取代率对再生混凝土的抗氯离子侵蚀特性影响研究

王多财

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

再生混凝土能够实现建筑废料的再循环利用,处于腐蚀环境中的水工结构如临海工程,对混凝土构件的抗腐蚀性有较高要求,因此再生混凝土的抗腐蚀性特征成为该类水工结构在一定时期内有效发挥其功能的关键。

目前,许多学者对混凝土的抗腐蚀性问题进行了相关研究。刘冰宇等[1]通过自行设计的方法,研究了陶粒混凝土对重污染水的抗侵蚀性能。结果表明,通过自行设计方法得到的混凝土抗侵蚀系数与实际试验结果值相关系数最高。梁咏宁等[2]通过对掺入不同掺合料与掺量的混凝土进行抗硫酸盐侵蚀特性分析,结果表明,不同的掺合料在混凝土的抗硫酸盐侵蚀方面发挥着不同的作用,且掺量大小影响其作用强度大小。王军等[3]通过试验方法,研究了普通混凝土和高强混凝土在硫酸盐、碳酸盐、氯盐复合溶液的抗侵蚀特性,结果表明,高强混凝土在复合溶液中的抗侵蚀性优于普通混凝土,复合溶液的侵蚀性大于单一溶液。王信刚等[4]通过X射线衍射仪和环境扫描电镜,研究了采用不同水泥预制的混凝土在硫酸盐溶液和碱溶液中的抗侵蚀性能。结果表明,普通水泥预制的混凝土对硫酸盐溶液的抗侵蚀性优于碱性水泥预制的混凝土,碱性水泥预制的混凝土对碱溶液抗侵蚀性优于普通水泥。

上述文献针对各类不同材料预制的混凝土抗侵蚀性能进行了分析,主要研究了添加外掺剂的混凝土抗腐蚀性,而有关粗骨料取代率不同的再生混凝土抗腐蚀性研究较少。因此,本文通过开展对不同粗骨料取代率的混凝土抗氯盐溶液的腐蚀性试验,研究氯盐溶液的腐蚀性环境下的粗骨料最优取代率,以期为再生混凝土在海洋、湖泊等氯离子侵蚀环境下的水利工程中的合理应用提供借鉴。

1 试验设计

本文试验工况设计见表1。干湿循环按照3天一个周期进行,循环方法按照2∶1进行,即两天干燥、一天浸泡;混凝土试样水灰比为0.5,设置再生粗骨料替代率分别为0%、30%、50%、70%、100%,按照水∶水泥∶砂∶石子/粗骨料质量比为1∶2∶2∶3的比例预制混凝土试件,试样尺寸100mm×100mm×100mm。

表1 试验工况设计(质量比)

氯化钠溶液浓度为2.5%,循环天数分别为90、180、270天。表1中的NO.1-NO.18不同工况试样,在氯化钠腐蚀性溶液中按照2∶1的干湿循环方案,经历不同的循环天数后,将试样从溶液中取出,通过台式多用钻床钻取试样不同深度处的粉末,采用ZDJ-4A自动电位滴定仪对其内的自由氯离子浓度和总氯离子浓度进行测量。

2 试验结果

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历不同的循环天数干湿循环试验后,分析其抗氯离子扩散能力和混凝土材料与氯离子结合能力的变化。采用试样不同深度处的自由氯离子浓度,量化其抗氯离子扩散能力的变化;采用总氯离子浓度与自由氯离子浓度的比,量化混凝土材料和氯离子的结合能力变化。通过测定表1中不同试验工况下试样各循环天数后的自由氯离子浓度和总氯离子浓度,获得不同干湿循环天数后试样中自由氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图,见图1、图2、图3;不同干湿循环天数后,试样中总氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图4、图5、图6。

图1 自由氯离子浓度随深度的变化(90天)

图2 自由氯离子浓度随深度的变化(180天)

图3 自由氯离子浓度随深度的变化(270天)

图4 总氯离子浓度随深度的变化(90天)

图5 总氯离子浓度随深度的变化(180天)

图6 总氯离子浓度随深度的变化(270天)

2.1 自由氯离子浓度变化

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历90天的循环天数干湿循环试验后,分析其抗氯离子扩散能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中自由氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图1。

由图1可知,在同一深度处,随着替代率的增大,自由氯离子浓度逐渐增大,如在2.5mm深度处,替代率分别为0%、30%、50%、70%、100%的试样,对应的氯离子浓度分别为0.72%、0.74%、0.75%、0.78%、0.85%;每一替代率的试样,氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率70%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的自由氯离子含量分别为0.78%、0.4%、0.26%、0.22%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯离子增大。

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历180天的循环天数干湿循环试验后,分析其抗氯离子扩散能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中自由氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图2。

由图2可知,在同一深度处,随着替代率的增大,自由氯离子浓度逐渐增大,如在7.5mm深度处,替代率分别为0%、30%、50%、70%、100%的试样,对应的氯离子浓度分别为0.55%、0.57%、0.6%、0.75%、0.95%;每一替代率的试样,氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率50%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的自由氯离子含量分别为0.98%、0.6%、0.4%、0.32%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯离子增大。

