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UEA 掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

水泥 2006-01-20

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摘要：在50 %矿渣掺量的基础上，就膨胀剂UEA 掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响进行了试验研究. 结果表明：掺入膨胀剂能有效降低混凝土抗氯离子渗透试验中的初始电流、最大电流增量和氯离子迁移电量. 因此，掺加膨胀剂是一种提高混凝土抗氯离子渗透能力的有效措施.

关键词：抗氯离子渗透； 膨胀剂； 矿渣； 海工混凝土
 
Effect of Expansion Agent UEA on Chloride penetrationResistance of Concrete for Ocean Construction
Y E Qi ng1 ， 　WA N G J i a2j i a2 ， 　MA Cheng2chan g1 ， 　L I L i2qi n1
(1. College of Architecture & Civil Engineering ， Zhejiang University of Technology ， Hangzhou 310014 ， China ； 2. Zhejiang First Hydropower Engineering Const ruction Company ， Hangzhou 310051 ， China)
 
Abstract ：Effect of expansion agent content on t he chloride2penet ration resistance of concrete containing 50 % slag in it s binder material for ocean const ruction was studied according to ASTM C1202. Result s indicate t hat with adding 5 % ， 10 % and 15 % of expansion agent ， compressive strength fluctuates a little wit h mw / mb being 0. 30 ， but the strength decreases by less than 10 % with mw / mb being 0. 50. The concrete expansion is increased wit h amount of expansion agent increasing and it s expansion is stable within ages of 14～28 d. Chlorine anion mobility is decreased with use level of expansion agent increasing. For example ， the quantity of concrete wit h 10 % expansion agent and 50 % slag in it s binder material was less by 50 % than t hat wit h only 50 % slag. So ， t he addition of expansion agent is an effective method to enhance chloride penetration resistance.

Key words ：chloride penetration resistance ； expansion agent ； slag ； concrete for ocean construction
 
     针对海水腐蚀，各国在海工混凝土护筋方面采取的基本措施为：通过仔细设计与施工，最大限度地提高混凝土本身的抗渗能力，从而预防钢筋腐蚀[1 ] 。当今应用较多的海工混凝土中以普通水泥内掺30 %～70 %1) 的矿渣作为胶凝材料，只要适当降低水灰比(小于0. 4 或0. 3) 及单位体积用水量(小于170 kg/ m3) ，添加减水剂，就可制得性能较好的海工混凝土[2～4 ]。然而，一般的高强海工混凝土具有与普通混凝土相当的干缩和比普通混凝土还要大的自缩[5 ] 和冷缩。 收缩是导致混凝土内部微裂缝和表面开裂的主要根源之一。 为了使高强海工混凝土具有良好的体积稳定性，可将适量膨胀组分引入高强混凝土[6 ]以补偿其收缩。因此，本文将着重研究在50 %矿渣掺量的基础上，膨胀剂掺量对海工混凝土抗氯离子渗透性能的影响。
 
1 　原材料的选择、确定和试验
1. 1 　原材料
     水泥(C) ：P ·O 42.5普通硅酸盐水泥，其SO3含量为2. 7 %；细骨料( S) ：细度模数为2.5 ，级配为Ⅱ区，表观密度为2.62g/ cm3 ；粗骨料( G) ：级配为5～20 mm ，表观密度为2.72g/ cm3 ；高效减水剂(A) ：减水率约为20%的萘系减水剂(含固量约为40%，掺入量以固体量计) ；掺合料(BS) ：矿渣比表面积大于480m2 / kg ，SO3含量为0；膨胀剂( EA) ：UEA-H 膨胀剂，其化学成分见表1 ；拌合水和养护水(W) ：自来水.
表1 　UEA-H膨胀剂的化学组成
Table 1 　Chemical composition of UEA-H expansion agent %
 
1. 2 　掺膨胀剂海工混凝土的配合比确定

     掺膨胀剂海工混凝土的胶凝材料(BM) 由水泥、矿渣和膨胀剂组成，且m (水泥) ∶m (矿渣) ∶m(膨胀剂) = (50- i) ∶50∶i ，其中i 分别为0，5.0，7.5，10.0，12. 5 ，15. 0. 由计算可得胶凝材料中的SO3含量分别为1. 4 % ，2. 7 %，3. 4 % ，4. 1 % ，4. 8 % ，5. 4 %。
 
