摘要:通過(guò)氯離子加速滲透試驗(yàn)裝置，研究了粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰對(duì)水泥砂漿氯離子透過(guò)性能的影響。氯離子透過(guò)水泥砂漿試件后，其在陽(yáng)極溶液中的濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，粉煤灰水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能隨粉煤灰摻量的增加而增加，且均高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，礦渣摻量越大水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能越低，礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；摻入硅灰可明顯降低水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。
關(guān)鍵詞:水泥砂漿；氯離子；礦物摻合料；透過(guò)性能
0 引言
混凝土澆注后，由于各組分比重的差別，粗骨料產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，往往會(huì)在混凝土表面、混凝土與模板之間形成一個(gè)水泥砂漿薄層。外界有害介質(zhì)穿過(guò)該水泥砂漿薄層后才能到達(dá)混凝土內(nèi)部，因此，水泥砂漿薄層的滲透性直接影響混凝土的滲透性。然而，目前有關(guān)混凝土氯離子滲透性的研究中，混凝土試件通常是取芯或成型圓柱體，然后取中間一定厚度的混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究[1-3]，這樣一來(lái)，混凝土表面的水泥砂漿層就被忽略了，因而本文主要研究了水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能，在此主要考慮礦物摻合料的影響。
1 原材料及試驗(yàn)方案
1.1原材料
水泥為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5硅酸鹽水泥；粉煤灰為哈爾濱三電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積分別為655m2/kg；礦渣為鞍山鋼鐵廠生產(chǎn)的高爐礦渣，其比表面積分別為501m2/kg，硅灰為挪威?？瞎旧a(chǎn)的中密質(zhì)硅灰，比表面積為1.5×104 m2/kg，水泥與摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。粗集料選用連續(xù)級(jí)配輝綠巖碎石，粒徑5~20mm；細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.82松花江江砂；水為哈爾濱市飲用水。減水劑為萘系減水劑，控制其摻量保證混凝土的坍落度在180±20 mm。
1.2水泥砂漿的配比及制備
為了獲得混凝土中的砂漿，將新拌的混凝土置于振動(dòng)臺(tái)上2.5mm方孔篩內(nèi)，方孔篩下鋪墊清潔的塑料薄膜，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)，獲得足量的砂漿后，注入直徑100mm、高3mm的試模(見(jiàn)圖1)，并在跳桌上振動(dòng)25下，刮平后再振動(dòng)25下，然后置于溫度為20±2℃，相對(duì)濕度大于80%的養(yǎng)護(hù)室中的水平位置。成型24h后脫模，將試件置于水中養(yǎng)護(hù)28d。真空飽水3h，試件側(cè)面用環(huán)氧樹(shù)脂密封，成型面和底面為試驗(yàn)面。
混凝土的水膠比為0.35，每立方米配料中各組分的用量為：水157.5 kg，砂737 kg，碎石1105.5kg，膠凝材料總量為450 kg。粉煤灰與磨細(xì)礦渣等量取代水泥分別為10%、20 %、30 %和40%；硅灰等量取代水泥分別為5%和10%?；炷林械V物摻合料的用量見(jiàn)表2。
1.3水泥砂漿的氯離子透過(guò)試驗(yàn)
氯離子透過(guò)水泥砂漿的試驗(yàn)采用自主研發(fā)的多通道變電壓氯離子滲透裝置進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。陰極室為0.3mol/L的NaOH和0.5mol/L的NaCl混合溶液；陽(yáng)極室為用蒸餾水配制的0.3mol/L的NaOH溶液，直流電壓為12V。試驗(yàn)過(guò)程中保持陰極室NaCl溶液濃度和兩端NaOH溶液濃度的恒定，采用高精度PClS-10型氯度計(jì)定期測(cè)量陽(yáng)極室溶液中氯離子的濃度。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1粉煤灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響大；基準(zhǔn)水泥砂漿72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0247 mol/L，粉煤灰等量取代水泥10%、20%、30%和40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0251mol/L、0.027mol/L、0.0303mol/L和0.038mol/L。由此可知，相同時(shí)間內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥砂漿的氯離子性能增加，并且均大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。這與水泥中摻加粉煤灰后的水化速率和水化程度有關(guān)。
