矿物掺合料对水泥混凝土抗冻性的影响

   矿物掺合料对水泥混凝土抗冻性的影响

徐燕 ,李兵

昌吉市天筑检测有限责任公司  新疆省  831109

摘要：水利工程大多建于地质条件极其复杂的偏远地区，一般具有后期维护难度大、环境条件恶劣、施工作业困难等特点，故对结构耐久要求更高。长期以来，为施工方便及确保混凝土强度，通常利用增加单方用水量和提高水泥用量的方式生产水工混凝土。实践表明，该方法难以保证混凝土耐久性。由于具有优异的耐久性能、力学性能和拌合物性能，高性能混凝土(HPC)被广泛应用于水库大坝、江河堤防等工程领域，对于降低全寿命周期综合成本、提高工程质量等发挥着积极作用。

关键词：矿物掺合料；混凝土；抗冻性；影响

1原材料、配合比和试验方法

1.1原材料

水泥采用金宁羊42.5水泥,其标准稠度用水量25.2%;粉煤灰采用南京电热厂Ⅰ级粉煤灰,需水比91.0%,比表面积320m2/kg;矿粉采用江南粉磨公司生产S95级矿渣微粉,流动度比为111%,比表面积430m2/kg。原材料化学组成(本文中的含量、组成、掺量等均为质量分数)。粗集料为江苏句容产5～20mm连续级配的玄武岩碎石,细集料为细度模数为2.60的河砂,减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂PCA。

1.2配合比

以纯水泥体系、单掺30%粉煤灰、单掺45%矿渣以及复掺15%粉煤灰和45%矿渣体系为研究对象,同时在复掺15%粉煤灰和45%矿渣体系中研究0.32、0.37和0.42三种不同水胶比条件下的性能。

1.3试验方法

氯离子扩散系数试验参照德国Aachen业大学建筑材料研究所提出的氯离子电迁移快速试验方法。将养护一定龄期的混凝土试件切割制成Φ100mm×50mm的标准试件,试验测试前对试件进行真空饱水24h。将试件装入橡胶筒内,用两个环箍施加扭矩固定,使试件的侧面处于密封状态。将装有试件的橡胶筒装到试验槽中,安好阳极板,在橡胶筒中注入约300ml的0.2mol/L的KOH溶液,使阳性板和试件表面均浸没于溶液中。在试验槽中注入含5%NaCl的0.2mol/L的KOH溶液,直至与橡胶筒中溶液平齐。接通30V的直流电源,根据初始电流确定通电时间。通电完毕,取出试件,在压力机上将其劈成两半,并在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO3溶液,测量氯离子渗透深度,计算氯离子扩散系数。

电通量实验参照ASTMC1202进行,其测试电压为60V,通电时间为6h。将养护一定龄期的混凝土试件先真空饱水24h后,轴向施加60V直流电压,试件两端的正负极两侧的电解池内分别放置浓度为0.3mol/L的NaOH溶液和3%的NaCl溶液,在试验开始后,记录初始电流并每隔5min测量一次通过试块的电流,持续6h,根据6h通电时间内电流变化计算总电量Q。

毛细管吸附试验参照ASTMC1585进行,把养护到一定龄期的试块放入50℃烘箱中,烘干至恒重,记录试样的重量,精确到0.01g,量取浸水面直径和宽度,精确到0.1mm。保留两侧面,其余面用石蜡材料密封,然后放入容器中,背水面表面覆盖一塑料薄膜,试验在20±1℃温度条件下进行。测定0h、1h、2h、4h、6h、12h、24h、56h时间的毛细管吸水量,然后用线性回归分析的方法,对毛细管吸附量I与s1/2时间进行相关性分析,确定毛细管吸附率(mm/s1/2)。

气体渗透性试验采用Torrent渗透性测试方法,Torrent渗透性测试装置是有内外两个真空室,用压力传感器平衡内外室的压力,根据内外室压力的改变,估计混凝土的孔隙率,计算混凝土的透气性系数KT。采用150mm×150mm×300mm的立方体试件,将养护到规定龄期的测试试件在50℃先进行干燥7d的预处理,然后测试并计算试件的空气渗透性。