     在水胶比为0. 30 、砂率为40 %和单位体积用水量为150 kg/ m3的条件下配制A 系列掺膨胀剂海工混凝土，其中胶凝材料、细骨料、粗骨料和减水剂的用量分别为500 ，725 ，1 085 ，2. 0 kg/ m3。在水胶比为0. 50 、砂率为40 %和单位体积用水量为190 kg/ m3 的条件下，配制B 系列掺膨胀剂的海工混凝土，其中胶凝材料、细骨料、粗骨料和减水剂的用量分别为380 ，730 ，1 100 ，1. 0 kg/ m3 。掺膨胀剂海工混凝土的配合比见表2。 在A ，B 系列海工混凝土中，胶凝材料浆体体积与骨料体积之比均控制在32 ∶68 左右，混凝土拌合物的坍落度要求达到150～200 mm。
表2 　掺膨胀剂海工混凝土的胶凝材料组成及其实测抗压强度和自由膨胀率
Table 2 　Binder material( BM) composition of concrete for ocean construction added with expansion agent and their compressive strength and free expansion
 
1. 3 　试验方法

     采用强制式搅拌机拌制混凝土，一次搅拌60 L 。先将粗骨料、细骨料、水泥、掺合料和膨胀剂按配合比放入搅拌机中干拌2 min ，然后加入溶有减水剂的拌合水，再搅拌2 min 制成混凝土拌合物。按GBJ 80 —85《普通混凝土拌合物性能试验方法》测定混凝土拌合物的和易性。
 
     混凝土的抗压强度试验方法按GBJ 81 —85《普通混凝土力学性能试验方法》进行。
 
     混凝土自由膨胀率试验按下列方法进行，采用上述混凝土拌合物在尺寸为100 mm ×100 mm×300 mm 的试模内成型3条膨胀试件，先在(20 ±2) ℃和相对湿度大于95 %的条件下标准养护24 h 后拆模并用外径螺旋测微仪(精度为0. 01 mm) 测定其初始长度；然后在(20 ±2) ℃的水中养护至龄期，并测定其膨胀率。
 
     抗氯离子渗透性能试验方法按ASTM C 1202 标准的规定进行。
 
2 　试验结果与讨论

2. 1 　膨胀剂掺量对海工混凝土中氯离子迁移电量的影响

     图1 为混凝土中氯离子迁移电量随膨胀剂掺量的变化规律。由图可见，A 系列海工混凝土空白试样A (在水胶比为0. 30的条件下，以普通水泥为胶凝材料) 的迁移电量较高，为1192C；当掺入50%矿渣时，混凝土基准试样A0 的迁移电量明显降低，为421C ，仅为前者的35. 3 %。由此可见，矿渣的掺入明显提高了混凝土的抗氯离子渗透性能. 随着膨胀剂掺量的增加，混凝土的迁移电量进一步降低。混凝土试样A0，A2，A4， A6的迁移电量分别为421，256，206，139C. 以试样A0为基准，则试样A2，A4 和A6的迁移电量分别降低了39.2% ，51.1%和67.0%.在50%矿渣掺量、水胶比为0.50的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，B 系列海工混凝土的迁移电量也进一步降低. 混凝土试样B0，B0，B4，B6 的迁移电量分别为958，777，415，392C。以试样B0为基准，则试样B2 ，B4 和B6 的迁移电量分别降低了18.9% ，56.7%和59.1%.
图1 海工混凝土迁移电量随膨胀剂掺量的变化规律
(空白样为不掺加矿渣和膨胀剂的混凝土)
Fig. 1 　Variation of elect ric quantity passing through concrete with expansive agent added
( sample blank represents the concrete without slag and expansion agent)
     由此可见，在掺矿渣提高混凝土抗氯离子渗透性能的基础上，掺入膨胀剂能进一步提高混凝土的抗氯离子渗透能力。
 
