干湿循环下机制砂粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀性能

延永东, 王 鑫, 陆春华, 陶松涛, 季光前

(江苏大学 土木工程与力学学院, 江苏 镇江 212013)

机制砂(manufactured sand,MS)是由岩石、矿山尾矿或工业废渣经过加工制成的人工细骨料,从材料本身来看是河砂的优良替代品.近年来,多地政府出台了大力发展机制砂混凝土(manufactured sand concrete,MSC)的相关政策,采用机制砂混凝土进行工程建设已成为未来的发展趋势.但是与天然砂相比,通过机械破碎制成的机制砂中石粉质量分数、颗粒形状及其表面性能等都有很大的差异.

由于机制砂来源及生成方式不同,机制砂混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能均与传统混凝土有所不同.文献[1]研究发现机制砂与天然砂按一定比例混合后,具有优于天然砂的性能.文献[2]将硫酸钙晶须加入机制砂混凝土中,研究其对石粉的改性作用,发现未掺硫酸钙的机制砂混凝土强度随着石粉质量分数的增加而降低,加入晶须后可使极限石粉质量分数提升至15%,此时机制砂混凝土的强度与弹性模量最高.对氯盐环境下服役的机制砂混凝土来说,其抗氯离子侵蚀性能对其耐久性寿命有重要影响.因此,为探究机制砂混凝土在沿海环境的应用情况,有必要对其抗氯离子侵蚀性能进行研究.文献[3]研究发现,机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能随花岗斑岩石粉掺量的增加而提高,且在掺量为8%时达到峰值,当掺量大于8%时,机制砂混凝土的力学性能和耐久性能发生不同程度降低.文献[4-5]研究了石粉质量分数对不同机制砂混凝土耐久性能的影响,均发现加入质量分数为7%的石粉可使混凝土的性能达到最佳,且优于河砂混凝土.文献[6]研究发现:适量石粉能有效提高混凝土抗渗性能;由于机制砂中的细粉是由与母岩化学成分相同的石粉和黏土质泥粉组成的混合物,石粉和泥粉的吸附性能存在显著差异,因此可依据GB/T 14684—2022《建设用砂》,采用亚甲蓝值来表征细粉颗粒吸附性能.文献[7]研究发现,对C30、C60混凝土,亚甲蓝值分别超过10 g/kg和7 g/kg后,其抗氯离子渗透性能会降低.文献[8]发现适量的凝灰岩粉能显著改善混凝土的氯离子结合能力.文献[9]发现加入质量分数为0～10%的石粉有利于提高机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能.文献[10]对水泥基机制砂浆进行瞬态电迁移试验,发现环氧树脂机制砂浆的抗氯离子扩散性能较好,但若采用掺量为100%的机制砂,其氯离子扩散系数将增大.综上,机制砂掺量、石粉质量分数等因素对机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能有一定影响,但影响规律尚不明确.

为进一步探究海洋环境下机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能及其影响因素,笔者考虑机制砂替代率、粉煤灰掺量和机制砂中石粉质量分数等因素的影响,开展干湿循环下的氯盐侵蚀试验,分析各参数对机制砂混凝土内氯离子传输的影响,并根据试验结果预测机制砂混凝土在干湿循环条件下的耐久性寿命.

1 抗氯离子侵蚀试验

1.1 试验材料

试验采用江苏鹤林P.O 42.5普通硅酸盐水泥,初凝时间为140 min,终凝时间为260 min,标准稠度用水量为26.5%,沸煮安定性合格,龄期为3、28 d时的抗压强度分别为27.1、42.5 MPa,表观密度为3 100 kg/m3.细骨料采用天然河砂和机制砂,其中机制砂来自福建省三明市某矿山,细骨料物理性能指标如表1所示.细骨料的级配数据如表2所示.

