得到的界面区扩散系数为： D = 6 3 ．4 8 6 ~ 1 0 m2 ／ s ， 约是砂 浆扩散系数 的 4 0 倍 ， 界 面区和砂浆扩散系数之 间的比例系 数 为 4 1 ． 7 6 。 m 从表 中数 据和拟合结果 可知 ， 由于砂 浆在试块 中 占 了绝对多数的体积 ， 它的含量对混凝土的渗透性是起决 定作用的。 虽然界面区的扩散系数很大， 但它的厚度很小 ， 在试块截面上 ， 界面区的面积比砂浆少得多。 在第一组试 块 中界面区的含量最多仅是砂浆含量的 0 ． 2 6 ％。 所以在 这几组规则骨料混凝土中， 界面区对渗透性的影响较小。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5 拟合结果 图 5 砂浆含量、 界面区长度和扩散系数的关 系 3结论 与讨论 目前 ， 大多数混凝土渗透性试验均是建立在混凝土均 质材料基础上 ， 通过测量侵入介质的扩散 系数来分析研究 混凝土的渗透性能。 然而实际上， 混凝土中砂浆体、 骨料以 及界面区的渗透性能相差较大， 将混凝土当成均质材料考 虑其实 尚欠妥 当， 其得出的混凝土渗透性能与实际情况也 有一定 的差~ J Jl t 旧 。 因此 ， 本研究在试验的基 础上 ， 对不 同界 面区长度及 不同骨料含量的混凝土渗透试件进行 了相关 渗 透试验和研 究 ， 通过 分析不 同条 件下混凝 土 的渗 透性 能 ， 研究骨料及界 面区对混凝 土渗 透性 能的影响 ， 所得出 的主要结论将为混凝土耐久性研究提供参考 ： ( 1 ) 混凝 土渗透性受骨 料含量 的影 响较大。 混凝土的 渗透性主要 由砂浆及界 面区的渗透性组成 ， 而由于砂浆在 混凝 土中的含量远远大于界面区含量 ， 混凝 土的渗透性受 砂浆含量影响较大。 因此 ， 当混凝 土骨料含量增加 时， 砂浆 含量将相应 的减少 ， 从而导致混凝 土渗透性 的下 降 ， 从 试 验结 果可知 ， 当混凝土 中骨料含量增加 1 0 ％左右 时 ， 其 扩 散系数将下降 1 2 ． 7 ％； 而当骨料含量增加到 2 0 ％， 其扩散 系数下降了 3 3 ． 8 ％， 由此可以看出， 骨料含量对混凝土渗 透性影响较大， 混凝土渗透性研究中应予以重视。 ( 2 ) 界面区对混凝土渗透性有着较大的影响 ， 其影响 程度随界面区在混凝土中含量增加而增长。 根据试验结果 ， 当砂 浆含量相同 ， } 昆 凝土 中界面区长度增加 3 3 ％时 ， 混凝 土扩散系数将 约增加 2 3 ． 5 ％。 但 由于试验中混凝土 中界面 区含量相对 较小 ( 约为 0 。 2 6 ％) ， 才致使试验 中界面区的变 化对混凝土渗透性的影响不大 ( 3 ) 界面区的氯离子扩散系数较大 ， 约为砂 浆扩散系 数 的 4 0 倍 。 因此 ， 当混凝土粗骨料粒径较小时 ， 将导致 界 面区长度 的增加 ， 也将加大混凝土渗透性能。 参考文献： [ 1 ]王稷良， 李勇 ， 宁琰．集料对混凝土强度与界面特性影响的研究l J 1． 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 3 9 — 4 1 ． 【 2 】Y ANG C C， C HOR S W． Hu a n g ． T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n c h a r g e p a s s e d a n d t h e c h l o rid e- i o n c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u s i n g s t e a d y — s t a t e c h l o r i d e mi g r a t i o n t e s t [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e Re — s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 2 1 7 — 2 2 2 ． 【 3 ] Y ANG C C， WEN G T L ． Us i n g c h a r g e p a s s e d t o d e t e r mi n e t h e c h l o rid e d i f f u s i o n c o e 珩c i e n t i n mo r t a r f r o m a c c e l e r a t e d c h l o rid e m i g r a t i o n t e s t [ J ] ． C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 0 3 ( 1 7 ) ： 2 31 - 23 8 ． [ 4 ]T O L I N A a o 碧 l u ， M U S T A F A T o k y a y ， T A H I R(~ e l i k ．A s s e s s i n g t h e I T Z mi c r o c r a c k i n g v i a s c a nn i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e a nd i t s e f f e c t o n t h e f a i l u r e b e h a v i o r o f c o n c r e t e [ ~ ． C e me n t a n d C o n c r e t e Rs e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 2 ) ： 3 5 8 — 3 6 3 [ 5 】D I AMOND S， HU ANG J i n g d o n g ． T h e I T Z i n c o n c r e t e a d i f f e r e n t v i e w b a s e d o n i ma g e a n a l y s i s a n d S E M o b s e r v a t i o n s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 1 ， 2 3 2 — 3 ) ： 1 7 9 — 1 8 8 ． [ 6 ]陈露一， 郑志河， 邵慧权． 混凝土界面过渡区不均匀特性研究『 J ] ． 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 9 ) ： 1 1 1 - 1 1 4 ． [ 7 ]王瑶 ， 周继凯 ， 沈德建． 混凝土中骨料一 浆体界面过渡区的力学 性能研究综述 水利水电科技进展 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 8 9 — 9 4 ． 『 8 ]NA DE AU J C ． A m u h i s c a l e mo d e l f o r e f f e c t i v e mo d u l i c o n c r e t e i n — c o r p o r a t i ng I TZ wa t e r — - c e me n t r a t i o g r a d i e n t a g gre g a t e s i z e d i s t il— - b u t i o n s ， a n d e n t r a p p e d v o i d s [~C e me a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 )： 1 0 3 —1 1 3 ． [ 9 ]易成， 郭婷婷， 程涛．N E L法与A S T M C 1 2 0 2法氯离子渗透性对 比试验研究『 J 1 ． 混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 4 - 1 0 ． [ 1 0 ] CHI ANG C T， YAN G C C ． Re l a t i o n b e t w e e n t h e d i f f u s i o n c h ara c — t e r i s t i c o f c o nc r e t e f r o m s a l t p o n d i n g t e s t a n d a c c e l e r a t e d c h l o r i d e m i g r a t i o n t e s t [ J ] ． M a t e ri a l s C h e m i s t r y a n d P h y s i c s ， 2 0 0 7 ， 1 0 6 ( 2 - 3 ) ： 24 0 -2 4 6． [ i 1 ] YA NG C C ． E f f e c t o f t h e p e r c o l a t e d i n t e ff a c i a l t r a n s i t i o n z o n e o n t h e c h l o r i d e m i g r a t i o n c o e f f i c i e n t o f c e m e n t — b a s e d m a t e ri a l s [ J ] ． Ma t e r i a l s C h e m i s t ry a n d P h y s i c s ， 2 0 0 5 ( 9 1 ) ： 5 3 8 — 5 4 4 ． f 1 2 ] DE L AGR AVE A， B I G AS J P， OI L I VI ER J P， e t a 1 ． I n fl u e n c e o f t h e i n t e r f a c i a l z o n e o n t h e c h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f mo rt a r s [ J ] ． A d v n C e m B a s Ma t ， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 8 6 — 9 2 ． 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 虞爱平( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 硕士， 高级实验师。 广西省桂林市建干路 1 2号 桂林理工大学土建学院 ( 5 4 1 0 0 4 ) 1 8 1 7 7 3 78 1 O 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m