 
2. 2 　膨胀剂掺量对海工混凝土初始电流的影响

     在混凝土抗氯离子渗透试验中初始电流随膨胀剂掺量的变化规律如图2 所示。由图2 可见，A系列海工混凝土空白试样A 的初始电流较高，为30. 1 mA ；基准试样A0 的初始电流明显降低，为17. 0 mA ，仅为前者的56. 5 %. 再随着5 % ，10 %和15 %膨胀剂的掺入，混凝土试样A2 ，A4 ，A6 的初始电流进一步降低，分别为10. 3 ，9. 1 ，6. 4 mA ，它们又分别是基准试样A0 的60. 6 % ，53. 5 % ，37. 6 %. 随着膨胀剂掺量的增加，B 系列海工混凝土的初始电流同样也出现进一步降低的现象。
 
     由此可见，在50 %矿渣掺量的条件下，膨胀剂的掺入能降低混凝土的初始电流，从而可进一步提高混凝土的抗氯离子渗透性能。
图2 　混凝土试样初始电流随膨胀剂掺量的变化规律
Fig. 2 　Variation of initial elect ric current flowing through concrete with expansion agent added
 
2. 3 　膨胀剂掺量对海工混凝土最大电流增量的影响

     在50 %矿渣掺量的条件下，膨胀剂的掺入能明显降低海工混凝土的最大电流增量(最大电流增量为在6 h 测定时间内，最大电流值减去初始电流值)。在50 %矿渣掺量和水胶比为0. 30 的条件下，随着膨胀剂的掺入，混凝土试样A0 ，A2 ，A4 和A6 的最大电流增量分别为3. 6 ，2. 5 ，0. 8 ，0. 4mA ，若以百分比表示，则分别为100 % ，69. 4 % ，22. 2 % ，11. 1 %. 空白试样A 的最大电流增量最大，为31. 5 mA ，分别是试样A0 ，A4 的8. 7 ，39. 4 倍. 混凝土最大电流增量随膨胀剂掺量的变化规律见图3。
图3 　混凝土最大电流增量随膨胀剂掺量的变化规律
Fig. 3 　Variation of maximum elect ric current increment flowing through concrete with expansion agent added
 
     由图3 可知，在50 %矿渣掺量、水胶比为0. 50 的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，B 系列海工混凝土的最大电流增量同样也有进一步降低的现象。
 
2. 4 　掺膨胀剂海工混凝土的力学性能试验结果

     由表2 可知：在水胶比为0. 30 的条件下，A 系列海工混凝土的抗压强度随膨胀剂掺量的变化规律。其中空白试样A 的抗压强度最高。在50 %矿渣掺量，7 d 龄期的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度分布出现了1 个峰值，即在10 %膨胀剂掺量以前海工混凝土的抗压强度表现为递增；在10 %掺量以后表现为递减，但与基准试样A0 相比，其抗压强度降低不多，如试样A6 仅降低1. 3 %。同理，在50 %矿渣掺量，28 d 龄期的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度分布也出现了1 个峰值(膨胀剂掺量为10 %) ，且在15 %膨胀剂掺量范围内海工混凝土的抗压强度与基准试样A0 相比均没有降低。

     再由表2 可知：在水胶比为0. 50 的条件下，B 系列海工混凝土的抗压强度随膨胀剂掺量的变化规律。其中空白试样B 的抗压强度最强在50 %矿渣掺量，7 d 龄期的条件下，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度分布出现1 个小起伏，与基准试样B0 相比，其抗压强度波动范围在+ 2.2 %～ - 3.8%。在50 %矿渣掺量，28 d 龄期条件下，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度出现了明显的递减现象，与基准试样B0 相比，试样B3 ，B4 ，B5 ，B6 的抗压强度分别下降了2. 6 % ，9. 3 %，9. 8 % ，10. 5 %。
 
     海工混凝土的抗压强度随膨胀剂掺量的变化规律可解释为：随着(少量) 膨胀剂的掺入，膨胀型水化产物钙矾石填充孔隙使混凝土致密，同时使混凝土膨胀，因此海工混凝土的抗压强度得到提高. 而随着较多膨胀剂的掺入，水泥熟料量进一步减少，钙矾石数量增加，海工混凝土的抗压强度难以抑制钙矾石的膨胀，因此海工混凝土的自由膨胀率将增加，而抗压强度却有所降低.
 
