摘 要: 为提高混凝土耐海水腐蚀的性能,采用氯离子渗透、硫酸盐腐蚀、腐蚀干湿循环等试验方法来研究耐腐蚀外加剂的性能,并且对混凝土耐腐蚀外加剂的机理进行分析。试验结果表明:混凝土耐腐蚀外加剂在试验测试中表现出优良的综合性能。
关键词: 海工混凝土;外加剂;氯离子渗透;硫酸盐腐蚀;干湿循环;试验
中图分类号: TU528. 042 文献标识码: A
1 前 言
混凝土中使用外加剂被公认为是改善混凝土性能方面有效的措施[ 1 ,2 ] 。我国混凝土外加剂的研究、生产和发展很快,品种不断增加,应用日益广泛[3 ] 。外加剂的掺量也不仅限于水泥重量的5 % ,如混凝土膨胀剂掺量10 %～12 % ,混凝土气密剂掺量8 %～12 %。甚至提出混凝土高性能化的掺合料[4 ] ,掺量达到30 %。混凝土耐腐蚀外加剂是一种新型的外加剂,国内有部分产品,使用时必需和其他混凝土的掺合料共同使用,给施工带来诸多不便,而且效果有待进一步提高,专用于海水等腐蚀的混凝土外加剂未见报道。本文中混凝土耐腐蚀剂是针对桥梁受海水腐蚀的混凝土而专门研制的,掺量为水泥质量的10 %～12 %。
现场调查和试验资料表明:海工混凝土失效最严重的部位发生在浪溅区,失效是由于氯离子引起的钢筋锈蚀、海水中的不断变化的干湿循环、盐类结晶腐蚀以及海水的冲刷、气蚀等综合因素造成的[5 ,6 ] 。由于海水的冲刷和气蚀不但与组成混凝土的材料性能有关,还与混凝土的强度等级有关,而且不易在室内模拟试验,因此本耐腐蚀混凝土外加剂试验内容主要为抗氯离子渗透性试验、腐蚀干湿循环试验、硫酸盐腐蚀试验等项目,其中腐蚀干湿循环试验循环次数达到110 次(110 d 的循环) ,且与掺混合材料(硅灰和粉煤灰合掺) 的混凝土进行了比较。
2 混凝土的原材料
(1) 水泥。江油水泥厂生产普通硅酸盐水泥,3d 抗压强度25. 4 MPa ,抗折强度4. 7 MPa ,28 d 抗压强度47. 6 MPa ,抗折强度8. 1 MPa 。
(2) 骨料。砂:广汉河砂,细度模数2. 60 ,满足Ⅱ区级配; 石子: 5 ～ 20 mm 粒级, 级配为5 ～ 10mm45 % ,10～20 mm55 %。
(3) 外加剂。自行研制的FL - V 型混凝土耐腐蚀外加剂,主要成分为:高活性SiO2 ,有机活性激发剂,有机表面活性剂及高效减水剂和少量的纳米材料等。掺量10 %～12 % ,等量取代水泥。本试验掺量为10 %。
3 试验方法
3. 1 配合比设计及物理力学性能试验
本试验按照《普通混凝土配合比设计规程》(J GJ 55 - 2000) 《, 普通混凝土拌合物性能试验方法标准》( GB/ T 50080 - 2002) 进行。
3. 2 硫酸盐腐蚀试验
硫酸盐腐蚀试验按照文献[ 7 ]方法进行,基准配合比采用其推荐的配合比,耐腐蚀试件采用内掺10 %耐腐蚀外加剂(取代同质量的水泥) 的配比配制。
3. 3 混凝土抗氯离子渗透性能试验
抗氯离子渗透性能试验是目前评定混凝土抗渗性及耐腐蚀性能常用的方法[6 ,8 ] ,氯离子渗透性的试验方法有多种。本试验采用文献[9 ]中“混凝土抗氯离子快速试验方法”混凝土电导测试法。试验中,每组试件取3 块,做混凝土的龄期为28 d、90 d 氯离子渗透试验。氯离子渗透试验采用选用的配合比见表1 。
3. 4 混凝土干湿循环试验
有关混凝土腐蚀干湿循环试验尚无试验规程。参照国内外类似试验研究,采用在一定盐溶液中浸泡与60 ℃干燥的循环的试验制度。在反复的循环过程中考查试件强度变化。具体方法:
(1) 配制盐溶液。盐溶液配比见表2 。此溶液的浓度参照国内外有关资料配制[10 ] ,盐的浓度远大于海水中盐的浓度,其中硫酸盐浓度增加幅度最大。其目的是加速盐的结晶应力和硫酸盐腐蚀等对混凝土的破坏作用。
(2) 成型试件。试件尺寸40 mm ×40 mm ×160mm。粗骨料5～10 mm 粒级,砂为普通砂,采用的配合比见表3 。采用小试件是为了加速干湿循环对混凝土强度的影响。
(3) 循环制度。成型并标准养护14 d 后即进行干湿循环。第15 d 时取出试件擦干试件表面水分放入烘箱烘干,一般试件放入烘箱后30 min 左右升至60 ℃恒温16 h ,打开烘箱冷却30 min ,取出试件放入已配制的盐溶液中,8 h 后取出为1 个循环,一昼夜恰好1 个循环。
