矿物掺合料对混凝土钢筋保护性能的影响.pdf

2 0 1 2年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C 0NCRE T E AND CE MEN T P RODUC 2 0 1 2 No 8 Au g u s t 矿物掺合料对混凝土钢筋保护性能的影响 高祥彪 ( 1 江苏省建筑工程质量检测 中心有限公司， 南京 2 1 0 0 2 8 ； 2 东南大学材料学院 ， 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 ： 研 究了矿物掺合料 对混凝 土钢 筋保护 性能的影响。 结果显 示， 单掺矿粉 、 粉煤灰与矿粉复掺均能改善混 凝 土的钢 筋保 护性 能。 粉煤灰和矿粉复掺时 ， 改善混 凝土钢筋保护性能效果最为显著 ， 复掺 总量 为 2 0 时 ， 比基准混 凝 土钢 筋锈蚀 率减少 了 2 4 3 7 。通过对各 配合 比混凝 土试样进行 压汞试验 和 S i r i o n场发射扫描 电镜 实验观察混凝 土表 面形貌特征发 现 ， 粉煤灰 与矿粉复掺使胶凝 材料水化 完全 ， 混凝土表 面较 为致密 ， 从 而大大提 高了混凝 土对钢 筋 的保 护 性 能 。 关键宇 ： 混凝 土； 矿粉 ； 复掺 ； 钢筋锈蚀 ； 压汞 ； 扫描 电镜 Ab s t r a c t ：T h e i n fl u e n c e o f mi n e r a l a d mi x t u r e s o n t h e p r o p e r t y o f c o n c r e t e p r o t e c t i n g s t e e l b a r a g a i n s t c o r r o s i o n i s s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s l a g p o w d e r a n d c o mb i n e d mi x t u r e o f f l y a s h a n d s l a g p o w d e r c a n i mp r o v e t h e p r o p e r t y o f c o n c r e t e p r o t e c t i n g s t e e l b a r a g a i n s t c o r r o s i o n T h e e f f e c t i s p a r t i c u l a r l y s i g n i fi c a n t wh e n t h e d o s a g e r a t i o o f c o mb i n e d mi x t u r e o f fl y a s h a n d s l a g p o wd e r i s 2 0 ，a n d t h e c o n c r e t e r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n r a t e d e c r e a s e s b y 2 4 3 7 c o mp a r e d wi t h t h e o n e n o t mi x e d a d mi x t u r e s T h r o u g h t h e me r c u r y ? t e s t a n d s i r i o n fi e l d e mi s s i o n s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y e x p e r - i me n t s t o o b s e r v e t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o n c r e t e ， i t i s f o u n d t h a t t