由于部分水泥用量被粉煤灰所取代，早期的水泥砂漿中水化產(chǎn)物數(shù)量減少，其強(qiáng)度的發(fā)展必然減慢。即使齡期長(zhǎng)達(dá)半年，活性效應(yīng)也可能仍未達(dá)到充分反應(yīng)的程度。早期混凝土試件斷面上粉煤灰微珠顆粒周圍形成的水膜層間隙，尚未明顯被水化產(chǎn)物所填充，較大孔隙和敞開(kāi)的毛細(xì)孔較多，結(jié)構(gòu)密實(shí)性差。這勢(shì)必導(dǎo)致水泥砂漿或水泥混凝土早期的抗?jié)B透性變差。然而在硬化后期，隨著水泥水化程度的提高以及粉煤灰二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石中的孔隙體積和較粗的孔隙減少，水泥石的顯微結(jié)構(gòu)更加致密，將對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性能有利。
2.2磨細(xì)礦渣對(duì)水泥砂漿氯離子透過(guò)性能的影響
陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系，氯離子濃度隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；磨細(xì)礦渣等量取代水泥10%、20%和30%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0178mol/L、0.0145mol/L和0.0084mol/L；磨細(xì)礦渣等量取代水泥40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0339mol/L。由此可知，磨細(xì)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)，隨著礦渣摻量的增加，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能降低；而磨細(xì)礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能增大，并且大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。 磨細(xì)礦渣的活性效應(yīng)對(duì)水泥石可起到增密、作用；微集料效應(yīng)可改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，增大水泥石的密實(shí)度。但是，磨細(xì)礦渣的各種效應(yīng)與磨細(xì)礦渣摻量之間的變化關(guān)系各不相同，當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量小于臨界值時(shí)，各項(xiàng)效應(yīng)對(duì)混凝土密實(shí)度與強(qiáng)度都為正效應(yīng)，在這一范圍內(nèi)，隨著磨細(xì)礦渣摻量增大，磨細(xì)礦渣的總效應(yīng)系數(shù)將因各項(xiàng)正效應(yīng)的疊加而迅速增大，即水泥石微觀孔結(jié)構(gòu)的改善程度、孔隙率的降低幅度不斷提高，因此水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能明顯降低。當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量大于該臨界值時(shí)，不但礦渣的潛在活性不能得到充分發(fā)揮，而且由于過(guò)量礦渣的摻入相對(duì)減少了參與水化的水泥量，從而使水化產(chǎn)物更少，導(dǎo)致早期水泥砂漿或混凝土總孔隙率的增大，從而增大水泥砂漿或混凝土的氯離子透過(guò)性能。
2.3硅灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響
摻加硅灰后，氯離子滲透首先出現(xiàn)了一段非線性段，滲透時(shí)間超過(guò)20h后，陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系。硅灰分別等量取代水泥5%和10%時(shí)，72h陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.00846mol/L和0.00687mol/L，均明顯低于相同條件下的基準(zhǔn)水泥砂漿。因此，硅灰等量取代水泥5%和10%后，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能顯著降低。
硅灰具有極強(qiáng)的火山灰性能，當(dāng)它摻入水泥漿和水接觸后，部分小顆粒迅速溶解，溶液中富SiO2貧Ca的凝膠在硅粉顆粒表面形成附著層。一定時(shí)間后，富SiO2貧Ca的凝膠附著層開(kāi)始溶解并與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而改變了漿體的孔結(jié)構(gòu)，使大孔(大于0.1μm)減少，小孔(小于0.05μm)增加，使孔徑變細(xì)，還使?jié){體中Ca(OH)2減少，結(jié)晶細(xì)化，并使其定向程度變?nèi)酢?BR> 不同礦物細(xì)摻料在水泥砂漿或混凝土中的作用有其各自的特點(diǎn)，有的是優(yōu)點(diǎn)，有的是缺點(diǎn)。例如，摻粉煤灰的混凝土自干燥收縮和干燥收縮都小，而且需水量小，但抗碳化性能較差；硅灰在混凝土中有增強(qiáng)的作用，但自干燥收縮大，而且因需水量大而允許摻量有限，對(duì)混凝土溫升無(wú)降低的作用；磨細(xì)礦渣的需水量不大，對(duì)混凝土的強(qiáng)度有利，但自干燥收縮較大等。因此，采用礦物摻合料取代水泥時(shí)，應(yīng)綜合考慮礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及摻量，使礦物摻合料的各項(xiàng)優(yōu)質(zhì)性能得到充分發(fā)揮。
3 結(jié)論
