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矿物掺合料对混凝土强度和抗氯离子扩散性能的影响是什么?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-10-19

粉煤灰和矿渣微粉作为当前配制高性能混凝土使用最广泛的活性矿物掺合料,当其各自单独加入混凝土时,对混凝土性能的影响已经有较充分的研究,而两者复合双掺是目前混凝土研究的一个热点。同时混凝土中钢筋锈蚀是引起混凝土结构破坏的主要原因之一。氯离子会破坏混凝土中碱环境下钢筋的钝化膜,从而使钢筋产生锈蚀。因此,氯离子的渗透扩散性是反映混凝土抵抗氯离子侵入和钢筋腐蚀能力的一个重要参数。由于在大多数的工程应用中混凝土的强度等级一般为C20~C30,因此本文研究在水胶比为055、不掺加高效减水剂的情况下,粉煤灰、矿渣微粉单掺以及两者复掺时对混凝土强度以及抗氯离子扩散性能的影响。

一、原材料

(1)水泥:32.5级普通硅酸盐水泥,28d抗折强度为6.7MPa,抗压强度为36.1MPa;

(2)粉煤灰:I级粉煤灰,密度为2.34g/cm,比表面积为512m/kg;

(3)矿渣微粉:S95级粒化高炉矿渣超细粉,密度2.88g/cm,比表面435m/kg;

(4)砂:湘江河砂,细度模数2.7,属II区中砂;

(5)石子:5~31.5mm石灰石碎石,压碎指标为9.86%;

(6)水:自来水;

(7)水泥、粉煤灰、矿渣微粉的化学组成见表1。

二、试验方法

混凝土配合比如2所示。混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)进行,混凝土抗压强度试验的试件尺寸为100mm×100mm× 100mm,劈裂抗拉强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

 

三、试验结果与讨论

粉煤灰、矿渣微粉掺入混凝土中后,对混凝土各龄期的强度以及氯离子扩散性能都有一定的影响。表3为各配合比试件在不同龄期的测试结果。

(一)混凝土抗压强度(图1,图2)

从图1、图2可见,在本试验的掺量范围和掺合方式中,混凝土的3d,7d抗压强度都比基准混凝土低,即粉煤灰、矿渣微粉的掺入降低了混凝土的早期强度。从图1可以发现,当粉煤灰、矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的20%时,粉煤灰、矿渣微粉的各种掺合方式中,3d,7d抗压强度值相差不多,相比之下矿渣微粉单掺时其抗压强度最高,即矿渣微粉对混凝土早期强度的影响较粉煤灰小;在28d时,除粉煤灰单掺的强度比基准混凝土稍低外,其他的掺合方式都比基准的高;在56d时,所有的掺合方式都超过了基准混凝土,在双掺中,随着矿渣掺量的增加抗压强度值逐渐增大。当固定粉煤灰掺量为胶凝材料总量的10%,改变矿渣微粉掺量时的混凝土抗压强度变化规律如图2所示。从图2中可以看出,在3d时,当固定粉煤灰掺量为胶凝材料总量的10%,矿渣微粉掺量越多,其抗压强度值下降较大,但是在7d时这种下降就可以得到改变;28d时,随着矿渣掺量的增多抗压强度逐渐升高。

粉煤灰与矿渣微粉作为活性矿物掺合料,对混凝土的力学性能有一定的影响。由上述混凝土抗压强度可知,在56d以前,当掺量相同时,单掺矿渣微粉要比单掺粉煤灰的效果好,其原因是矿渣微粉的反应活性要优于粉煤灰,矿渣微粉能够提供更多的水化产物,对降低水泥石孔隙率方面有更明显的作用。当粉煤灰和矿渣微粉复合双掺时,其抗压强度变化规律比较复杂。如在粉煤灰、矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的20%时,3d,7d抗压强度都较基准混凝土低,但是在固定粉煤灰掺量为胶凝材料总量的10%,矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的30%时,混凝土的7d抗压强度便超过了基准混凝土的抗压强度;在28d及以后,所有双掺混凝土的抗压强度都已经超过基准混凝土的抗压强度,发挥出了较好的“超叠加效应”,即取得了比各自单掺时更好的效果。一般来说,粉煤灰和矿渣微粉通过其火山灰效应和微集料效应,能够提高水泥基材料的强度,特别是后期抗压强度,但是并不是在任何情况下都能够提高其强度。当两者复合双掺时,影响因素更多。作者曾经做过水泥净浆、砂浆和其他配合比的混凝土试验,当两者复合双掺时,其抗压强度却始终比基准试件的低。因此,影响粉煤灰矿渣微粉“超叠加效应” 发挥的因素很多,这些因素很有可能包括试件成型时的温度、湿度、水泥品种、水胶比以及粉煤灰、矿渣微粉复掺时的比例、掺量以及其本身的物理化学性质。由此可知,要想使得粉煤灰与矿渣微粉双掺时取得较好的效果,各地必须因地制宜,根据各地粉煤灰、矿渣微粉原材料的物理化学性质,经过试验确定促使粉煤灰矿渣微粉“超叠加效应”发挥的最有利条件。

