矿物掺合料与纤维双掺对混凝土抗渗性能的影响及工程应用.pdf

2 0 1 1年第 l O期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 l No1 0 0c t o b e r 矿物掺合料与纤维双掺对混凝土抗渗性能的 影响及工程应用 钱 红萍 ， 李书进 ( 常州工学院土建学院 ， 2 1 3 0 0 0 ) 摘 要 ： 采 用 RC M 氯 离子扩散 系数法和渗 水高度 法 ， 研 究 了粉 煤灰 、 矿 粉 、 P V A纤维、 纤维素纤维 的掺 入对混 凝 土抗渗性 能的影 响。 试验 结果表 明， 粉煤灰和矿粉的掺入 能有效 降低混凝 土中氯离子扩散 系数 和渗 水高度 。 在掺 加矿物掺合料 的基础 上再掺 入纤维混凝土的抗渗性能进一步提 高， 双掺 对混凝土抗渗性能提 高的复合效应明显。 关键 词 ： 矿物掺合料 ； 纤维 ； 抗 渗性 能 Ab s t r a c t ： T h e i n fl u e n c e s o f fl y a s h ， s l a g ， P VA fi b e r a n d c e l l u l o s e fi b e r o n t h e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f c h l o rid e i o n s i n t o c o n c r e t e a r e s t u d i e d ， t h r o u g h u s i n g t h e c h l o ri d e i o n s d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t t e s t m e t h o d( R C M)a n d d e p t h o f w a t e r p e n e t r a t i o n t e s t me t h o d Th e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f fl y a s h a n d s l a g c a n e ff e c t i v e l y r e d u c e t h e c h l o ri d e i o n d i f f u s i o n c o e ff i c i e n t i n c o n c r e t e a n d wa t e r s e e p a g e h e i g h t Mi n e r a l a d mi x t u r e c o n c r e t e mi x e d w i t h fi b e r s c a n f u r t h e r i mp r o v e t h e i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e ，a n d c o mb i n e d a d mi x t u r e s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s a n d fi b e r c a n o b v i o u s l y i mp r o v e t h e i mp e rm e a b i l i t y o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ：Mi n e r a l a d mi x t u r e s ；F i b e r ；I mp e rm e a b i l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文 献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 1 O 一 3 5 0 3 0前 言 随着 高性 能混 凝土在基础设施建设 中的广泛 应用 ， 混凝土耐久性和服役寿命 已成为工程界十分 重视 的问题 ， 而混凝土抗渗性能的优劣则是决定其 耐久性 的首要 因素 。粉煤灰 、 矿粉及各种纤维作为 当前 配制高性能混凝土不可或缺的材料 ， 对混凝土 的增强增韧效果 已得 到大量试验和 工程实践 的证 实 1 - 2 1 。本文从改善混凝土抗渗性能方面考虑 ， 采用 R C M氯离子扩散系数和渗水高度两种方法 ， 研究 了 粉煤灰 、 矿粉 、 P V A纤维 、 纤维素纤维的掺人对混凝 土抗渗透性能的影响 ， 并为依托工程提供了符合工 程抗裂抗渗要求的混凝土配 比。 1 试 验 1 1 原 材料 水泥 ： 4 2 5级普通 硅酸盐水泥 ， 碱含量 ( N a ： O + 0 6 5 8 K z 0) 为 0 4 8 ， 各项力学性能符合标准要求。 粉煤灰 ： I 级粉煤灰。 矿粉 ： 常州某公 司提供的磨细矿粉。 减水剂 ： 聚羧酸高效减水剂 。 纤维 ： 进 口纤维素纤维 和常州某纤 维厂提供的 P V A纤维 ， 二种纤维的物理力学性能指标见表 1 。 1 2 配合 比与试验方法 基 金项 目： 江苏省 交通厅科 技计 划项 目( 0 9 Y1 8 ) 。 