(1)粉煤灰水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能隨粉煤灰摻量的增加而增加，且均高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(2)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，礦渣摻量越大水泥砂漿的氯離子透過(guò)透過(guò)性能越低，礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(3)摻入硅灰可明顯降低水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。
關(guān)鍵詞:水泥砂漿；氯離子；礦物摻合料；透過(guò)性能
0 引言
混凝土澆注后，由于各組分比重的差別，粗骨料產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，往往會(huì)在混凝土表面、混凝土與模板之間形成一個(gè)水泥砂漿薄層。外界有害介質(zhì)穿過(guò)該水泥砂漿薄層后才能到達(dá)混凝土內(nèi)部，因此，水泥砂漿薄層的滲透性直接影響混凝土的滲透性。然而，目前有關(guān)混凝土氯離子滲透性的研究中，混凝土試件通常是取芯或成型圓柱體，然后取中間一定厚度的混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究[1-3]，這樣一來(lái)，混凝土表面的水泥砂漿層就被忽略了，因而本文主要研究了水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能，在此主要考慮礦物摻合料的影響。
1 原材料及試驗(yàn)方案
1.1原材料
水泥為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5硅酸鹽水泥；粉煤灰為哈爾濱三電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積分別為655m2/kg；礦渣為鞍山鋼鐵廠生產(chǎn)的高爐礦渣，其比表面積分別為501m2/kg，硅灰為挪威?？瞎旧a(chǎn)的中密質(zhì)硅灰，比表面積為1.5×104 m2/kg，水泥與摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。粗集料選用連續(xù)級(jí)配輝綠巖碎石，粒徑5~20mm；細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.82松花江江砂；水為哈爾濱市飲用水。減水劑為萘系減水劑，控制其摻量保證混凝土的坍落度在180±20 mm。
1.2水泥砂漿的配比及制備
為了獲得混凝土中的砂漿，將新拌的混凝土置于振動(dòng)臺(tái)上2.5mm方孔篩內(nèi)，方孔篩下鋪墊清潔的塑料薄膜，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)，獲得足量的砂漿后，注入直徑100mm、高3mm的試模(見(jiàn)圖1)，并在跳桌上振動(dòng)25下，刮平后再振動(dòng)25下，然后置于溫度為20±2℃，相對(duì)濕度大于80%的養(yǎng)護(hù)室中的水平位置。成型24h后脫模，將試件置于水中養(yǎng)護(hù)28d。真空飽水3h，試件側(cè)面用環(huán)氧樹(shù)脂密封，成型面和底面為試驗(yàn)面。
混凝土的水膠比為0.35，每立方米配料中各組分的用量為：水157.5 kg，砂737 kg，碎石1105.5kg，膠凝材料總量為450 kg。粉煤灰與磨細(xì)礦渣等量取代水泥分別為10%、20 %、30 %和40%；硅灰等量取代水泥分別為5%和10%?；炷林械V物摻合料的用量見(jiàn)表2。
1.3水泥砂漿的氯離子透過(guò)試驗(yàn)
氯離子透過(guò)水泥砂漿的試驗(yàn)采用自主研發(fā)的多通道變電壓氯離子滲透裝置進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。陰極室為0.3mol/L的NaOH和0.5mol/L的NaCl混合溶液；陽(yáng)極室為用蒸餾水配制的0.3mol/L的NaOH溶液，直流電壓為12V。試驗(yàn)過(guò)程中保持陰極室NaCl溶液濃度和兩端NaOH溶液濃度的恒定，采用高精度PClS-10型氯度計(jì)定期測(cè)量陽(yáng)極室溶液中氯離子的濃度。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1粉煤灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響大；基準(zhǔn)水泥砂漿72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0247 mol/L，粉煤灰等量取代水泥10%、20%、30%和40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0251mol/L、0.027mol/L、0.0303mol/L和0.038mol/L。由此可知，相同時(shí)間內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥砂漿的氯離子性能增加，并且均大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。這與水泥中摻加粉煤灰后的水化速率和水化程度有關(guān)。
由于部分水泥用量被粉煤灰所取代，早期的水泥砂漿中水化產(chǎn)物數(shù)量減少，其強(qiáng)度的發(fā)展必然減慢。即使齡期長(zhǎng)達(dá)半年，活性效應(yīng)也可能仍未達(dá)到充分反應(yīng)的程度。早期混凝土試件斷面上粉煤灰微珠顆粒周圍形成的水膜層間隙，尚未明顯被水化產(chǎn)物所填充，較大孔隙和敞開(kāi)的毛細(xì)孔較多，結(jié)構(gòu)密實(shí)性差。這勢(shì)必導(dǎo)致水泥砂漿或水泥混凝土早期的抗?jié)B透性變差。然而在硬化后期，隨著水泥水化程度的提高以及粉煤灰二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石中的孔隙體積和較粗的孔隙減少，水泥石的顯微結(jié)構(gòu)更加致密，將對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性能有利。
