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混凝土抗氯离子渗透性能研究现状

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2018/12/20 11:11
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 1 前言 

  混凝土抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透性能。美国的Mehta,英国的Neville以及我国著名混凝土专家吴中伟院士等都认为:大幅度提高混凝土抗渗性,是改善混凝土耐久性的关键 。 

  氯离子渗透性反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向混凝土内部侵入的能力,是评价混凝土耐久性的重要手段之一。 

  2 混凝土抗氯离子渗透性研究现状 

  2.1 氯离子渗透性试验方法 

  氯离子渗透性试验方法总结起来可分为两大类:一类是自然扩散法,一般用Fick第二定律来计算氯离子扩散系数;另一类是外加电场的加速扩散法,利用外加电场使混凝土中氯离子加速扩散,测出混凝土的导电能力,再将混凝土试样的导电能力作为评价渗透性的指标。与需要时间较长的自然扩散法相比,加速扩散法快速、简便,大部分试验都采用了这种方法。目前应用最多的美国ASTM C1202和AASHTO T277两个标准所使用的直流电量法就属于这一类,其它的还有NEL法和RCM法等。 

  2.1.1 电量法 

  按ASTM C1202标准,测试氯离子的渗透性,其基本原理如下:将饱水的直径为100mm、高为50mm圆柱体试样放在一个两端装有液体的容器中,一端装满3%的NaCl溶液,另一端装满0.3mol/LNaOH溶液,负极与NaCl溶液相连,正极与NaOH溶液相连。施加60V直流电压,NaCl溶液中带负电的氯离子将从试样中向正极迁移,相应电位就会增大。通过在一定时间(6h)测得通过试样的库仑电量值,可推算混凝土中氯离子的渗透率,电量值越大,渗透率越大。 

  2.1.2 NEL法 

  NEL法是清华大学路新瀛教授基于离子扩散和电迁移基础上提出的试验方法,实际上是饱盐混凝土电导率法。其基本原理是:在Fick第二定律的基础上,把混凝土看成固体电解质,那么带电粒子在混凝土中的扩散系数与其偏电导满足Nernst-Einstein方程,NEL法通过将混凝土试块真空饱盐,使其氯离子的迁移数最大限度的趋近于1.0,并假定粒子浓度为混凝土孔溶液中氯离子浓度或者是所用盐溶液中氯离子的浓度,通过测定饱盐后混凝土的电导率,再由Nernst-Einstein方程推算得出氯离子在混凝土中的扩散系数。 

  2.1.3 RCM法 

  RCM法是一种通过电场加速氯离子扩散的试验方法,试验装置简单方便,可以快速测定混凝土氯离子扩散系数。试验采用30V直流电,阳极溶液为0.2mol/L含5%NaCl的KOH溶液,阴极溶液为0.2mol/LKOH溶液。试验经一定时间后取出试样在压力机上劈成两半,表面喷涂0.1mol/LAgNO3溶液,约15min后观察到白色硝酸银沉淀。喷AgNO3溶液的试样约一天左右,含有氯离子的部分将变成紫罗兰色,测量显色分界线离试件底面的距离,计算所得的平均值即为显色深度。 

  2.2 掺合料对氯离子渗透性能的影响 

  2.2.1 硅灰对抗氯离子渗透性能的影响 

  硅灰掺入到混凝土中,由于其球状的表面形态和很大的比表面积,它能有效地填充水泥颗粒、凝胶产物之间的空隙,使水泥石和界面过渡区之间更加致密,从而大大降低了混凝土的孔隙率,并使孔径减小,提高孔的曲折度,改善了孔隙特征,有效地延长了毛细孔通道,特别是对混凝土中粗孔的孔隙率降低作用相当明显,阻断了可能形成的渗透通道,从而提高硅灰混凝土抗氯离子渗透性能。 

