粉煤灰对混凝土表面氯离子浓度的影响.pdf

第 2 7卷第 4期 2 0 1 0年 l 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vo 1 2 7 N o 4 De c 201 0 粉煤灰对混 凝土表 面氯离子浓度 的影响 江大虎 ， 张云清 ， 余红发 ， 胡 蝶 ( 1 南京航空航天大学土木工程系， 江苏南京2 1 0 0 1 6 ； 2 南京联勘科技有限公司，江苏南京2 1 0 0 1 9 ) 摘要： 用自然扩散法测定了混凝土中的自由氯离子浓度 ， 计算了普通混凝土( O r d i n a r y P o r t l a n d c o n c r e t e ， O P C ) 和粉煤灰混凝土( F l y a s h c o n c r e t e ， F A C ) 表面氯离子的浓度值， 研究了暴露于海水前的养护龄期、 暴露时间、 粉 煤灰( F l y a s h ， F A) 掺量对混凝土表面氯离子浓度的影响。结果表明： 在海水环境中， 混凝土的表面氯离子浓度 均 随着暴露于海水前 的养 护龄期 的延长而减小 ， 随着暴露 时间 的延长 而增加 。F A C的表 面氯离 子浓度 基本上 随着 F A掺量 的增加不 断减小。因此 ， 对于实 际海 洋环境下 的混凝 士结构 ， 在保证 结构强 度的前提 下应 尽量增 加 F A的掺量 ， 同时延长潮湿养护 的时间 ， 有 利于提高结 构的服役寿命。 关键词 ： 混凝 土 ； 粉煤灰 ； 氯离子扩散 ； 表 面氯离子浓度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 0 1 7 - 0 4 在海洋 、 除冰盐和盐湖等氯盐环境条件下 ， 钢 筋锈蚀是导致混凝 土结构失效 的最重要 原 因之 一 ，而混凝土的 C l 一 离子 扩散是造成钢筋锈蚀 的 主要原因 ， 决定 了结构 的使用寿命 2 J 。氯离子 扩散 是 由于氯离子 的浓度差引起 的 ， 在氯离子 扩散过程 中， 表面氯离子浓度越高 ， 内外部氯离子 浓度差就越大 ， 扩散至混凝土 内部 的氯离子就越 多 ， 那么结构 的服役寿命就越短 。从 F i c k第二定 律 的解析表达式 中可以看 出， 混凝 土结构 的表 面氯离子浓度是 影响结构耐久 性 的一 个重要 因 素 。本文主要研究粉煤灰对混凝土表面氯离子浓 度 的影响规律 ， 并建立相应的相关关系。 1 实验 1 1原 材料 江南水泥厂生产 的金宁羊牌 P I I 4 2 5型硅 酸盐水泥 ， 基本物理力学性能见表 I ， 化学组分见 表 2 。青海桥头电厂生产的粉煤灰 ( F l y a s h ， F A) ， 细度为 0 0 4 5 mm方孔筛 的筛 余率 1 4 4 ， 化学 成分参见表 2 。河砂 ， 表观密度 2 6 0 5 k g m ， 含泥 量 1 0 ， 细度模数 2 7 4 ， 属于 中砂 ， 区级 配。 玄武岩碎石 ， 最大粒径 1 2 mm， 属于 51 6 mm连 续级配。江苏建筑科学研究 院生产 的 J M B型萘 系高效减水剂 ， 减水率达 2 0 以上 ， N a S O 含量 小于 2 ， C 1 一 含量小于 0 0 1 。 自来水。 表 1 水 泥的物理力学性能 细度 妾 凝结时间 标准 抗折强度抗压强度 m 2 k g 癸 3 1 5 0 3 3 4 1 1 0 3 1 5 9 2 6 0 0 6 4 9 2 3 5 4 6 5 2 表 2 主 要胶 凝材料的化学成分 ( 叭 ) 原材料 S i O 2 A 1 2 0 3 C a O M g O S O 3 F e 2 0 3 N a 2 0 0 I L 水泥2 1 5 3 4 6 O 6 4 。 0 9 0 9 6 2 0 9 3 3 7 0 1 2 0 6 2 1 8 4 粉煤灰 5 2 3 7 3 2 1 3 2 1 6 0 4 7 0 3 3 4 1 3 0 2 5 0 6 1 1 3 0 1 2 混凝 土 配合 比 表 3是混凝 土的配合 比和坍落度。其 中 ， 普 通混凝土 ( O r d i n a r y P o r t l a n d c o n c r e t e ， O P C ) 内 的 配合 比为 ： 水泥用量 5 0 0 k g n l 。 ， 水灰 比0 3 4 。依 此 为基础 ， 设 计 了 F A 掺量 分别 为 1 0 ， 2 0 ， 3 0 和 4 0 的系列粉煤 灰混凝 土 ( F l y a s h c o n c r e t e ， F A C) F 1F 4 。 