(二)混凝土劈裂抗拉强度(图3、图4)

众所周知,混凝土的劈裂抗拉强度很低,一般只有抗压强度的1/20~1/10,抗压强度愈高,其比值就愈小,这在一定程度上限制了混凝土的应用范围。在普通混凝土结构设计中,劈裂抗拉强度通常不予考虑。但在抗裂性要求较高的结构如油库、水塔、路面以及预应力混凝土构件等的设计中,劈裂抗拉强度却是混凝土抗裂度的主要指标。随着对钢筋混凝土和预应力混凝土裂缝研究的开展,对于提高混凝土劈裂抗拉强度的要求也就日益迫切起来。

 

对比图3、图4和图1、图2可以发现:混凝土的28d劈裂抗拉强度的变化规律与其28d抗压强度的变化规律基本上是一致的。比较混凝土劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的比值,可以发现其值在1/10~1/17左右,粉煤灰矿渣微粉双掺时其拉压比较高,接近1/10。因此当粉煤灰和矿渣微粉以适当的比例复合双掺时,可以获得比单掺时更高的拉压比值,发挥出较好的“超叠加效应”。

(三)混凝土氯离子扩散系数

从图5、图6可以看出,粉煤灰、矿渣微粉的掺入数显著降低了混凝土的氯离子扩散系,而且当粉煤灰、矿渣微粉双掺时其值更低。在粉煤灰、矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的20%时,单掺矿渣微粉的混凝土氯离子扩散系数较掺单粉煤灰的低;两者复合双掺时,矿渣微粉掺量越大其氯离子扩散系数越低。当固定粉煤灰掺量为胶凝材料总量的10%时,混凝土的氯离子扩散系数也随着矿渣微粉掺量的增加而降低。在本次试验中,尽管矿物掺合料总量达到胶凝材料总量的40%,当粉煤灰矿渣微粉的复掺比例为1∶3时,其氯离子扩散系数仍然比其他的掺合方式小,表现出了显著的“超叠加效应”。

Cl的渗透性一般由两个基本因素决定,一是混凝土对Cl渗透扩散的阻碍能力,这种阻碍能力决定于混凝土的孔隙率及孔径分布;二是混凝土对Cl的物理或化学结合能力,即固化能力。矿物掺合料的掺入,一方面改善了混凝土的孔结构和级配,孔隙率下降,使孔细化,且混凝土的孔隙率和最可几半径随着矿物掺合料掺量的增加而减小;另一方面改善了混凝土水化产物的组成,掺合料的火山灰效应减少了粗大结晶、稳定性极差的水化产物Ca(OH)的数量及其在水泥石-集料界面过渡区的富集与定向排列,从而优化了界面结构,并且其二次水化反应能生成更多低碱度的C—S—H凝胶。因此矿物掺合料的掺入不但可以改善混凝土的渗透性,提高混凝土的密实度,而且由于孔细化、低碱度的C—S—H凝胶的生成,还可以增加混凝土结合Cl的能力,进而提高其抗氯离子扩散能力。

 

当粉煤灰与矿渣微粉复合双掺时,表现出比单掺时更好的抗氯离子扩散性能,且矿渣微粉掺量越大其氯离子扩散系数越低,这说明矿渣对混凝土抗氯离子扩散能力较粉煤灰好,这应该与矿渣微粉本身的吸附能力等有关。

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