表1 细骨料物理性能指标

表2 细骨料级配数据

由表2可知,天然砂在Ⅱ区级配范围内,机制砂在Ⅰ区级配范围内,两种砂的级配有所区别,但均满足GB/T 14684—2022要求.粗骨料采用粒径为5～20 mm的连续级配碎石,表观密度为2 630 kg/m3.拌和水为自来水.由于目前氯盐环境下服役的实际混凝土一般掺加粉煤灰以增强其耐久性,因此,笔者同时还研究粉煤灰掺量对机制砂混凝土耐久性的影响.其中,粉煤灰为镇江高资电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,表观密度为2 300 kg/m3;减水剂采用聚羧酸高性能减水剂;缓凝剂采用羟丙基甲基纤维素醚.混凝土水胶质量比均为0.38.各编号机制砂混凝土内的水、碎石、减水剂和纤维素醚的用量分别为157.0、957.0、6.2和6.2 kg/m3.不同编号机制砂混凝土水泥、粉煤灰及细骨料用量如表3所示,其中E为机制砂替代率,其后数字0、3、5和7分别表示混凝土内机制砂质量为细骨料质量的0%、30%、50%和70%;F为粉煤灰掺量,其后数字0、2、3和4分别表示粉煤灰用量为胶凝材料用量的0%、20%、30%和40%;S为机制砂内的石粉质量分数,其后数字0、1和2分别表示石粉质量分数为0%、5.8%和11.6%.

表3 水泥、粉煤灰及细骨料用量 kg/m3

1.2 试验方法

评价氯离子在混凝土内传输行为的指标主要包括暴露一定时期后氯离子在混凝土内的质量分数分布、氯离子扩散系数等.不同深度的氯离子质量分数分布的检测方法如下:每种配合比浇筑一个150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件,标准养护到28 d后取出,待表面自然晾干后,将试件的一个浇筑侧面作为侵蚀面,其余表面用环氧树脂密封处理;然后将试件置于质量分数为7%的NaCl溶液中进行“3 d干燥-3 d浸泡”的干湿循环试验,其过程如图1所示.

图1 机制砂混凝土干湿循环过程

由图1可见,浸泡时,试件侵蚀面朝上,溶液高于侵蚀面不少于20 mm,分别于浸泡90 d和180 d后将试件取出,进行自然晾干.再用钻孔机从暴露表面向试样内每隔5 mm钻孔,取粉样一次,同一龄期下每个试件在3个位置上进行取样,并将相同深度的3个粉样混合,保证每一个深度的粉样总质量不少于5.0 g.然后烘干粉样,并筛除粒径大于0.63 mm的粉样,在剩下的粉样中取1.5 g浸泡于10 mL蒸馏水中,搅拌均匀后静置24 h.最后用离子选择电极法测定其电位,然后采用文献[11]方法,根据预先标定的参数值,将测得的电位转化为自由氯离子质量分数.

测得随深度分布的氯离子质量分数后,根据Fick第二定律的理论解,对同一试件的氯离子质量分数进行回归,可得出整个干湿循环期间混凝土的氯离子表观扩散系数.同时,为了得到某一龄期的氯离子扩散系数,笔者采用GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中推荐的非稳态电场加速氯离子迁移试验(RCM法),测试养护至28 d和56 d混凝土的氯离子扩散系数.

2 试验结果与分析

2.1 机制砂替代率的影响

氯盐环境下,干湿循环90、180 d时,不同机制砂替代率wj下混凝土内自由氯离子质量分数变化曲线如图2所示.由图2可知:混凝土内氯离子质量分数随深度增加而逐渐减小;与天然砂混凝土相比,同一深度机制砂混凝土内氯离子质量分数有所减小,说明掺入机制砂可以提高混凝土抗氯离子侵蚀性能,其中机制砂替代率为50%时氯离子质量分数最小.可见,本研究中机制砂最优替代率为50%.这是因为机制砂粗糙多棱角的特性与适量石粉的填充,使混凝土结构内部更加致密,导致其抗氯离子渗透性能有所提高;当机制砂替代率大于5%时,混凝土内石粉质量分数相应增加,超出填充孔隙所需,多余石粉会吸附游离水,且在内部进行堆积,从而使混凝土内部密实性减小,氯离子侵蚀速度加快.

图2 不同机制砂替代率下氯离子质量分数变化曲线

2.2 粉煤灰掺量的影响

氯盐溶液环境下,干湿循环90、180 d时,不同粉煤灰掺量wm的机制砂混凝土内自由氯离子质量分数变化曲线如图3所示.由图3可知,相同深度处,掺入30%粉煤灰的机制砂混凝土在两种龄期下的自由氯离子质量分数均最小,说明粉煤灰掺量为30%时,机制砂混凝土抗氯离子侵蚀性能最佳.