2结果与分析

2.1粉煤灰对抗氯离子渗透性影响

HPC电通量受粉煤灰掺量的影响。28d龄期的HPC电通量随粉煤灰掺量的增加呈先下降后上升的变化趋势，HPC电通量在粉煤灰掺量为20%时达到最小的751.6C,该条件下的抗氯离子渗透性最好。深入分析发现，早期活性较低的粉煤灰依赖水泥水化生成的Ca(OH)2进行二次水化反应，粉煤灰掺20%时其填充效应和火山灰效应达到最佳，并在很大程度上改善了HPC的微观结构，HPC内部更加密实，所以通电量较小。掺40%粉煤灰时通电量增加至1445.0C,粉煤灰掺量的增加使得火山灰水化反应变慢，凝胶材料水化程度下降，HPC的密实性变差并带来负面效应，HPC电通量增大降低了抗氯离子渗透性能。

84d龄期的HPC电通量随粉煤灰掺量的增加呈先快速下降后趋于平缓的变化趋势，HPC电通量在粉煤灰掺量为30%时达到最小的381.5C,掺30%粉煤灰的84d电通量相对于28d的减少68.4%,相对于未掺粉煤灰的减少60.5%。HPC电通量随着龄期的增加均有所减小，其电通量在粉煤灰掺量超过30%时出现小幅度的增大。

2.2矿物掺合料复掺对抗氯离子渗透性影响

保持矿物掺合料掺量及胶凝材料总量不变，改变矿渣粉与粉煤灰的比例测试其抗氯离子渗透性，HPC电通量受矿渣粉掺量的影响。

结果表明，掺40%矿物掺合料时，HPC电通量随粉煤灰比例的增大而逐渐减小，HPC各龄期的电通量在m(矿渣粉):m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时最小，该条件下28d、84d电通量为631.8C和375.2C;HPC电通量在粉煤灰掺量占矿物掺合料100%时又会增大，与m(矿渣粉):m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时相比，28d、84d的HPC电通量增加127.2%和5.6%。

深入分析可知，HPC中掺入不同比例的矿渣粉与粉煤灰，胶凝材料产生的叠加效应和级配效应不同，当m(矿渣粉):m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时胶凝体系级配最优，该条件下结构内部的毛细孔径最小，密实度也最高，故HPC的电通量最小其抗氯离子渗透性最耗。

2.3矿物掺合料对抗压强度影响

HPC抗压强度受矿渣粉、粉煤灰的影响，HPC抗压强度。在胶凝材料总量及水胶比不变的条件下，用矿渣粉或粉煤灰等量取代水泥，从0%逐渐增加矿渣粉或粉煤灰掺量至胶凝材料的40%,与基准对照组P0相比，结果显示X组、Y组HPC各龄期抗压强度随矿物掺合料产量的增大呈减少趋势。深入分析可知，水泥水化产物Ca(OH)2需要与矿渣粉、粉煤灰反应才能生成凝胶性水化产物，而水泥水化速率高于该反应速率。所以，将水泥采用矿渣粉、粉煤灰等量取代后会降低凝胶体系的水化速率。在矿物掺合料用量及凝胶材料总量不变的情况下，改变矿渣粉与粉煤灰比例的Z组，同一龄期内Z1-Z5组的抗压强度变幅较小，各龄期强度与基准对照组P0相比明显下降，这也与较大的矿物掺合料掺量降低了胶凝材料的水化速率有关。

结论

掺40%矿物掺合料时，HPC电通量随粉煤灰比例的增大而逐渐减小，HPC各龄期的电通量在m(矿渣粉):m(粉煤灰)复掺比例为1:3时最小，该条件下的抗氯离子渗透性最好。保持水胶比和含量不变，HPC抗冻性在不掺加矿物掺合料时最好，抗冻等级达到F200;单掺矿渣粉或粉煤灰时，HPC抗冻性随掺量的增加逐渐变差，复掺矿渣粉与粉煤灰总量为胶凝材料40%时HPC抗冻等级均为F50,改变两者的掺入比例抗冻等级没有变化。将适量矿渣粉及粉煤灰掺入混凝土内，可以在一定程度上改善抗氯离子渗透性能，但不利于混凝土抗冻性，对于有抗冻性要求的混凝土要通过试验确定矿物掺合料产量，为增强其抗冻性能可以掺入适量引气剂。

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