表 3混凝 土的配合 比和坍落度 娘 县 水 胶比望 焦 签 盟 塑 旦 量 ： ： ： 坍 落 度 ( W B )水泥 F A 砂石 水减水剂引气剂 m m F D O 3 4 5 0 0 0 6 5 7 1 1 6 8 1 6 8 5 6 O 0 4 1 9 5 Fl O 3 4 4 5 0 5 0 6 5 7 1 1 6 8 1 6 8 5 6 O 04 1 9 0 F 2 O 3 4 4 0 0 1 0 0 6 5 7 1 1 6 8 1 6 8 5 6 0 04 1 9 5 乃 0 3 1 3 5 0 1 5 0 6 5 7 11 6 8 1 5 3 5 4 5 O 04 1 5 5 F 4 0 2 R 3 0 0 2 0 0 6 5 7】1 6 8 1 3 8 5 4 5 0 0 4 2 0 8 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - O 9 1 0 修 回日期 ： 2 0 1 0 1 0 - 2 0 作者简介 ：江大虎( 1 9 8 6 - ) ， 男 ， 江苏宝应人 ， 硕 士研究生 ， 研究 方向为混凝 土结构 耐久性 ( j i a n g w e i y u 1 9 8 6 1 6 3 t o m) 基金项 目：国家重点基 础研究 发展计划 ( 9 7 3计划 ) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 江苏省 自然科学基金前期预研项 目( B K 2 0 0 5 2 ) ； 南京航空航 天 大学 博士生创 新基金 资助项 目( B C X J 0 7 - 0 4 ) 1 8 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0矩 1 3实验方 法 1 3 1 试件 制备 与暴露 将水泥、 砂 、 石、 外加剂 、 掺合料等原材料在搅 拌机中干拌 1 mi n ， 再加水湿拌 3 mi n 。出料后测 定混凝土拌合 物的坍落度 ， 之后 浇注、 振 动成 型 4 0 r n l n x 4 0 mm1 6 0 m l n混凝土试件。试件成型 后带模养 2 4 h ， 之后拆模 ， 然后移人在 ( 2 0 3 ) o C 饱和石灰水中进行标准养护。混凝土试件 的标准 养护龄期分别为 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d 、 1 8 0 d和 3 6 5 d ， 之后取出试件暴露于已准备好 的人工海水 中， 暴 露时间分别是 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 5 6 d 、 9 0 d 、 1 8 0 d和 3 6 5 d。 人工海水按照美 国 A S T M D 1 1 4 1 - 2 0 0 3的规 定 ， 其化学组成见表 4 。 表 4 人工海水的化学组成 ( k g m ) Na CI Mg el 26H2 O Na 2 SO4 Ca C1 2 KC1 2 4 5 l 1 1 4 1 1 2 0 7 1 3 2 取 样 与分析 在暴露 4 0 I n i n4 0 m m X 1 6 0 m m试 件的中 间段取样 ， 用钻孔法从试件 中间 1 2段 的两个侧 面采集粉末样品， 钻孔设备为小型钻床 ， 合金钻头 直径为 6 m m， 孔与孔之间的距离为 l O1 5 mm。 每个试件依据坐标定位至少要钻 1 21 6个孑 L ， 采 样深度依次为 05 m m、 51 0 m m、 1 01 5 m m、 l 52 0 mm等 ， 保证从每层混凝土试件 中收集约 5 g 样品， 并用孔径 0 1 6 mm 的筛子过筛 。按 照 国家交通部标准 J T J 2 7 0 - 9 8 ( 水运工程混凝土试验 规程的规定 J ， 采用水溶性氯离子含量分析方 法， 测定粉末样品中的 自由 C l 一 离子浓度 。 1 4 数 据处 理 根据实验得到的平均深度 2 5 m m、 7 5 m m、 1 2 5 m m及 1 7 5 m m处 的自由氯离子浓度 C 数 据 ， 利用 E x c e l 数学分析软件 ， 通过 回归分析拟合 两者之间的一元二次关系。得到混凝土内部氯离 子浓度与扩散深度之间的关 系， 在得到的回归关 系式中， 令深度 = 0时便可以计算得到混凝土表 面自由氯离子浓度 C 值 7 。 2结果与讨 论 2 1 oP C 的表面氯 离子浓 度 2 1 1 暴露于海水前的养护龄期的影响 图 1 是暴露于海水前的养护龄期对海水暴露 时问为 71 8 0 d的 O P C的表面氯离子浓度的影 响。