張樹俊,黃冬輝,楊 兵,鄭一夫

(1.南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210098;2.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 211169)

根據(jù)現(xiàn)有研究,氯化物引起的鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土(RC)構(gòu)件耐久性的重要因素之一[1-2]。隨著工業(yè)化進程的不斷推進,氯化物引起的鋼筋腐蝕導(dǎo)致RC基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性情況進一步惡化,進而使其實際壽命難以達到設(shè)計使用壽命,這一現(xiàn)象在工業(yè)化國家更為顯著[3]。因此,為了改善RC結(jié)構(gòu)的抗氯化能力,在混凝土混合料中使用粉煤灰、高爐礦渣等多種礦物替代材料,以提高混凝土的抗氯離子滲透性能,進而提高 RC 結(jié)構(gòu)的耐久性。

高爐礦渣(BFS)是高爐鍛造生鐵的一種副產(chǎn)品,具有類似水泥的水硬特性[4]。高爐礦渣的潛在水化活性于1862在德國被首次發(fā)現(xiàn),1865年被首次應(yīng)用在BFS混合水泥的商業(yè)生產(chǎn)中。自此,高爐礦渣被大規(guī)模應(yīng)用于各類水泥基材料的制造中。高爐礦渣的化學(xué)組成受所用鐵礦石的影響而產(chǎn)生一定的變化,其主要的化學(xué)組成為二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO),這些組分能占到95%左右。高爐礦渣的主要化學(xué)組成和普通水泥的化學(xué)組成非常相似。在實際應(yīng)用中,高爐礦渣會預(yù)先經(jīng)過研磨以細(xì)化其顆粒,從而提高其水化活性。經(jīng)過研磨后的高爐礦渣具有和普通水泥顆粒非常接近的細(xì)度和比表面積[5]。

高爐礦渣能夠改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高水泥水化產(chǎn)物對氯離子的吸附能力,從而有效減緩氯離子在混凝土中的傳輸速度[6-8]。目前許多學(xué)者研究高爐礦渣對混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善作用。如Divsholi等發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土中分別摻入10%、30%和50%的高爐礦渣時,混凝土的平均孔徑能夠降低15%、30%和47%[9]。Luo等發(fā)現(xiàn)大摻量高爐礦渣混凝土的大孔含量比普通混凝土低很多[10]。此外,許多研究試圖將混凝土孔結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)與其抗氯離子滲透性能聯(lián)系起來。如Kropp等認(rèn)為BFS混合混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的改變是其抗氯離子滲透性能提高的主要因素[11]。Hewlett認(rèn)為只有在特定范圍內(nèi)BFS混合混凝土的毛細(xì)孔才能影響抗氯離子滲透性能[12]。因此,有必要對BFS混合混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)特征進行分析研究,進而分析其對抗氯離子滲透性能的影響。

為了研究BFS用量、水灰比(W/C)和養(yǎng)護時間對RC構(gòu)件毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)及其抗氯離子滲透性能的影響，本文試圖將快速氯離子遷移(RCM)系數(shù)與毛細(xì)孔隙率、最可幾孔徑和有害毛細(xì)孔占比等毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)特征聯(lián)系起來。采用兩種不同W/C比(0.45、0.35)和兩種不同養(yǎng)護時間(28 d、90 d)的混凝土試件,通過壓汞孔隙率法(MIP)測試RC試件毛細(xì)孔結(jié)構(gòu),采用快速氯離子遷移(RCM)測試RC試件抗氯離子滲透性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

混凝土試件的材料為波特蘭水泥、粗骨料、細(xì)骨料和高爐礦渣。其中水泥是符合ASTM C150標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ型波特蘭水泥混凝土,抗壓強度為52.5 N·mm-2;采用碎石灰石作粗骨料，河砂作細(xì)骨料;高爐礦渣為符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 203的S95型。

混凝土試件采用0.45和0.35兩種W/C比，每組試件采用4種不同比例的高爐礦渣,4種比例分別為0、20%、30%和40%，兩組試件的詳細(xì)信息見表1。其中,所有混凝土試件均為直徑100 mm、高200 mm的圓柱體,同時分別養(yǎng)護至28 d和90 d齡期。

表1 混凝土配合比

本文采用快速氯離子遷移(RCM)測試混凝土的抗氯離子滲透性能,同時采用壓汞孔隙率法(MIP)測量混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。因此,在測試試件抗氯離子滲透性能和毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)之前,需要對試件進行一定的處理,即將圓柱體試件分割為50 mm厚的圓柱體試樣,并將分割后的試樣放入Ca(OH)2溶液中飽和浸泡18 h;進行MIP測試之前,需要將圓柱體試樣壓為大約1 cm3的小碎塊。

1.2 試驗方法

1.2.1 快速氯離子遷移(RCM)測試

采用符合NT Build 492[13]混凝土氯離子擴散系數(shù)的快速測定方法進行RCM測試。具體過程為:首先通過電流加速使得氯離子進入試件中;然后通過噴灑AgNO3溶液來測量氯離子的最終滲透深度;最后將測量出的氯離子最終滲透深度代入給定的公式,并計算出RCM系數(shù)。