2. 5 　掺膨胀剂海工混凝土的膨胀性能试验结果

     由表2 可知：在28 d 龄期内，随着膨胀剂掺量的增加，A 系列海工混凝土的膨胀率依次增加，而在膨胀剂掺量大于等于10 %时才有较大的膨胀，但与膨胀剂掺量不成正比。A 系列海工混凝土的膨胀主要发生在7 d 龄期以前，在14～28 d 龄期内，其膨胀已趋于稳定，且膨胀剂掺量没有过量。
 
     以28 d 龄期为例，混凝土试样A0 ，A2 ，A4 和A6 的自由膨胀率分别为45 ×10-6 ，72 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，441 ×10 - 6。以试样A4 为例，在3，7 ，14 ，28 d 龄期，其自由膨胀率分别为148 ×10 - 6 ，168 ×10 - 6 ，196 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，具有一定的微膨胀性能。
 
     而B 系列海工混凝土的自由膨胀率随膨胀剂掺量增加的发展规律与A 系列海工混凝土相似，膨胀主要发生在7 d 龄期以前，在14～28 d 龄期内其膨胀已趋于稳定，膨胀发展规律正常。
 
     由于50 %矿渣的掺入，使胶凝材料中SO3 含量降低到约1. 4 % ，矿渣水化后又生成了较多的凝胶型水化产物，故在膨胀剂掺量相同的条件下，与不掺掺合料的混凝土相比，本文研究的海工混凝土的自由膨胀率较低，而且易达到膨胀的稳定。
 
     在水胶比为0. 30 时，海工混凝土中SO3 的总含量较高，但由于该混凝土的抗压强度较高，对其膨胀有较大的限制作用，因此，在膨胀剂掺量相同的条件下，A 系列海工混凝土的自由膨胀率小于B 系列海工混凝土(水胶比为0. 50 ，抗压强度较低，混凝土中SO3 的总含量相对较低) 的自由膨胀率。
 
3 　结论

     1. 在50 %矿渣掺量的基础上，当膨胀剂掺量由5 %增至15 %时，海工混凝土抗氯离子渗透性能试验中的初始电流、最大电流增量和氯离子迁移电量亦随之降低。在掺入10 %膨胀剂的条件下，氯离子迁移电量比只掺50 %矿渣的混凝土降低了约50 %。这表明：与降低水胶比和掺加矿渣一样，掺加膨胀剂也是一种有效提高海工混凝土抗氯离子渗透能力的措施。
 
     2. 在50 %矿渣掺量的基础上，当水胶比为0. 30 时，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度波动较小；当水胶比为0. 50 时，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的抗压强度波动较大，并有明显的降低现象。
 
     3. 在50 %矿渣掺量的基础上，随着膨胀剂掺量的增加，海工混凝土的自由膨胀率依次增加，其膨胀主要发生在7 d 龄期以前，在14～28 d 龄期内其膨胀已趋于稳定。在掺入10 %膨胀剂时，海工混凝土的自由膨胀率达到200 ×10 - 4 ，具有一定的微膨胀性能。
 
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，1998.
[ 2 ] 　MOHAMMED T U ， YAMANJ I T ， HAMADA H ， et al . Chloride diffusion ， microst ructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal environment [J ] . ACI Materials Journal ，2002 ，99 (3) ：256 - 263.
[ 3 ] 　李俊毅. 论耐用100 年以上海工混凝土的基本技术条件[J ] . 水运工程，2002 ， (5) ：4 - 7.
[ 4 ] 　田俊峰. 海工高性能混凝土抗氯离子侵蚀耐久寿命预测[J ] . 中国港湾建设，2002 ， (2) ：1 - 6.
[ 5 ] 　LI H ， WEE T H ， WONG S F ， et al . Early2age creep and shrinkage of cement concrete[J ] . ACI material s journal ， 2002 ，99(1) ：3 - 10.
[ 6 ] 　王媛俐，姚　燕. 重点工程混凝土耐久性的研究与工程应用[M] . 北京：中国建材工业出版社，2001.
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