结果表明， O P C的表面氯离子浓度 随着暴露 于海水前的养护龄期的延长而减小 。 谴 暄 梢 图 1 暴露于海水前的养护龄期对海水环境中 O P C表面氯离子浓度的影响 表 5是 O P C的表面氯离子浓度 和暴 露于海 水前的养护龄期 的 回归关系。由表可知 ， 在海水 环境 中， 对 于不 同暴露时 间下 的 O P C， 其表面氯 离子浓度与暴露于海水前的养护龄期均符合对数 关系式 ： C = A l n ( ) +B ( 1 ) 其中， c 是混凝土表面氯离子浓度 ( ) ， T是混 凝土暴露于海水前的养护龄期 ( d ) ， A和 是 拟 合参数。 表 5 O P C的表面氯离子浓度和暴露于海水前的 养护 龄期 的回归关系 暴露时间 表面氯离子浓度( C ) 和暴露于 相关 d 海水前的养护龄期( T ) 的回归关系系数 7 C =一 0 1 3 9 2 1 n ( 2 )+ 0 8 0 9 1 0 9 7 7 2 8 =一 0 1 2 3 1 n ( )+ 0 8 6 3 9 0 9 2 7 1 8 0 C =一 0 1 5 1 l l n ( ) [phone]与暴 露 时问的 关 系 图2是海水暴露 时间对养护龄期 71 8 0 d 的 O P C的表面氯离子浓度的影响。结果表明， 随 着暴露时间的延长， 混凝 土在海水环境 中的表 面 氯离子浓度逐渐增大 。 褪 鞣 谊 暴露 时 l 司， d 图 2 暴露时 间对海水环境中 O P C表面 氯离子浓度 的影响 表 6是 O P C的表面氯离子浓度和暴露时间 的回归关系。结果表明， 对 于不 同养护龄期下的 O P C ， 其表面氯离子浓度与暴露时间均符 合乘幂 函数关系式： 第4期 江大虎等： 粉煤灰对混凝土表面氯离子浓度的影响 1 9 C =C ( T ) D ( 2 ) 其 中， 是混凝土 的暴露时间 ( d ) ， C和 D是拟合 参数。O P C的拟合参 数 C随着养护龄期 的延长 而减小 ， 而 D则随着养护龄期的延长而增 大。 表 6 OP C的表 面氯离子 浓度 和暴 露时间的 回归关 系 2 2 F AC 的表 面 氯 离子 浓度 2 2 1 暴露于海水前的养护龄期的影响 图 3是暴露于海水前的养护龄期对海水暴露 时间 73 6 5 d的 F A C( F 2 ) 的表面氯离子浓度 的 影响。结果表 明， 随着暴露于海水前的养护龄期 的延长 ， 不 同暴露 时间下 F A C的表面氯离子浓度 均减小 ， 尤其 在养 护初期 ， F A C的表面氯 离子浓 度有大幅度降低。这与 O P C的规律相 同。 越 键 冁 暄 养护龄期， d 图3 暴露于海水前的养护龄期对海水环境中 F A C表面 氯离子浓度的影响 表 7是 F A C( F 2 ) 的表面氯离子浓度 和暴 露 于海水 前 的养 护 龄期 的 回归关 系。可 以发现 ， F A C的表面氯离 子浓度 与暴露于海 水前 的养 护 龄期呈对数 函数关 系 ， 符合公式 ( 1 ) ， 这与 O P C的 规律是一致 的。 表 7 F AC( n ) 的表面 氯离子浓度和暴露于海水前 的 养护龄期 的回归关 系 2 2 2与暴 露 时 间关 系 图 4是暴露 时间对海水环境 中 F A C( F 3 ) 的 表面氯离子浓度 的影响。结果表 明， 在海水暴露 环境中， 不 同养护龄期 F A C的表面氯离子浓度均 随着暴露时 间的延 长而增加 。这 与 O P C的结论 是 一致 。 赵 髭 键 暄 僻 暴 露 时 间， d 图 4 暴露 时间对海水环境 中 F A C表面 氯离子浓 度的影响 表 8是 F A C( F 3 ) 的表面氯离子浓 度和暴露 时间的回归关 系。结果表 明， 对 于不 同养护龄期 下 的 F A C， 其表面氯离子浓度与暴露时 间均符合 乘幂函数关 系， 符合公式( 2 ) 。 表 8 F A C F 3 ) 的表面氯离子浓度和暴露时间的回归关系 2 2 3 F A 掺 量 的影 响 图 5是 F A掺 量 对 海水 环 境 中 F A C( 养护 2 8 d ) 的表面氯离子浓度 的影 响。由图可知 ， 不同 暴露时间下， 由于混凝 土中 的 F A发挥火 山灰效 应 ， 提高了混 凝土 的密实度 J ， 降低 了氯离子对 混凝土的扩散渗透的速度 ， 导致 F A C的表面氯离 子浓度基本上随着 F A掺量的增加不 断减小。因 此 ， 在实际海洋环境 中， 在保证结构强度的前提下 应尽量提高 F A 的掺量 ， 通过减小 表面氯离子浓 度 而达到延长结构服役寿命的 目的。 