(4) 以28 d 时标准养护(无循环) 试件强度作为基准进行对比。
(5) 试件强度试验参照《水泥胶砂强度检验方法》( GB/ T 17671 - 1999) 进行。
(6) 为便于比较,混凝土的坍落度均调整为150～170 mm ,同时用掺入硅灰和粉煤灰的混凝土作对比,考察耐腐蚀外加剂的性能。
4 试验结果及分析
4. 1 硫酸盐腐蚀试验
从表4 硫酸盐腐蚀试验的结果可以看出:基准配合比试件抗蚀系数只有0. 80 ,而掺有耐腐蚀外加剂配合比试件在1 个月、3 个月抗蚀系数均大于1. 0 ,分别达到1. 12 和1. 11 ,抗硫酸盐腐蚀能力明显提高。
为更好地说明耐腐蚀外加剂的效果,定义各龄期在清水、硫酸盐溶液中的抗折强度与基准砂浆清水28 d 抗折强度之比为强度变化系数Kb ,结果见表4 。
与基准试件相比,其强度在清水中1 个月、3 个月时分别为基准试件的1. 22 倍、1. 26 倍,硫酸盐环境中分别为1. 37 倍、1. 40 倍,说明后期强度稳步增长。
4. 2 干湿循环试验
在试验中由于小的混凝土试件抗折强度波动性大,本文采用其抗压强度(6 块) 的平均值作为该组的强度值进行分析评定。强度变化结果见表5 。
为便于分析,提出抗干湿腐蚀循环系数Kx 与对比干湿腐蚀循环系数Kr 的概念,其定义分别为:
从110 次干湿循环后混凝土强度的变化看,基准混凝土g - 0 干湿腐蚀循环系数Kx 只有0. 77 ,掺入30 %粉煤灰和3 %的硅灰的g - 3 混凝土Kx 为1. 09 ,掺耐腐蚀外加剂的混凝土g - 1 、g - 2 效果最为显著, Kx 在1. 35～1. 38 之间。对比干湿腐蚀循环系数更能说明问题, 掺合料混凝土g - 3 达到1. 42 ,耐腐蚀外加剂配置的混凝土达到1. 75 以上。
说明耐腐蚀外加剂能够极大地提高混凝土耐干湿循环及盐的结晶膨胀(同样包括硫酸盐腐蚀) 的性能。
4. 3 混凝土的抗氯离子渗透试验
混凝土的氯离子渗透试验结果见表6。可以看出:掺入耐腐蚀外加剂混凝土抗氯离子渗透能力明显提高。与相同强度等级的普通混凝土相比,耐腐蚀外加剂配置的混凝土28 d、90 d 渗透系数分别只有基准混凝土的51 %及12. 1 %。耐腐蚀外加剂配置的混凝土90 d 与其本身28 d 的抗渗性能相比,氯离子渗透系数下降75 %,说明耐腐蚀外加剂配置的混凝土抗渗性能在后期不但能够保持而且有较大的提高。
5 机理分析
耐腐蚀外加剂含有机活性激发剂等,能够加速水泥的水化,同时有高活性SiO2 等,参与胶凝材料的二次水化反应。因此,28 d 的水化产物中C - S -H 凝胶体提高。同时水化产物中不耐腐蚀的氢氧化钙含量降低,水泥石强度提高。
混凝土耐腐蚀外加剂是一种复合型的外加剂,同时含有有机表面活性剂及活性激发剂等在改善混凝土的密实度的同时,能够改善水泥与骨料的界面效果。在普通混凝土中,由于混凝土的泌水等使得界面过渡区中孔隙较大,同时也是氢氧化钙的集聚地。防腐蚀外加剂使得界面过渡区厚度减少,过渡区内的缺陷降低(见图1) ,所以抗干湿腐蚀循环等耐久性的能力大幅度提高。
6 结 论
混凝土耐腐蚀外加剂中含有机活性激发剂等,加速水泥的水化,同时含有高活性SiO2 等,参与胶凝材料的二次水化反应,改善了混凝土中胶结材料与骨料的界面结构。
耐腐蚀外加剂能够有效地提高普通硅酸盐水泥的耐硫酸盐腐蚀能力,28 d 及90 d 的抗蚀系数分别达到1. 12 和1. 11 ,强度稳定增加。耐腐蚀外加剂配置的防腐蚀混凝土在高浓度盐溶液中经过110 d(次) 干湿循环,腐蚀循环系数为1. 35～1. 38 ,比普通混凝土提高75 %以上,具有很高的抗腐蚀干湿循环能力;在氯离子渗透试验方面,耐腐蚀外加剂混凝土28 d、90 d 渗透系数分别为普通混凝土28 d 的51. 1 %和12. 8 % ,有效地提高了混凝土的抗渗性,并且后期性能能够保持并有所提高。
参 考 文 献:
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[5 ] 林宝玉,单国良. 南方海港浪溅区钢筋混凝土耐久性研究[J ] . 水运工程,1998 , (1) :1 - 5.
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