1.2.2 壓汞孔隙率法(MIP)

使用PoreMaster 60GT水銀孔隙度儀,并通過MIP測試方法來測試混凝土試樣的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)。從試驗數(shù)據(jù)中提取混凝土試樣的毛細(xì)孔隙率、最可幾孔徑和毛細(xì)孔徑分布情況。本文中的毛細(xì)孔是指直徑在10～10 000 nm的孔隙[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 BFS混合混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.1 毛細(xì)孔隙率

本文試件的毛細(xì)孔隙率在不同條件下與高爐礦渣摻量的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知:1)當(dāng)養(yǎng)護齡期一致時,W/C比為0.45時混凝土試件的毛細(xì)孔隙率比W/C比為0.35時的大;當(dāng)W/C比相同時,養(yǎng)護齡期越長混凝土試件的毛細(xì)孔隙率越小。由此表明W/C比和養(yǎng)護齡期是影響B(tài)FS混合混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的重要因素。2)當(dāng)W/C比為0.45養(yǎng)護齡期為28 d時,BFS混合混凝土毛細(xì)孔隙率隨著礦渣摻量的增加而增加;在其他3種W/C比和養(yǎng)護齡期條件下,BFS混合混凝土毛細(xì)孔隙率隨著礦渣摻量的增加,呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,并在摻量為20%時表現(xiàn)為最大,表明通過增加礦渣摻量并不能保證優(yōu)化BFS混合混凝土的毛細(xì)孔隙率,此變化規(guī)律可能是BFS水泥水化和BFS火山灰反應(yīng)的結(jié)果。

2.1.2 最可幾孔徑

混凝土試件最可幾孔徑在不同條件下與高爐礦渣摻量的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知:1)在不同W/C比和養(yǎng)護齡期下,混凝土試件的最可幾孔徑均呈現(xiàn)出隨礦渣摻量增加而減小的趨勢,由此說明高摻量礦渣使得混凝土試件得到了更細(xì)的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu),此結(jié)果與Uysal等[15]的研究結(jié)論一致,說明BFS的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物可以填充結(jié)構(gòu)構(gòu)件的孔隙并降低孔隙系統(tǒng)的連通性。2)在相同水灰比及礦渣摻量條件下,混凝土試件最可幾孔徑隨養(yǎng)護齡期的增加而降低,這與混凝土結(jié)構(gòu)常識完全相符,由此表明更長的養(yǎng)護時間可保證BFS火山灰反應(yīng)和水泥水化發(fā)生更完全,進而使得更多的反應(yīng)產(chǎn)物填充初始孔隙。

圖1 不同礦渣摻量、W/C比及養(yǎng)護齡期下 混凝土試件的毛細(xì)孔隙率

圖2 不同礦渣摻量、W/C比及養(yǎng)護齡期下 混凝土試件的最可幾孔徑

2.1.3 毛細(xì)孔徑分布

直徑大于50 nm的毛細(xì)孔為水通量形成一個連續(xù)的孔隙系統(tǒng),輸送氯離子溶液,最終影響混凝土的滲透性[11]。為了更好地分析BFS對混凝土毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的影響,本文假定直徑大于50 nm的毛細(xì)孔對混凝土的滲透性有影響,并將直徑大于50 nm的毛細(xì)孔定義為有害毛細(xì)孔。同時假設(shè)有害毛細(xì)孔的占比代表毛細(xì)孔系統(tǒng)質(zhì)量的一個參數(shù),將此參數(shù)定義為“有害毛細(xì)孔占比”。通過試驗分析,本文混凝土試件在養(yǎng)護齡期為28 d和90 d下,有害毛細(xì)孔占比情況如圖3所示。

由圖3可知,有害毛細(xì)孔占比隨著礦渣摻量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。其中,當(dāng)W/C比為0.45,礦渣摻量為40%時,養(yǎng)護齡期28 d和90 d混凝土試件的有害毛細(xì)孔占比分別為普通混凝土的36.87%和38.46%;當(dāng)W/C比為0.35,礦渣摻量為40%時,養(yǎng)護齡期28 d和90 d混凝土試件的有害毛細(xì)孔占比分別為普通混凝土的54.12%和11.23%。由此說明礦渣摻量和養(yǎng)護齡期越大,BFS混凝土試件毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就越高。

2.2 快速氯離子遷移(RCM)系數(shù)