h e h y d r a t i o n o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s i s mo r e c o m p l e t e mi x e d wi t h fl y a s h a n d s l a g p o wd e r ， c o n c r e t e s u r f a c e i s d e n s e r , t h e p o r e r a t i o i s s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d ， wh i c h g r e a t l y i mp r o v e t h e p r o p e rt y of c o n c r e t e p r o t e c t i n g s t e e l b a r a g a i n s t c o r r o s i o n Ke y wo r d s： C o n c r e t e ；S l a g p o w d e r ；Co mb i n e d mi x t u r e ；S t e e l b a r c o rro s i o n ；Me r c u ry；S c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ( S E M ) 中囱分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 1 - 0 4 0前 言 混凝土结构中钢筋锈蚀导致混凝土开裂 ， 会直 接影响混凝土 的耐久性。从 2 0世纪 6 0年代开始 ， 混凝 土结 构的耐久性问题已成 为 国际学术机构或 国际学术会议讨论的重要课题之一 。1 9 8 7年 ， E t 本 土木 工程协会 混凝土结构委员会提 出了一个混凝 土结构耐久性 的实用设计方法_1 】 。 1 9 8 9年 ， 欧洲混凝 土结构 委员会 发表了 “ 耐久性混凝土结构设计指 南 ” 脚 。1 9 9 2年欧洲混凝土委员会颁布了耐久性混凝 土结构设计 指南( D u r a b l e C o n c r e t e S t r u c t u r e s D e s i g n G u i d e ) 。混凝土对钢筋 的保护性能越来越被人们 重 视 。 1 研究 现状 随着环保意识与质量意识的提高 ， 矿物掺合料 在钢筋混凝土结构 中得到了广泛应用 。矿物掺合料 对混凝土碳化性能的影响有三种观点 ： 第一种观 点是 ，矿物掺合料对混凝土碳化性 能影响很小 ； 第 二种观点是 ，由于矿物掺合料细化混凝土孑 L 结 构 ， 基金项 目： 铁道部科技计划重点项 目( 沪杭客运专线特大桥 主 梁混凝土收缩徐变控制与耐久性提升技术研究 ， 2 0 1 0 g 0 o 4 - h ) 。 形成致密 C S H凝胶 ， 会降低混凝土中二氧化碳 的 扩散过程 ； 第三种观点是 ， 由于矿物 掺合料 的火 山 灰反应消耗 了混凝土 中的 C a ( 0 H ) z ， 使得 C O 更容易 扩散 ， 因此 ， 矿物掺合料加速了混凝土的碳化。 本文针对沪杭高铁特大桥工程施工 中的混凝 土用原材料展开了试验研究 ， 2 试 验 原材 料 与试验 方案 2 1 试验 原 材料 2 1 1 胶凝材料 水泥 ： 采用华新 P I 5 2 5级水泥 ， 具体性能指标 见 表 1 。 粉煤灰 ： 采用 I 级灰 ， 具体性能指标见表 2 。 矿粉 ： 采用 $ 9 5级粒化高炉矿渣超细粉 ， 具体 性能指标见表 3 。 