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历270天的循环天数干湿循环试验后,分析其抗氯离子扩散能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中自由氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图3。

由图3可知,在同一深度处,随着替代率的增大,自由氯离子浓度逐渐增大,如在12.5mm深度处,替代率分别为0%、30%、50%、70%、100%的试样,对应的氯离子浓度分别为0.62%、0.68%、0.7%、0.78%、0.84%;每一替代率的试样,氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率30%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的自由氯离子含量分别为1.22%、0.94%、0.68%、0.62%,表明粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯离子增大。

2.2 总氯离子浓度变化

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历90天的循环天数干湿循环试验后,分析其混凝土材料和氯离子的结合能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中总氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图4。

由图4可知,排除替代率为0%的试样,在同一深度处,随着替代率的增大,总氯离子浓度逐渐增大,如在2.5mm深度处,替代率分别为30%、50%、70%、100%的试样对应的氯离子浓度分别为0.84%、0.96%、1.0%、1.15%;每一替代率的试样,总氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率70%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的总氯离子含量分别为1.0%、0.6%、0.4%、0.34%。可以看出,粗骨料替代率的增大对混凝土的抗侵蚀特性不利,但考虑0%替代率和30%替代率之间的反差可以得出,适当的粗骨料替代率可以降低混凝土与氯离子的结合能力,提高抗侵蚀特性。

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历180天的循环天数干湿循环试验后,分析其混凝土材料和氯离子的结合能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中总氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图5。

由图5可知,排除替代率为0%的试样,在同一深度处,随着替代率的增大,总氯离子浓度逐渐增大,如在2.5mm深度处,替代率分别为30%、50%、70%、100%的试样对应的氯离子浓度分别为1.18%、1.34%、1.5%、1.6%;每一替代率的试样,总氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率50%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的总氯离子含量分别为1.34%、0.76%、0.55%、0.51%。可以看出,粗骨料替代率的增大对混凝土的抗侵蚀特性不利,但考虑0%替代率和30%替代率之间的反差可以得出,适当的粗骨料替代率可以降低混凝土与氯离子的结合能力,提高抗侵蚀特性。

为了研究不同粗骨料替代率的混凝土试样,按照2∶1的干湿循环制度,在氯化钠溶液中经历270天的循环天数干湿循环试验后,分析其混凝土材料和氯离子的结合能力,不同干湿循环天数后NO.1-NO.18试样中总氯离子浓度随侵入深度变化的关系曲线图见图6。

由图6可知,排除替代率为0%的试样,在同一深度处,随着替代率的增大,总氯离子浓度逐渐增大,如在12.5mm深度处,替代率分别为30%、50%、70%、100%的试样对应的总氯离子浓度分别为0.8%、0.9%、1.06%、1.18%;每一替代率的试样,总氯离子含量随着侵入深度的增加而逐渐减小,如替代率70%的试样在2.5、7.5、12.5、17.5mm侵入深度处的总氯离子含量分别为1.77%、1.44%、1.06%、0.84%。可以看出,粗骨料替代率的增大对混凝土的抗侵蚀特性不利,但考虑0%替代率和30%替代率之间的反差可以得出,适当的粗骨料替代率可以降低混凝土与氯离子的结合能力,提高抗侵蚀特性。

经过270天干湿循环后,不同粗骨料取代率试样不同深度处的自由氯离子和总氯离子浓度之间的关系可以用线性关系进行拟合,粗骨料取代率为0%、30%、50%、70%、100%试样的拟合公式分别见式(1)-式(5),相应粗骨料取代率下的氯离子与混凝土的结合能力分别为0.307 9、0.316 9、0.325 5、0.330 0、0.335 5。

Ct=1.3079Cf

(1)

Ct=1.3169Cf

(2)

Ct=1.3255Cf

(3)

Ct=1.3300Cf

(4)

Ct=1.3355Cf

(5)

式中:Ct为总氯离子浓度;Cf为自由氯离子浓度。

3 结 论

本文采用不同粗骨料取代率的混凝土试验进行了抗氯离子腐蚀的试验研究,通过测定试样不同深度处的自由氯离子和总氯离子含量变化情况,结论如下:

1)NO.1-NO.18组试样经过不同天数的循环后,不同深度处的自由氯离子均随着粗骨料替代率的增大而增大,经过相同天数的干湿循环,粗骨料替代率的增大使得混凝土中的自由氯离子增大。

2)NO.4-NO.18组试样经过不同天数的干湿循环后,试样中的总氯离子含量随着替代率的增大而增大,单纯考虑NO.1-NO.3试样与 NO.4-NO.6组试样,不同粗骨料取代率试样不同深度处的自由氯离子和总氯离子浓度的关系符合线性比例关系。

3)粗骨料取代率为0%、30%、50%、70%、100%的氯离子,与混凝土的结合能力分别为0.307 9、0.316 9、0.325 5、0.330 0、0.335 5。在实际工程应用再生混凝土时,应根据其采用的粗骨料取代率,合理预测其有效服务年限。