图3 在不同粉煤灰掺量下氯离子质量分数变化曲线

造成这一现象的主要原因如下:粉煤灰可以与混凝土内的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝,生成的产物部分或全部填充了混凝土内部孔隙,使其密实度提高,因此合适掺量的粉煤灰可提高机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能;当粉煤灰过多时,其与Ca(OH)2的反应会消耗大量水,造成部分水泥无法水化,多余粉煤灰也会在混凝土内堆积,造成机制砂混凝土抗氯离子渗透性能减弱.

2.3 石粉质量分数的影响

氯盐溶液环境下,干湿循环90、180 d时,不同石粉质量分数ws的机制砂混凝土内的自由氯离子质量分数变化曲线如图4所示.由图4可知:在0～20 mm深度内,氯离子质量分数较大,此时石粉质量分数为5.8%机制砂混凝土内的氯离子质量分数最低,表明其抗氯离子侵蚀性能最好;无石粉机制砂混凝土内的氯离子质量分数次之,说明机制砂内含有合适质量分数的石粉对混凝土的抗氯离子侵蚀性能有一定好处.

图4 不同石粉质量分数下氯离子质量分数变化曲线

造成上述现象的主要原因如下:石粉可以填充机制砂混凝土的部分孔隙结构,使其内部更加致密,从而减小了氯离子的侵蚀速度;当石粉质量分数较少时,随石粉质量分数增加,混凝土中被填充的孔隙增多,其抗氯离子渗透性能也越好;当超过混凝土孔隙填充所需时,剩余石粉会堆积在混凝土内部,使其致密性降低,为氯离子侵入混凝土增加新的通道.

2.4 氯离子扩散系数分析

干湿循环条件下,氯离子在机制砂混凝土内的传输方式比较复杂,尤其是混凝土表层(约为0～7 mm)的氯离子,在干燥和湿润过程中有不同的传输方式.但在混凝土内部,氯离子基本以浓度梯度驱动的扩散方式传输,可近似用Fick第二定律来描述其传输过程.另外,氯离子在混凝土内以自由氯离子和结合氯离子的形式并存,其一维状态下的传输方程[12]为

(1)

式中:t为服役时间;D为氯离子在混凝土内的扩散系数,m2/s;wt为距离混凝土侵蚀表面x处的总氯离子质量分数,wt=wf+wb,wf和wb分别为混凝土内自由氯离子和结合氯离子的质量分数.

用R表示氯离子与混凝土的结合能力,R=wf/wt,根据文献[13],R=0.85.

在本试验条件下,上述方程的初始条件为混凝土内部的初始氯离子质量分数w0,即w(x>0,t=0)=w0;边界条件为混凝土表面的氯离子质量分数wc,即w(x=0,t>0)=wc.由此可以得到式(1)的如下解析解:

(2)

根据式(2),对侵蚀90、180 d后机制砂混凝土各深度处的氯离子质量分数进行拟合.为消除表面其他传输方式的影响,拟合时不考虑0～5 mm处的氯离子质量分数.图5为采用干湿循环后取样测试法(RCT法)得到的机制砂混凝土中氯离子表观扩散系数变化的曲线.图6为采用RCM法得到的对应配合比混凝土的氯离子扩散系数变化的曲线.

图5 RCT法测得的氯离子表观扩散系数变化的曲线

图6 RCM法得到的氯离子扩散系数变化的曲线

由图5、6可知:受到水泥持续水化的影响,同一试验方法得到的机制砂混凝土的氯离子扩散系数均随龄期增加而减小,这是因为随着龄期增加,混凝土水化产物不断增加,使其内部结构逐渐致密,混凝土的氯离子扩散系数逐渐减小;随着机制砂替代率的增加,90 d和180 d龄期下相同配合比混凝土的氯离子表观扩散系数均先减小,后增大,机制砂替代率为50%时混凝土氯离子扩散系数最小(见图5a、6a);随着粉煤灰掺量增加,两种龄期下机制砂混凝土的氯离子扩散系数先减小,后增大,其中粉煤灰掺量为30%时机制砂混凝土的氯离子扩散系数最小(见图5b、6b);与不掺石粉及掺加11.6%石粉的机制砂混凝土相比,掺加5.8%石粉的机制砂混凝土的氯离子扩散系数最小(见图5c、6 c).