不同養(yǎng)護齡期下RCM系數(shù)分布情況如圖4所示。由圖4可知:1)當(dāng)W/C比一定時,RCM系數(shù)隨著礦渣摻量的增加而降低。其中,當(dāng)W/C比為0.45、齡期為28 d時,礦渣摻量為20%、30%和40%混凝土試件的RCM系數(shù)分別為普通混凝土試件的80.98%、65.56%和61.76%,這一現(xiàn)象是由BFS中火山灰反應(yīng)引起的。一方面火山灰反應(yīng)產(chǎn)物可以填充初始孔隙,以使試件孔隙結(jié)構(gòu)更加致密;另一方面火山灰反應(yīng)能產(chǎn)生更多的弗里德爾鹽以提高其與氯離子的結(jié)合能力。因此BFS可以改善混凝土的物理和化學(xué)特性,進而提高其抗氯離子滲透性能[16]。2)當(dāng)養(yǎng)護齡期、礦渣摻量一定時,W/C比越低其RCM系數(shù)越小,表明較低的W/C比致使試件初始毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)更緊密,從而使得抗氯離子滲透性能增強,因此W/C比是影響試件抗氯離子滲透性能的一個重要參數(shù);當(dāng)W/C比、礦渣摻量一定時,養(yǎng)護齡期越長其RCM系數(shù)越小,主要原因是BFS中火山灰反應(yīng)與水泥水化相似,其反應(yīng)需要足夠長的時間作為支撐,故RCM系數(shù)隨著養(yǎng)護齡期的延長將會降低[17]。

圖3 不同礦渣摻量、W/C比及養(yǎng)護齡期下 混凝土試件的有害毛細(xì)孔占比

圖4 不同礦渣摻量、W/C比及養(yǎng)護齡期下 混凝土試件RCM系數(shù)

2.3 RCM系數(shù)與毛細(xì)孔隙率、 最可幾孔徑和有害毛細(xì)孔占比的相關(guān)性分析

在研究BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能時,研究者們習(xí)慣于將抗氯離子滲透性能與W/C比、養(yǎng)護齡期以及礦渣摻量等參數(shù)聯(lián)系起來[18]。但由于原材料的物理和化學(xué)特性存在差異,使得以上參數(shù)與抗氯離子滲透性能相關(guān)性的理論基礎(chǔ)較為薄弱。本文基于以上試驗結(jié)果的總結(jié)分析,進一步將抗氯離子滲透性能與毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,以分析RCM系數(shù)與毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性。

2.3.1 RCM 系數(shù)與毛細(xì)孔隙率的相關(guān)性

RCM系數(shù)與毛細(xì)孔隙率之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知,整體上RCM系數(shù)隨著毛細(xì)孔隙率的增加呈增加趨勢,但其散點分布較為散亂,無明顯的相關(guān)性,表明毛細(xì)孔隙率對BFS混合混凝土抗氯離子滲透性能的影響較小,主要是由于只有“有效”的毛細(xì)孔(前文定義的有害毛細(xì)孔)才允許氯離子進入。因此,將混凝土的抗氯離子滲透性能與毛細(xì)孔隙率聯(lián)系起來不太合理。

2.3.2 RCM系數(shù)與最可幾孔徑的相關(guān)性

最可幾孔徑是表征孔隙結(jié)構(gòu)連通性的參數(shù),其值越大表示孔隙結(jié)構(gòu)越連續(xù),進而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)更容易被氯離子侵入。由圖6可知,RCM系數(shù)隨著最可幾孔徑的增大而增大。為了進一步定量分析RCM系數(shù)與最可幾孔徑之間的關(guān)系,對圖6中的散點進行了回歸分析,其R2值為0.541 6,可見最可幾孔徑與RCM系數(shù)的線性相關(guān)性較弱。表明最可幾孔徑雖然是影響混凝土抗氯離子滲透性能的參數(shù),但其重要性沒有預(yù)期的高。

圖5 RCM系數(shù)與毛細(xì)孔隙率的相關(guān)性

圖6 RCM系數(shù)與最可幾孔徑的相關(guān)性

2.3.3 RCM系數(shù)與有害毛細(xì)孔占比的相關(guān)性

由圖7可知，RCM系數(shù)隨著有害毛細(xì)孔占比增加而增加，表明良好的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)有利于BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。此結(jié)論與石東升等[19]的研究成果一致。為了進一步定量分析RCM系數(shù)與有害毛細(xì)孔占比之間的相關(guān)性，本文對圖7的散點進行了回歸分析，其R2值為0.784 8，表明RCM系數(shù)與有害毛細(xì)孔占比相關(guān)性較強，從而論證了并非所有毛細(xì)孔都允許BFS混合混凝土氯離子進入的假設(shè)。

圖7 RCM系數(shù)與有害毛細(xì)孔占比的相關(guān)性

3 結(jié) 語

本文通過試驗研究及分析探討,可得出以下結(jié)論:

1)可通過降低混凝土結(jié)構(gòu)毛細(xì)孔的連通性和有害毛細(xì)孔占比來優(yōu)化BFS混合混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu),進而提高BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。

2)W/C比和養(yǎng)護齡期可通過影響最可幾孔徑和有害毛細(xì)孔占比,進而影響B(tài)FS混合混凝土抗氯離子滲透性能。其中,低W/C比和較長養(yǎng)護齡期可提高BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。

3)最可幾孔徑和有害毛細(xì)孔占比均與BFS混合混凝土的RCM系數(shù)相關(guān),其中最可幾孔徑與RCM系數(shù)之間的線性相關(guān)性較弱,而有害毛細(xì)孔占比與RCM系數(shù)之間的線性相關(guān)性較強,表明直徑大于50 nm 毛細(xì)孔對BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能具有重要的影響。