2.2磨細(xì)礦渣對(duì)水泥砂漿氯離子透過(guò)性能的影響
陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系，氯離子濃度隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；磨細(xì)礦渣等量取代水泥10%、20%和30%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0178mol/L、0.0145mol/L和0.0084mol/L；磨細(xì)礦渣等量取代水泥40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0339mol/L。由此可知，磨細(xì)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)，隨著礦渣摻量的增加，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能降低；而磨細(xì)礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能增大，并且大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。 磨細(xì)礦渣的活性效應(yīng)對(duì)水泥石可起到增密、作用；微集料效應(yīng)可改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，增大水泥石的密實(shí)度。但是，磨細(xì)礦渣的各種效應(yīng)與磨細(xì)礦渣摻量之間的變化關(guān)系各不相同，當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量小于臨界值時(shí)，各項(xiàng)效應(yīng)對(duì)混凝土密實(shí)度與強(qiáng)度都為正效應(yīng)，在這一范圍內(nèi)，隨著磨細(xì)礦渣摻量增大，磨細(xì)礦渣的總效應(yīng)系數(shù)將因各項(xiàng)正效應(yīng)的疊加而迅速增大，即水泥石微觀孔結(jié)構(gòu)的改善程度、孔隙率的降低幅度不斷提高，因此水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能明顯降低。當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量大于該臨界值時(shí)，不但礦渣的潛在活性不能得到充分發(fā)揮，而且由于過(guò)量礦渣的摻入相對(duì)減少了參與水化的水泥量，從而使水化產(chǎn)物更少，導(dǎo)致早期水泥砂漿或混凝土總孔隙率的增大，從而增大水泥砂漿或混凝土的氯離子透過(guò)性能。
2.3硅灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響
摻加硅灰后，氯離子滲透首先出現(xiàn)了一段非線性段，滲透時(shí)間超過(guò)20h后，陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系。硅灰分別等量取代水泥5%和10%時(shí)，72h陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.00846mol/L和0.00687mol/L，均明顯低于相同條件下的基準(zhǔn)水泥砂漿。因此，硅灰等量取代水泥5%和10%后，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能顯著降低。
硅灰具有極強(qiáng)的火山灰性能，當(dāng)它摻入水泥漿和水接觸后，部分小顆粒迅速溶解，溶液中富SiO2貧Ca的凝膠在硅粉顆粒表面形成附著層。一定時(shí)間后，富SiO2貧Ca的凝膠附著層開(kāi)始溶解并與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而改變了漿體的孔結(jié)構(gòu)，使大孔(大于0.1μm)減少，小孔(小于0.05μm)增加，使孔徑變細(xì)，還使?jié){體中Ca(OH)2減少，結(jié)晶細(xì)化，并使其定向程度變?nèi)酢?BR> 不同礦物細(xì)摻料在水泥砂漿或混凝土中的作用有其各自的特點(diǎn)，有的是優(yōu)點(diǎn)，有的是缺點(diǎn)。例如，摻粉煤灰的混凝土自干燥收縮和干燥收縮都小，而且需水量小，但抗碳化性能較差；硅灰在混凝土中有增強(qiáng)的作用，但自干燥收縮大，而且因需水量大而允許摻量有限，對(duì)混凝土溫升無(wú)降低的作用；磨細(xì)礦渣的需水量不大，對(duì)混凝土的強(qiáng)度有利，但自干燥收縮較大等。因此，采用礦物摻合料取代水泥時(shí)，應(yīng)綜合考慮礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及摻量，使礦物摻合料的各項(xiàng)優(yōu)質(zhì)性能得到充分發(fā)揮。
3 結(jié)論
(1)粉煤灰水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能隨粉煤灰摻量的增加而增加，且均高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(2)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，礦渣摻量越大水泥砂漿的氯離子透過(guò)透過(guò)性能越低，礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(3)摻入硅灰可明顯降低水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。