2 1 2 其它试验材料 细骨料采用河砂 ， 细度模数 2 5 0 ， 属 区中砂 ， 表观密度 2 6 4 g e ra ，堆积密度 1 5 3 0 k m ，空 隙率 4 2 0 ， 含泥量 0 6 0 ； 粗 骨料采用 5 2 5 m m石灰石 碎石 ， 压碎指标为 9 8 6 ， 堆积 密度 1 4 7 8 k g m ； 外 加剂采用聚羧酸高效减水剂 ， 减水率 2 5 2 ， 固含量 一 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 6期 细度 烧 活性指数 7 d 2 8 d 水 S O d N a 2 0 2 1 1 ， p H值 7 4； 自来水。 2 - 2 试 验方 案 2 2 1 试验配合 比 为 了探讨复掺矿物掺合料对 高强度混凝 土钢 筋保护性能的影 响规律 ， 试验 中配制混凝土保持胶 凝材料总量 4 7 0 k g m ， 水胶比 0 3 2不变。在基准混 凝土配合 比的基础上只改变粉煤灰 、 矿粉以及粉煤 灰与矿粉复掺 的掺入量 ，掺量变化为 1 0 、 2 0 、 3 0 ， 粉煤灰和矿粉复掺时两者 比例为 2 ： 1 。为保证 泵送要求 ，通过外加剂掺量调整混凝 土坍落度 ， 使 之保持在 1 8 0 2 0 0 m m。 基准混凝土的配合 比见表 4 。 表 4 基准混凝土配合比 k g ， m 混凝土 的搅拌 、 成型、 养护及钢筋锈蚀性能均 按照 客运专线高性能混凝土暂行技术条件一科技 基 2 0 0 5 1 1 0 1号 进行 。 2 2 2 试 验方 法 采用不同掺量 、 不同保护层厚度的钢筋混凝土 试件进行试验。钢筋在混凝土试件中采用 的布置方 法及保护层厚度设计如图 l 所示 ， 钢筋保护层厚度 分别为 1 0 ra m、 2 5 m m、 5 0 mm。只保留左右两个端面 ， 其余 四个面全部用环氧树脂封闭 ， 以减少对试验效 果的影响。 试件养护到规定龄期后放入烘箱 ， 在( 6 0 2 ) 的温度中烘 2 4 h ， 然后放入碳化箱中进行人工碳化 。 通入二氧化碳气体 ， 用气体分析仪测定箱内二氧化 碳的浓度 ， 调节转子流量计 ， 使箱 内二氧化碳浓度 一 2 一 保持在 ( 5 0 3 ) ， 碳化 3个月。 试件碳化后先在 8 O 烘箱 中烘 4 d ， 冷却后放入 塑料箱 ， 在 自来水 中浸泡 2 4 h ， 再放入( 6 0 2 ) 的烘 箱 中烘 1 3 d 。从浸泡到烘毕 ， 历时 1 4 d ， 为一次循环 。 以后照此循环不断往复 ，经过一定循环次数 ( 6 - 7 次) 后 ， 劈开 1 块对 比基准组试件 ， 观察钢筋锈蚀情 况。如果已经生锈( 锈蚀率大于 1 5 ) ， 则对试件进 行检查 ， 如未生锈 ， 仍继续进行浸烘循环。 图 1 混 凝 土 中钢 筋 布 置 效 果 图 3 试 验结 果与讨 论 沪杭高铁设计的混凝土强度等级较高，经历 6 个月 的浸烘循环后 ， 对试件进行破损 ， 测量钢筋 的 锈蚀情况 ，发现保护层厚度为 1 0 m m的钢筋锈蚀较 明显，而保护层厚度为 2 5 m m、 5 0 m m的钢筋基本没 有锈蚀 ， 混凝土较为致密 ， 对钢筋的保护性能良好。 故此 ，对混凝土保护层厚度为 1 0 m m的钢筋锈蚀结 果进行分析。 各配合 比保护层厚度 1 0 m m处 ，将同一保护层 厚度的三组钢筋质量平均值列 出后 ， 计算出钢筋锈 蚀率。 各组别钢筋锈蚀率如图 2所示。 其中 F O为基 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高祥彪 矿物掺合料对混凝土钢筋保护性能的影响 准组 ， F 1 、 F 2 、 F 3分别 为 粉煤灰 掺量 为 1 0 、 2 0 、 3 0 ； S L 1 、 S L 2 、 S L 3分别 为矿粉掺 量为 1 0 、 2 0 、 3 0 ； F C1 、 F C 2 、 F C 3分别为粉煤灰和矿粉复掺总量 为 1 0 、 2 0 、 3 0 。 堡 褂 基 擦 器 F 0 F1 F2 F3 S L1 S L2 S L 3 F C1 FC 2 FC3 组别 图 2矿 物 掺 合 料 对 混 凝 土 钢筋 锈蚀 的 影 响 由图 2可知 ， 单掺粉煤灰使混凝土对钢筋的保 护性下 降 ， 钢筋锈蚀率增加 ， 并且 随着粉煤灰掺量 的增加 ， 钢筋锈蚀率逐渐增大 。