矮 H 链 埔 旧 F A掺 量， 图 5 F A掺量对海水 环境 中 F A C表面 氯离子 浓度的影 响 表 9是海水 环境 中 F A C( 养护 2 8 d ) 的表 面 氯离子浓 度与 F A掺量 的回归关 系。结果表明 ， F A C的表面氯离子浓度与 F A掺量 的回归关 系式 符合二次多项式关 系： C 。 =E ( mf mb ) +F ( m f a mb )+G ( 3 ) 2 0 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0钲 其 中， m m 是 F A掺量， E、 F和 G是拟合参数。 表 9 F A C的表面氯离子浓度和 F A掺量的回归关 系 3 结论 ( 1 ) 在海水 暴露环境 中， 随着暴露 于海水前 的养护龄期 的延长， O P C和 F AC更加密实 ， 其表 面氯离子浓度不断减小， 尤其在混凝土 的养护初 期 ， 混凝土的表面氯离子浓度降低速度很快， 两者 符合对数关系 ： C 。 = A l n ( )+ B。 ( 2 ) 在海水暴露环 境中， 随着暴露 时间的延 长， 氯离子有足够 的时间侵入 混凝土 ， 使得 O P C 和 F A C表面氯离子浓度不断地增加。混凝土 的 表面氯离 子浓 度与暴 露时 间符合乘幂函数关系 式 ： C 。 =C ( T ) 。 ( 3 ) 在海水暴露环境 中 ， F A C的表面氯离子 浓度基本上随着 F A掺量 的增加不断减 小， 这 与 F A发挥火山灰效应提高 了混凝土的密实度有直 接的关系。 ( 4 ) 因此 ， 对于实际海洋环境下 的混凝土结 构 ， 应该延长潮湿养护 的时间 D ， 在保 证结构强 度的前提下应尽量增 加 F A的掺量 ， 通过减小表 面氯离子浓度而达到延长结构服役寿命 的目的。 参考文献 1 洪定海混凝土中钢筋的腐蚀与保护 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ，1 9 9 8 2 卢木混凝土耐久性研究现状和研究方向 J 工业建筑 ，1 9 9 7 ， 2 7 ( 5 ) ：1 - 6 3 王胜年，黄君哲 ， 张举连， 等华南海港码头混凝 土腐蚀情况的调查与结构耐久性分析 J 水运工 程 ， 2 0 0 0 ， ( 6 ) ： 8 - 1 2 4 金伟良，赵羽习混凝土结构耐久性 M 北京： 科技出版社 ， 2 0 0 2 5 M e j l b r o L T h e c o m p l e t e s o l u t i o n o f F i c k s s e c o n d l a w o f d i f f u s i o n w i t h t i me - d e p e n d e n t d i ff u s i o n c o e ffi c i e n t a n d s u rf a c e c o n c e n t r a t i o n C D u r a b i li t y o f c o n c r e t e i n s a l i n e e n v i r o n me n t ，C e me n t AB，Da n d e r y d，1 9 9 6 ： 1 2 7 1 5 8 6 中华人民共和国交通部标准，水运工程混凝土试 验规程 S 北京 ： 人民交通出版社， 1 9 8 8 7 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，1 9 9 8 ，( 1 ) ： 1 - 5 8 林宝玉，吴绍章混凝土工程新材料设计与施工 M 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 1 9 9 8 9 高仁辉， 秦鸿根 ， 魏程寒粉煤灰对硬化浆体表面 氯离子浓度的影响 J 建筑材料学报， 2 0 0 8 ，1 1 ( 4 ) ： 4 2 0 - 4 2 4 1 0 H U D i e ，M A Ha i y a n ， Y u H o n g f a ，e t a 1 I n f l u e n c e of mi n e r al a d m i x t u r e s o n c h l o r i d e b i n d i n g c a p a b i l i t y J J o u ma l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e ty，2 0 0 9，3 7 ( 1 ) ： 1 2 9 1 