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不同胶凝材料体系的混凝土耐久性能研究

发稿时间:2021-03-26

01引言

在可持续发展已深入人心的今天,利用粉煤灰、矿粉等工业废渣发展辅助性胶凝材料产业受到越来越多人的关注。随着混凝土技术的进步,混凝土制备的可变因素越来越多,以粉煤灰、矿粉为代表的辅助性胶凝材料作为制备混凝土的基本材料组分,更增加了混凝土耐久性影响因素的复杂性。尽管影响因素很多,但归根结底,都与水或者其他有害液体或气体向其内部传输的难易程度有关,通常认为混凝土碳化性能、渗透性能及抗冻性能是评价其耐久性的重要指标,因此系统研究混凝土的碳化性能、渗透性能及抗冻性能渗透性对提高混凝土的耐久性具有重要意义。本文通过测试不同胶凝材料体系混凝土的碳化深度、渗透深度、相对动弹性模量和质量损失率,研究了纯水泥、单掺粉煤灰、单掺矿渣以及复掺粉煤灰和矿渣四种胶凝材料体系的混凝土的碳化性能、渗透性能和抗冻性能。


02原材料、配合比和试验方法

2.1 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)见表1。粗集料为江苏句容产520mm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



2.2 配合比及新拌性能

为了研究不同胶凝材料体系对高性能混凝土耐久性能的影响,试验给出了4组配合比:①不掺矿物掺合料的基准混凝土配合比;②掺30%粉煤灰的混凝土配合比;③掺45%矿粉的混凝土配合比;④复掺15%粉煤灰和45%矿粉的混凝土配合比。具体配合比如表2所示。



2.3 试验方法

参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中碳化试验的规定进行不同胶凝材料体系混凝土的碳化试验,采用100mm×l00mm×400mm试模成型100mm×l00mm×400mm的棱柱体标准试件,养护至规定龄期,在60℃温度烘箱内烘干后取出,放入碳化箱内碳化至规定龄期取出,在压力机上垂直于碳化面劈裂,每次约70mm左右。用石蜡将破坏后试块的切断面密封好,然后放入碳化箱至下一个龄期。随即在试块的断面处喷上浓度为1%的酒精酚酞溶液。30秒钟后,按照预估的测量点测出各点的碳化深度,将所测碳化深度数值取平均值,即为该龄期的碳化深度。


参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗水渗透试验的规定进行不同胶凝材料体系混凝土的抗渗性试验,试件规格为上口直径175mm,下口直径185mm,高150mm的截头圆锥体,6个试件为一组。试验时水压从0.1MPa开始,使水压在24h内恒定控制在(1.2±0.05MPa,然后降压,从试模中取出试件。在试件两端面直径处,按平行方向各放一根Ф6mm钢垫条,用压力机将试件劈开。将劈开面的底边十等分,在各等分点处量出渗水高度。以各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度,以相同渗水压力下不同试件的平均渗水高度值来评价不同胶凝材料体系混凝土的相对抗渗性能。


参照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻性能试验中快冻法的规定进行抗冻性试验,采用100mm×l00mm×400mm试模成型100mm×l00mm×400mm的棱柱体标准试件,24h脱模后在标养室标准养护24d后取出,将试件放入(20±2)℃水中饱水浸泡4d,然后再将浸泡后的混凝土试件放入混凝土自动冻融循环机中进行冻融试验,每隔25次冻融循环次数时将混凝土试件从冻融循环机内取出,用动弹仪测量动弹模量或横向基频,并检查其外部损伤及重量损失。


03试验结果与分析

3.1 混凝土抗碳化性能

不同胶凝材料体系(纯水泥体系、单掺粉煤灰体系、单掺矿渣体系、双掺粉煤灰和矿渣体系)混凝土的碳化深度随碳化龄期变化规律如图1所示。由图可知,单掺粉煤灰、单掺矿渣、双掺粉煤灰和矿渣体系混凝土28d碳化深度比纯水泥体系混凝土分别增加了6.0mm3.0mm9.1mm。由此可以看出,矿物掺合料的掺入明显降低了混凝土的抗碳化性能。这主要因为:影响水泥基材料抗碳化性能的另一个重要指标是浆体的碱度。一方面,矿物掺合料的掺入降低了混凝土中水泥用量,降低了因水泥水化产生的CH含量。另一方面,矿物掺合料的火山灰效应消耗一部分CH,从而使得混凝土内部CH含量的进一步降低,从而消弱了混凝土的抗碳化性能。