  此外,在混凝土水化中硅灰的加入增加了水化产物的数量,硅灰的二次水化反应会消耗体系中的Ca(OH)2,生成较多的C-S-H凝胶。C-S-H凝胶由于其较大的比表面积,通过双电层作用,对氯离子产生较强的吸附固化作用,从而减少游离氯离子的数量,减轻氯离子对混凝土的裂化作用。 

  一般随着硅粉掺量的增加,混凝土的抗氯离子渗透能力也会随之提高,但当硅粉掺量超过20%时,混凝土的抗氯离子渗透能力的提高幅度远不如10%掺量,而且混凝土的一些性能比如抗磨蚀性开始下降,一般认为,硅粉的适宜掺量应控制在10%左右。 

  2.2.2 粉煤灰对抗氯离子渗透性能的影响 

  在外界氯离子环境下,用粉煤灰部分取代水泥可以提高水泥的氯离子吸附能力。粉煤灰能够增加氯离子吸附可能是由于粉煤灰中的Al2O3导致了Friedel的形成。首先粉煤灰取代了部分水泥,有效的降低了水化热。随着浆体的硬化,粉煤灰的填充密实效应逐渐得到发挥,降低了混凝土孔隙率,改善了孔隙特征,有效地延长了毛细孔通道,特别是对混凝土中粗孔的孔隙率降低作用相当明显,阻断了可能形成的渗透通道,从而提高混凝土抗氯离子渗透性能。其次是粉煤灰的活性效应,随着养护龄期的增长,粉煤灰与Ca(OH)2发生二次水化反应生成更加稳定的低碱C-S-H和C4AH9,减少结晶粗大的水化产物Ca(OH)2的数量及其在水泥石—集料界面过渡区的富集与定向排列,从而优化界面结构,使结构更为致密。上述反应几乎都是在水泥孔隙中进行,大大降低了混凝土内部的孔隙率,改变了孔结构,提高了混凝土的密实性。 

  2.2.3 矿渣对抗氯离子渗透性能的影响 

  在外界氯离子环境下,掺入矿渣可以提高水泥对氯离子吸附能力。掺矿渣的水泥具有高的氯离子吸附能力可能是由于矿渣中Al2O3导致了Friedel的形成。也有人将矿渣—水泥浆体具有高的氯离子吸附能力归因于矿渣稀释了体系中硫酸盐含量。由于矿渣对混凝土孔隙率以及孔径分布的改善作用,其对混凝土的强度起到增强的作用,加之矿渣吸附氯离子能力增强,所以掺矿渣的混凝土试件氯离子扩散系数降低。由于矿渣的活性较高.所以其对混凝土抗氯离子渗透性能的贡献在早期就得以发挥。 

  2.2.4 石粉对抗氯离子渗透性能的影响 

  石粉含量约在8%时混凝土的氯离子扩散系数将超过河砂混凝土,机制砂混凝土氯离子扩散系数增大的原因可能是由于石粉周围有导致氯离子渗透的孔道,掺量越大,渗透能力越强。随着石灰石粉掺量的增加,混凝土的氯离子扩教系数增大,石灰石粉对混凝土抗氯离子渗透有不利的影响。石灰石粉掺量以13%~18%为宜,相同水胶比下,随着石灰石粉掺量的增加,抗氯离子渗透能力逐渐下降:随着水胶比的减小,相同石灰石粉掺量的混凝土抗氯离子渗透能力逐渐提高。 

  3 结论 

  混凝土渗透性是由其微观结构决定的,孔隙率、孔结构和孔隙连通情况都与混凝土抗氯离子渗透性有关,孔结构的改善可以有效的提高混凝土抗氯离子渗透性能。渗透性决定混凝土材料的耐久性,抗氯离子渗透性是评价混凝土耐久性的一种有效的方法和指标。硅灰、粉煤灰、矿渣等掺合料可提高混凝土的抗氯离子渗透性,而石粉对混凝土的抗氯离子渗透性不利。 

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