3 4 I nflue n c e o f Fl y As h o n Su r f a c e Ch l o r i de Co n c e n t r a t e o f Co nc r e t e J I A N G D a h u ， Z H A N G Y u n q i n g ， Y U H o n g -f a ， HU D i e ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u ti c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6， C h i n a ； 2 N a n j i n g Ha n k a n T e c h n o l o g y C o L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 9 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：T he f r e e c h l o rid e i o n c o n t e nt s o f c o nc r e t e we r e d e t e r mi n e d b y a n a t ur a l d i f f u s i o n me t l 1 o d r h e s u r - f a c e c h l o ri d e c o n c e n t r a t e s o f o r d i n a r y p o r t l a n d c o n c r e t e( O P C )a n d f l y a s h c o n c r e t e( F A C)w e r e c a l c u l a t e d T h e i n fl u e n c e s o f c u ri n g a g e ， e x p o s e d ti me a n d c o n t e n t o f fl y a s h ( F A)o n s u r f a c e c h l o ri d e c o n c e n t r a t e w e r e d i s c u s s e dTh e r e s u l t s s h o we d t ha t ： I n ma ri ne e n v i r o n me n t ，t h e s u r f a c e c h l o ride c o nc e n tra t e o f c o n c r e t e d e c r e a s e s wi t h t h e p a s s a g e o f c u ring a g e Ho we v e rt h a t i n c r e a s e s wi t h the p a s s a g e o f e x p o s u r e t i me rnl e s u I f a c e c h l o r i d e c o nc e ntra t e o f F AC de c r e a s e s c o n t i n u o u s l y wi t h t he i n c r e a s e o f t h e F A c o n t e n t Th e r e f o r e。i n t e rm s o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s u n d e r t h e a c t u a l ma ri n e e n v i r o n me n t ，w e s h o u l d i n c r e a s e F A c o n t e n t b a s e d o n t h e s a f e t y s t r e n g t h o f s t r u c t u r e s a n d p r o l o n g we t c u rin g a g e a t t h e s a me t i me ， wh i c h wi l l e n h a n c e the l i f e t i me o f t h e s e s t ru c t ur e s Ke y wor ds ：c o n c r e t e；fly a s h；c h l o r i d e d i f f u s i o n；s u rfa c e c h l o rid e c o nc e n t r a t e