粉煤灰和矿渣微粉混凝土抗钢筋锈蚀性能的研究
混凝土 武汉理工大学材料科学与工程学院 丁庆军 耿健 胡曙光 吴雄 2014-03-25
摘要：本文采用氯离子浸泡法及线性极化法，研究粉煤灰和矿渣微粉高强混凝土内部钢筋锈蚀特征的变化规律，探讨矿物掺合料对耐久性能的影响。研究结果表明二者均对混凝土内的钢筋缓蚀有明显的促进作用，单矿渣微粉的效果要优于粉煤灰。
关键词：矿物掺合料 强度 耐久性 线性极化法
0 概述
高强混凝土的高耐久性一直以来是众多材料科学工作者研究的热点问题[1-3]，由于氯离子引发的钢筋锈蚀是目前混凝土结构破坏的主要形式，因此高强混凝土的抗氯离子渗透性能，特别是抗钢筋锈蚀能力对该类混凝土的使用尤为重要，而高效减水剂和矿物掺合料的使用是解决该类混凝土高耐久性的两个关键性技术。粉煤灰和矿渣微粉是目前使用最为广泛的矿物掺合料之一，采用这两种矿物掺合料代替部分水泥, 不但提高了新拌混凝土的流动性，降低混凝土的水化热，而且还可以大幅改善混凝土的耐久性能，因此关于这两种矿物掺合料，特别是粉煤灰对混凝土耐久性改善已开展了大量的研究。然而，尽管粉煤灰和矿渣微粉都具有显著改善混凝土耐久性的作用，但是由于这两种矿物掺合料组成和结构上的差异，使得其对混凝土性能的影响效果也不尽一致[4～5]。为了更为充分的发挥二者对混凝土耐久性能改善的作用，本文主要研究了粉煤灰和矿渣微粉对高强混凝土抗钢筋锈蚀性能影响的规律，并对其影响机理进行了分析，以此探明二者对混凝土抗钢筋锈蚀性能影响的不同之处。
1实验部分
1.1 原材料
水泥(C)：亚东42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰(FA)：汉川二级灰；矿渣微粉(SL)：鄂钢矿渣微粉；粗骨料(G)：石灰石 5~25.5mm的连续级配；细骨料(S)：巴河中砂，细度模数2.6。钢筋：Ф12×10cm建筑用螺纹钢；分析纯氯化钠。外加剂(Ad)：花王迈地150奈系高效减水剂。
1.2试验配比及方法
试验配比如表2所示。
钢筋锈蚀试验混凝土的尺寸为10×10×10cm，将已除锈的螺纹钢焊接好导线，并埋入混凝土中，保护层厚度为3cm。将试块标准养护28天后，将保护层一面作为试验面，其余侧面均匀涂抹环氧树脂，并置于浓度为8％的氯化钠溶液中，浸泡180天后采用线性极化法测是钢筋的各腐蚀参数，螺纹钢为工作电极，不锈钢片为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，扫描范围：-20～1000mv，频率：60mv/min。
2 试验结果
试验结果见表3，线性极化检测结果与腐蚀状况对应关系见表4。为了更好的描述矿物掺合料对钢筋锈蚀的影响，同时本文用η表征矿物掺合料对混凝土内钢筋锈蚀的抑制作用：
式中：η--缓蚀率；icorr --基准混凝土内钢筋的腐蚀电流密度；icorr'--样品混凝土内钢筋的腐蚀电流密度。
2. 1粉煤灰的影响
经氯化钠溶液浸泡180天后，各试样中的钢筋均处于不同程度的活化态。根据表4的划分原则判断各试样中钢筋的锈蚀程度，B51、B52、B53均已进入中度腐蚀状态，其中以B51和B52腐蚀最为严重，其腐蚀电流密度分别高达为：0.79744和0.73974μA/cm2，而B54中钢筋的腐蚀程度最轻，仅为轻度腐蚀。同时试样的缓蚀率随粉煤灰掺量增加而增加，但是粉煤灰掺量为10％时，其对钢筋的缓蚀作用并不明显，当掺量为20％和25％时缓蚀效果显著。此外同样由表3和图1可知，粉煤灰掺量的变化对阳极极化曲线的Tafel斜率影响较大，粉煤灰掺量增加，阳极极化曲线的Tafel斜率减小，其切线与横坐标的交叉点向小电流方向移动，腐蚀电流明显减小，极化电阻增大，说明粉煤灰对阳极极化过程具有明显的抑制作用。
[Page]2. 2 矿渣微粉的影响