表 1 纤维 的技术参数 通过前期对混凝土各种原材料 ( 水泥、 高效减水 剂及矿物掺合料 ) 组成的选择 、 配 比优化 及工程 调 查 ， 确定试验配合 比如表 2 。 表 2混凝土配合比 k g m 3 快速氯离子迁移系数试验方法 ( R C M法 ) ： 制成 1 0 0 mmx 5 0 m m 的圆柱体试件 ， 通过测试混凝土 中氯 离子非稳态快速迁移的扩散系数 ， 评定混凝土的抗 氯离子渗透性能。 试验安装前对试件真空饱水 2 4 h ， 试验室温度控制在( 2 0 + 5 ) o c 。 按照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准 中 规定 的方法进行试验 ， 试验设备见图 l 。 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 6期 图 1 R C M法测定混凝土氯离子非稳态扩散系数 根据 所测 氯 离 子扩 散 深 度 ， 采 用下 式 计 算混 凝 土氯 离子扩 散 系数 ： D 刚= 2 8 7 2 1 0 一 T ( X 一 、 ) ：3 3 3 81 0 式 中， D 删一 R C M 法测试 的混凝土氯离子扩散 系 数 1 0 ， m 2 s ； 7 1 一 阳极电解初始溶液温度平均值 ， K； h一 试件高度 ， m； 一 混凝 土 的显色 深度 ， m； t 一 通 电试验 时 间 ， S ； 一 辅 助负 点 。 常规渗水高度法 ： 采用混凝土抗渗仪测定各种 纤维混凝土抵抗压力水的渗透性。试验时水压恒定 为 1 2 M P a _+ O 0 5 MP a ， 当 6个试件中有某一个试件端 面出现渗水时 ， 则停止试验。对于试件端面未出现 渗水情况 ， 则试验 2 4 h后停止试验， 取出试件。 将试 件劈开 ， 测量渗水高度 ， 以 6个试件 的渗水 高度 的 算术平均值作为该组试件 的平均渗水高度。 2试 验 结果及 分 析 2 1 矿物掺合料对混凝土抗渗性能的影响 混凝土 中的钢筋锈蚀是引起混凝土耐久性失 效 的主要 因素之一 。当氯离子渗入混凝土保护层 ， 并在钢筋表面累积一定浓度后 ， 会破坏钢筋在混凝 土碱环境 中形成 的钝化膜 ， 使钢筋锈蚀 ， 锈蚀产物 的体积膨胀 引起混凝土结构 的胀裂 、 脱落 ， 从而严 重 影 响 混凝 土结 构 物 的使 用 功 能 及 服 役 寿 命 。 因 此 ， 混凝土抵抗氯离子 的渗透性能是衡量其抗渗性 能的一个重要参数。掺加不 同品种矿物掺合料的混 凝土试件氯离子渗透性试验测试参数见表 3。 渗水试验的试验时间为 2 4 h ，未有试件 出现渗 水情况 。不同配合 比的混凝土的氯离子扩散系数和 渗水高度测试结果见表 4 。 由表 4可见 ， 粉煤灰 、 矿粉的掺人对混凝土 的 抗氯离子扩散和抗渗水渗透性有 明显的影 响， 能够 一 3 6一 表 3 不 同矿物掺合料试件的渗透性试验测试值 表 4 不 同矿物掺合料混凝土渗透性测试结果 显著降低混凝土 的氯离子扩散 系数和渗水高度 ， 且 当粉煤灰、 矿粉以 1 ： 1 5的比例复掺时 ， 混凝土( C C) 的氯离子扩散系数和渗水高度均为最低 ， 较不加掺 合料 的混凝土氯离子扩散系数和渗水高度分别 降 低 了 6 2 和 6 3 。 矿物掺合料的形态效应 和微集料填 充效应 ， 使 混凝土 的孔隙率降低 ， 孑 L 径细化 ， 改善 了混凝土 的 微观结构和水化产物的组成 ， 使混凝土 的密实度增 加 。同时 ， 矿物掺合料 的火 山灰效应减少 了水化产 物 中结 晶粗大水化产物 C a ( O H) 的数量 ， 并改善了 其在水泥石一 集料界面过渡区的富集 与定 向排列 ， 优化了界面结构 ， 提高了混凝土中 C l 一 扩散和水渗透 的阻力 ， 减少 了渗水通道。图 2为掺加粉煤灰 、 复掺 粉煤灰和矿粉混凝土的 XR D衍射测试图谱。由图 2 可见 ， 掺加粉煤灰 ， 尤其是 矿粉 和粉煤灰 复掺 时其 水泥水化产物中的 C a ( O H) z 含量明显减少 。 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 O 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 嘣 磐 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 O C CF CC 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 图 2 掺入不同矿物掺合 料水 化产 物的 XR D衍射测试 图谱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱红萍 ， 李书进 矿物掺合料与纤维双掺对混凝土抗渗性能的影响及工程应用 有研究表明I3 卅， 矿物掺合料相对于水泥有着较 强的吸附 C l 一 能力并能与其结合生成盐 ， 同时， 矿物 掺合料的二次水化反应能生成更多碱度较低 的 C S H凝胶 ， 低碱度的水化产物增加了混凝土对 C l 一 的 结合 固化能力 ， 使参与渗透的 C l 一 数量减少 ， 进而降 低了 C l 一 在混凝土中的渗透速度 ，抑制了 C 1 一 在混凝 土 中扩散力 ， 增强了混凝土的抗 C l 一 渗透的能力。 