上述结果再次说明,机制砂替代率、粉煤灰掺量和石粉质量分数对混凝土内的氯离子传输速率有一定影响,三者在机制砂混凝土内均有最优取值.

3 干湿循环下耐久性寿命预测

已有研究[14-15]表明,海洋环境下海水干湿交替区是氯离子侵蚀最为严重的区域,也是混凝土结构耐久性寿命最不易得到保证的区域.为推广机制砂混凝土在沿海环境中的使用,有必要提前对此环境下服役的机制砂混凝土耐久性寿命进行预测.可采用确定性分析或概率分析的方法进行混凝土耐久性寿命预测.由于目前采用机制砂拌制的混凝土在氯盐环境下使用寿命较短,暂无法得到关键参数的统计值,因此笔者采用确定性方法进行近似分析.

氯盐环境下服役的钢筋混凝土结构耐久性极限状态有钢筋脱钝、混凝土锈胀开裂、承载力达到极限等.由于钢筋脱钝后混凝土结构性能劣化较快,剩余寿命较短,因此国内外许多学者将钢筋表面氯离子质量分数达到阈值作为氯盐环境下服役的钢筋混凝土结构的耐久性极限状态.计算公式如下:

wf(w,t)≤wf,cr,

(3)

式中:wf,cr为钢筋脱钝时的临界自由氯离子质量分数.wf(w,t)可利用式(2)来计算.当计算得到的wf(w,t)刚好满足式(3)时,所对应的服役时间t即为混凝土结构的近似耐久性寿命.

采用式(2)计算时,混凝土的表面自由氯离子质量分数wc采用欧洲规范DuraCrete推荐的公式[16]进行计算,即

wc=Ac(m(水)/m(胶)),

(4)

式中:Ac为拟合系数,对于海水干湿循环区可取值为7.76%;m(水)/m(胶)为混凝土水胶比,本试验中取值为0.38.由此得到混凝土表面氯离子质量分数为2.95%.

不同机制砂替代率混凝土的氯离子表观扩散系数由式(2)拟合得到,混凝土保护层厚度为50 mm,wf,cr为0.2%[17].根据以上数据,得到机制砂替代率分别为0%、30%、50%和70%的混凝土内钢筋表面氯离子质量分数变化的曲线及对应的耐久性寿命预测值(t0、t30、t50和t70)如图7所示.由图7可知:随着机制砂替代率增大,混凝土内部50 mm深度处达到临界氯离子质量分数所需的侵蚀时间呈先增加、后减少的趋势;机制砂替代率分别为30%、50%和70%时,对应的机制砂混凝土的耐久性寿命预测值为68.83、88.94和77.76 a,分别为天然砂混凝土的1.26、1.63和1.43倍,这说明掺入适量机制砂可以有效提高混凝土在氯盐环境下的耐久性寿命;当机制砂替代率超过一定范围时,混凝土耐久性寿命会逐渐缩短.因此,在耐久性要求较高的沿海工程中,建议采用机制砂与天然砂混合的方式配制混凝土,其中机制砂替代率宜控制在50%左右.

图7 不同机制砂替代率下,氯离子质量分数

4 结 论

1) 随着机制砂替代率的增加,混凝土中的氯离子扩散系数呈先减小、后增大的趋势,抗氯离子渗透性能呈先增强、后减弱的趋势,当机制砂替代率为50%时混凝土抗氯离子渗透性能最好.

2) 机制砂混凝土内掺入适量粉煤灰可以提高其抗氯离子侵蚀性能,但粉煤灰掺量不宜过大,否则会降低机制砂混凝土的抗氯离子侵蚀性能,本试验得到的最优粉煤灰掺量为30%.

3) 机制砂内含有适量石粉可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能,但不宜太多,否则会减小混凝土的抗氯离子渗透性能,其最佳值为5.8%.

4) 海水干湿循环下机制砂混凝土耐久性寿命预测结果表明,机制砂掺量为50%的混凝土在氯盐环境中的耐久性寿命最长.因此,在耐久性要求较高的沿海工程中,建议采用机制砂与天然砂混合的方式配制混凝土,其中机制砂替代率宜控制在50%左右.