由表3的结果可知尽管掺矿渣微粉的B54和B55内的纲筋已发生锈蚀，但是均处于轻度锈蚀状态，且其腐蚀程度远低于同掺量的粉煤灰试块，腐蚀电流密度为0.35258和0.31616μA/cm2。同时随矿渣微粉掺量的增加缓蚀率增加，其缓蚀率最高达到60.4%，这表明矿渣微粉对钢筋的缓蚀效果优于粉煤灰。此外同样由表3和图1和3可知，与粉煤灰相比，矿渣微粉掺量的变化对阳极极化曲线Tafel斜率影响不大，矿渣微粉掺量增加，阳极极化曲线的Tafel斜率减小，其切线与横坐标的交叉点向小电流方向移动，腐蚀电流明显减小，极化电阻增大，说明矿渣微粉对阳极极化过程具有明显的抑制作用。
图1 掺粉煤灰混凝土中钢筋的极化曲线
3 分析
混凝土的抗氯离子渗透性能的好与坏，其最终的结果直接表现其内部钢筋的锈蚀程度。本试验采用的是氯化钠溶液浸泡加速钢筋锈蚀试验方法，因此造成式样钢筋锈蚀的最主要原因为氯盐的腐蚀，而这个过程主要受到氯离子向混凝土内扩散速度，即混凝土的抗氯离子渗透性能影响。矿物掺合料对混凝土的抗氯离子渗透性能具有明显地改善作用，且随矿物掺合料掺量的增加，其抗氯离子渗透性能提高，这样可以有效延缓氯离子到达钢筋表面的时间，减小钢筋锈蚀几率。氯离子对钢筋造成的锈蚀破坏，主要由于氯离子对钢筋表面钝化膜的溶解及击穿等作用，贺鸿珠等人采用交流阻抗技术研究了矿物掺合料对钢筋锈蚀的影响［7］，研究表明矿物掺合料可以有效地抑制钢筋表面钝化膜电阻的下降，增大极化电阻，缓解氯离子对钢筋的锈蚀作用。矿渣微粉对钢筋缓蚀效果优于粉煤灰，除了其抗渗性能优于粉煤灰混凝土外，矿渣微粉矿物中还含有一定量C3A，该矿物的水化产物可以与游离状态的氯离子形成Friedel盐，从而减少混凝土内部游离氯离子的数量，消弱游离氯离子对钢筋钝化膜破坏的作用，因此矿渣微粉对混凝土抗钢筋锈蚀性能的提高要优于粉煤灰。
4 结论
矿物掺合料的掺入由于能够提高混凝土的抗氯离子渗透性及抑制钢筋表面钝化膜电阻下降的作用，因此其对钢筋锈蚀的阳极极化过程有明显的抑制作用，即对由氯离子引发的钢筋锈蚀过程具有很好的缓蚀效果，且在一定掺量范围内，随矿物掺合料掺量的增加这种效果越发明显。在同掺量条件下，矿渣微粉对上述高强凝土抗钢筋锈蚀性能的改善要优于粉煤灰。
参考文献
1 尹健，周士琼，谢友均. 高强高性能混凝土的配制与应用研究[J].长沙铁道学院学报，2002，2（20）：17
2 Yunsheng Zhang，Wei Sun，Sifeng Liu. Study on
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3 沈卫国. 粗集料嵌锁型高强高性能混凝土的
制备与性能[J]. 硅酸盐学报，2007，35（5）：624
4 叶建雄，李晓筝，廖佳庆，等. 矿物掺合料对混凝土氯离子渗透扩散性研究[J]. 重庆建筑大学学报，2005，27（3）：89
5 Zuquan, Sun Wei, Zhang Yunsheng. Interaction between sulfate and chloride solution attack of concretes with and without fly ash [J]. Cement
and Concrete Research,online 23 February 2007
6 Elsener B. Half-cell pottential mapping to assess repair work on RC structure [J]. Construction and Building Materials,2001，15（2-3）:133
7 贺鸿珠，史美仑，陈志源.粉煤灰对地铁杂散电流的抑制作用[J],混凝土与水泥制品，2001，（1）：21
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