粉煤灰掺量为 3 0 时 ， 混凝土钢筋锈蚀率 比基准混凝土增加 了 8 6 3 。 分析原因 ： 由于粉煤灰 的掺入会 降低混凝 土的 强度值 ，在一定程度上降低了混凝土的致密性 ， 从 而使混凝土 内部碱性环境更加容易破坏 ， 造成 了内 部钢筋锈蚀 的加剧 ； 另一方 面 ， 有研究 1 o - 1 1 表明 ， 粉 煤灰的掺人使水泥石碱度降低 ，混凝土 内部 p H值 下 降 ， 并且 随着粉煤灰掺量 的增加 ， 混凝土 内部 的 p H值更趋降低 ， 这样钢筋混凝土 内部的碱性环境相 对较弱 ， 对钢筋 的保护性相对减 弱 ， 从 而造成 了钢 筋锈蚀 的加剧 。 由图中 F 0 、 S L 1 、 S L 2 、 S L 3的数据 对 比可知 ， 矿 粉 的掺入增大 了混凝土对钢筋 的保护性能 ， 降低 了 钢筋锈蚀情况 。 其 中矿渣掺量为 2 0 的 S L 2组钢筋 锈 蚀 率最 低 ，比基 准 混凝 土 钢筋 锈蚀 率 降 低 了 1 3 1 5 。 有研究 刁 发现 ， 微粒矿粉掺人混凝土中， 改善了 混凝土的致密性 ，有效阻碍了有害介质的侵入 ， 可 减缓钢筋的锈蚀。本研究前期力学性能试验研究同 样证实了这一观点 ， 矿粉 的掺人增大 了混凝土的早 期强度值 ， 使得混凝 土致 密性增 加 ， 抗锈蚀能力增 强 。 由图 中 F 0 、 F C 1 、 F C 2 、 F C 3的对 比数据可知 ， 粉 煤灰与矿粉的复掺效果 明显好于矿物掺合料单掺 ， 并且在复掺总量为 2 O 时 ， 混凝 土对钢筋的保护性 最好 ，其钢筋锈蚀率 比基准混凝土降低 了 2 4 3 7 。 由此可知 ， 粉煤灰和矿粉复掺可以有效提高混凝土 的钢筋保护性。 4 微 观 性能分 析 为 了深入探究矿物掺合料种类 以及掺量 的不 同对混凝土钢筋保护性能影响的内在机理 ， 本研究 对 不 同配 比的 2 8 d龄 期试 样 进行 了压汞 试验 和 S i r i o n场发射扫描 电镜试验 ，观察混凝 土表面结构 特征。 取具有代表性的 F 0 、 F 2 、 S L 2和 F C 2试样进行 分析。 图 3为不 同掺合料混凝 土 2 8 d累计孔 隙率分 布。由图 3 压汞试验结果可知 ， 粉煤灰与矿粉复掺 ， 能明显降低混凝 土 2 8 d的孑 L 隙率 ， 其累计孔隙率最 小 ；单掺矿粉同样可 以有效降低混凝土的孔隙率 ， 使混凝 土内部结构较为致密 ； 单掺粉煤灰 ， 由于胶 凝材料水化不完全 ，造成混凝土内部孔隙增多 ， 累 计孑 L 隙率变大。 0O 8 00 7 00 6 00 5 褂 毯0 0 4 00 3 0O 2 0O1 00 0 1 0 l 0 O 1 【 J O U l O U U U l 0 O OO O 孔 径 n m 图 3 不同掺合料混凝 土 2 8 d累计孔 隙率分 布 图 4 图 7为各组混凝土的表面形貌特征 。 通过对各组混凝土外貌特征的观察分析可知 ， 矿粉的活性组分不断与水 泥水 化生成 的 C a ( O H) z 反应 ， 随着 C a ( O H) ： 的不 断消耗 ， 胶 凝材料的水化 进行 得也 越快 。在观察 2 8 d龄期 试 样 时可 以发现 已 经生成 了大量的 C S H凝胶 ，使得混凝土结构致 密 ， 从而改善了混凝土的钢筋保护性能。粉煤灰与 矿粉复掺 ， 由于微集料效应 、 填充效应 ， 使得混凝土 表面比较密实 ， 水化 比较完全 ， 生成的水化产物较 为致密 。无论是局部大面积还是小空隙 中， 都布满 了大量的 C S H凝胶结构。 这种类型的凝胶体相互 分又搭 接形成空间网状结构 ，并填充 于硬化体 表 面 、 孔坑 、 缝隙中 ， 使混合胶凝体系密度增加 ， 保证 混合胶凝材料具有一定的强度。这也就造成了矿物 掺合料复掺时， 对混凝土钢筋保护性能具有最佳的 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m