2 2 纤维对混凝土抗渗性能的影响 为研究纤维掺入对混凝 土抗渗性能的影响 ， 本 项 目在粉煤灰 、 矿粉复掺制备的混凝土基材 ( C C) 基 础上 ， 按表 5所示各种纤维掺量 ， 掺加了 P V A纤维 、 纤维素纤维 以及两种混杂纤维 ， 对双掺矿物掺合料 和纤维的混凝土进行 了 C l 一 扩散系数 和渗水高度的 抗渗性能试验 ， 试验结果见表 6 。 表 5 纤维 品种及掺 量 表 6掺不 同纤维混凝 土的渗透性 测试结果 由表 6数据可见 ， 在掺人矿物掺合料 的基础上 再加入纤维 ， 混凝土的 C 1 一 扩散系数和渗水高度进一 步降低 ， 这主要是 由于纤维对混凝土抗裂抗渗能力 的改善 ， 提高了混凝土的抗渗性能。本项 目研究的 前期试 验结果表明l 5 _ ， 纤维素纤维 由于具有 天然 的 亲水性 且尺寸细小 ， 在 混凝 土 中易分散 ， 能均匀分 布于混凝土中形成三维 网络结构 ， 可有效 防止混凝 土因沉降收缩 、 化学收缩等所产生的塑性裂缝 ， P V A 纤维可有效提高混凝土基体的抗拉强度 ， 改善混凝 土的抗裂性能 ， 纤维 的这种阻裂作用使混凝土密实 度得以改善 ， 从而提高了抗渗透性能。由此可见 ， 矿 物掺合 料和纤维双掺能有效提高混凝土 的抗渗性 能。 矿物掺合料和混杂纤维掺人的混凝土( C C H) ， 氯 离子扩散系数和渗水高度较基材 ( C O )分别 降低了 6 5 和 7 0 。 3工 程应 用 本项 目依托工程 为常州市客运 中心及综合 配 套 系统工程 ， 该工程集有火车站 、 城铁站 、 长途客运 站 、 轨 道交通 1号线车站 、 公交 枢纽站 ( 含 B R T支 线 ) 、 社会停车场 、 出租车停靠站等多种交通 功能以 及商业 、 商务办公于一体的现代 化大型综合交通枢 纽 。 地 面总建 筑 面积 1 1 万 m ， 地下 总 建筑 面积 8万 r n 。 地下工程 中预留了地铁车站 ， 车站长 1 8 1 6 m， 标 准段宽 2 2 9 m，埋深 1 9 7 7 m。钢筋混凝土底板厚度 l m， 内衬墙厚度 0 8 l m， 抗渗等级 P 1 0 。 在预留地铁 站底板和墙体 的分别浇筑了纤维素纤维 、 P V A纤维 和两者混杂纤维的混凝土底板和墙板 ， 并采用光纤 光栅应变传感器对 四块不同组分的混凝土墙板 内 部变 形 从 浇筑 后 8 d至 5 1 d进 行 了现 场 监 测 ，以观 测混凝土 的体积稳定性 、 控制开裂 、 提高抗渗性能。 工程 实 践 表 明 ， 在对 施 工 缝 采用 膨 胀 密 封胶 及 全断面注浆管技术的基础上 ， 矿物掺合料纤维混凝 土的应用很好地满足了工程 的抗裂抗渗指标要求。 4 结 论 ( 1 ) 单掺粉煤灰和矿粉均可明显 降低混凝土的 C l 一 扩散系数和渗水高度 ， 两者复掺对提高混凝土抗 渗性能效果最佳。 ( 2 ) 在复掺粉煤灰与矿粉制成混凝土基材中再 掺加 P V A纤维 、 纤维素纤维及两者的混杂 ， 可进一 步提高混凝土的抗渗性能 ， 且混杂纤维与矿物掺合 料 双掺效 果最 好 。 ( 3 ) 矿物掺合料与混杂纤维掺入可使混凝土的 C l 一 扩散系数和渗水高度分别降低 6 5 和 7 0 ， 制备 出氯离子扩散系数为 3 5 x 1 0 2 m2 s的高抗渗性混凝 土材料 ， 应用 于项 目所依 托的地下工程 ， 抗裂抗渗 性能 良好 。 参 考 文 献 ： 1 刘斯 风 ， 秦鸿根 ， 庞超 明 地 铁混凝 土的抗裂 防渗性能 研 究 J 】 三峡大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 8 5 1 2 薛会青， 邓宗才， 李建辉 P V A纤维水 泥基复合材料 的抗 拉性能及韧性研究 【 J J 郑州大 学学 报( 工 学版) ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 9 2 -95 【 3 谷坤鹏 ， 李 漠 ， 时蓓 玲 ， 王成启 矿物掺合料改善混 凝土抗 氯离子渗透性能的研究【 J J 新 型建 筑材料 ， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 1 8 2 0 4 孟振亚 ， 刘 加平 ， 刘 建忠 ， 等 矿物掺合料 的掺 入对 混凝土 抗氯离子渗透性能影 响的评价与研究 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 2 8 -30 ， 3 3 5 钱红萍 ， 李 书进 纤维混凝 土抗裂性能及其工程应 用研究 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 6 ) 收稿 日期 ： 2 01 1 - 0 8 - 0 9 作者 简介 ： 钱红萍 ( 1 9 6 6 一 ) ， 女 ， 硕士 、 副教授 。 通讯 地址 ： 江苏省常州市通江南路 2 9 9号 联 系 电话 ： 1 3 9 61 2 1 8 8 2 5 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m