3.2 混凝土抗渗透性能

不同胶凝材料体系(纯水泥体系、单掺粉煤灰体系、单掺矿渣体系、双掺粉煤灰和矿渣体系)混凝土标准养护7d28d56d90d后在一定渗水压力下的抗水渗透性能如图2所示。由图中数据可知,不同胶凝材料体系的混凝土标养7d后的渗透深度,从小到大依次是:纯水泥体系<单掺矿渣体系<单掺粉煤灰体系<双掺粉煤灰和矿渣体系;标养28d后不同体系混凝土的渗透渗透从小到大依次是:单掺粉煤灰体系<单掺矿渣体系<纯水泥体系<双掺粉煤灰和矿渣体系;标养56d时,单掺粉煤灰体系和单掺矿渣体系的混凝土渗透深度明显小于纯水泥体系混凝土相应值,双掺粉煤灰和矿渣体系的混凝土渗透深度与纯水泥体系混凝土渗透深度相当;标养90d时,掺辅助性胶凝材料体系的混凝土渗透深度均明显小于纯水泥体系混凝土相应值。这主要是因为,粉煤灰、矿渣等辅助性胶凝材料的掺入降低了实际的水泥用量,使得早期生成的胶凝物质减少,导致其早期抗渗性能相对较弱,随着养护龄期的延长,粉煤灰、矿渣等辅助性胶凝材料发生持续的火山灰反应,优化了混凝土内部孔结构,减少大孔数量和连通孔的数量,从而减少了一定压力条件下自由水在混凝土内部的传输通道,提高了混凝土抗水渗透性能。可见,粉煤灰、矿渣等辅助性胶凝材料的掺入降低了混凝土的早期抗水渗透性能,提高了混凝土的后期抗水渗透性能。在加强养护的条件下,通过优化胶凝材料体系组成可制备得到更高抗水渗透性能的混凝土。



3.3 混凝土抗冻性能

3和图4分别给出不同胶凝材料体系的混凝土在冻融循环过程中的相对动弹性模量和质量损失变化情况。由图3中不同冻融循环次数下的混凝土动弹性模量变化规律可以看出,掺入45%矿渣混凝土的抗冻性最好,冻融循环425次后,其相对动弹性模量仍然在90%



以上。单掺粉煤灰和复掺体系混凝土的抗冻融次数也达到350次,均高于纯水泥体系的300次冻融次数,因此,在适当延长养护龄期时,可使大掺量矿物掺合料胶凝材料体系的混凝土达到高抗冻性。由图4中不同冻融循环次数下的混凝土质量损失变化规律可以看出,纯水泥体系以及掺矿物掺合料体系混凝土的质量损失变化规律基本一致,100次冻融循环之前混凝土重量是略微减小的,但到100次以后,混凝土在破坏前重量是有所增大的,造成这种现象的原因是由于在冻融循环过程中,混凝土内部结构产生一定的损伤,产生大量的微裂纹,裂纹的产生使得环境中的水分子通过裂缝进入到混凝土内部,在内部预留了大量的自由水,引起了重量的增大,而且这部分自由水的存在,在冻融循环交替作用下,以及水与冰之间相互转变时的体积变化,进一步加剧了混凝土的劣化。另外,对比分析不同胶凝材料体系的混凝土抗冻性能和含气量关系发现,由表2中混凝土新拌性能知纯水泥、单掺粉煤灰、单掺矿渣以及复掺粉煤灰和矿渣体系混凝土的含气量分别为5.6%4.0%5.4%3.8%,已有的研究表明混凝土的抗冻性主要受混凝土的含气量的影响,且抗冻性能随含气量的提高而增大,但本试验中不同胶凝材料体系的混凝土在养护到90d龄期时,混凝土的抗冻性受含气量影响较小,而受胶凝材料体系的影响更大。可见,在混凝土含气量一定的情况下,通过优化胶凝材料体系组成可制备得到更高抗冻性的混凝土。


04结论

⑴与纯水泥体系的混凝土相比,单掺粉煤灰体系、单掺矿渣体系、双掺粉煤灰和矿渣体系的混凝土抗碳化性能有一定程度的降低。⑵与纯水泥体系的混凝土相比,单掺粉煤灰体系、单掺矿渣体系、双掺粉煤灰和矿渣体系的混凝土早期抗水渗透性能有一定程度的降低,后期抗水渗透性能有明显的提高。⑶养护90d后抗冻性试验结果表明,掺粉煤灰体系、单掺矿渣体系、双掺粉煤灰和矿渣体系的混凝土抗冻性能均优于纯水泥体系混凝土的抗冻性能。⑷在充分养护的情况下,优化胶凝材料体系的组成可制备出比纯水泥体系具有更高抗水渗透性和抗冻性能的高质量混凝土。

来源:《广东建材》,作者:汪彬、孟振亚、张守治

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