海洋细骨料对混凝土的加速碳化与氯离子侵蚀复合试验研究

海洋细骨料对混凝土的加速碳化与氯离子侵蚀复合试验研究

随着我国工业生产的发展和城市建设规模的不断扩大，混凝土用于砂砂的需求逐年增加。由于混凝土用作材料的供求矛盾，沿海地区已出现滥用海砂的现象。然而，使用未经处理的海砂严重威胁着混凝土的耐水性。宁波、深圳和台湾也经常出现“海砂屋”的危害报告。因此，有必要研究海砂的性质。Vladimír曾对碳化和氯离子侵蚀共同作用下混凝土结构的钢筋锈蚀情况进行了研究,认为两者的复合作用将加速混凝土内部的钢筋锈蚀,并且由于碳化引起孔隙溶液的碱度降低,使得先碳化后氯离子侵蚀较先氯离子侵蚀后碳化时的钢筋腐蚀情况严重得多.通过试验研究Anstice和柳俊哲也认为,混凝土的碳化能加速氯离子的侵蚀进程,这是因为混凝土中含有氯盐时约占水泥质量0.4%的氯离子与C3A反应生成Friedel复盐,它在混凝土中是不稳定的.当二氧化碳通过扩散作用达到混凝土内部与Friedel复盐反应时生成氯盐并溶解于孔溶液中,其反应机理如下:3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O+3CO2+3H2O→3CaCO3+2Al(OH)3+CaCl2+10H2O一般认为混凝土中氯离子含量达到600g/m3时钢筋钝化膜开始破坏,钢筋腐蚀发展,其锈蚀产物可膨胀2.5倍以上,致使混凝土开裂、剥落,最终导致结构物破坏、失效.另外,碳化能改变混凝土的微观结构,导致混凝土孔隙的减少,总的孔隙率因碳化减少程度取决于水胶比,水胶比越低,减少的孔隙越小.但是在粗骨料与水泥基体之间的界面区含有较多的毛细孔隙,利于碳化反应的进行,在碳化过程中CO2与Ca(OH)2反应放出水分,使混凝土碳化层产生碳化收缩,对混凝土内部形成压力,表层产生拉力,从而导致微裂缝的产生.研究表明,这些裂缝还将导致一些次生孔隙的产生,进而使氯离子和其他侵蚀性介质更容易侵入,使混凝土遭到破坏,这会加大氯离子的渗透.本文通过试验,研究和分析海砂混凝土在碳化以及碳化和氯离子侵蚀复合作用下的耐久性,并与同等试验条件下的河砂混凝土进行对比,利用相关理论定性和定量分析碳化及复合环境作用对海砂混凝土结构耐久性的影响,为海砂的开发利用提供一定的理论依据.1试验材料和方法1.1河砂的基本性能本试验细骨料选取原状海阳海砂,淡化海阳海砂(以下分别简称海砂、淡化海砂)以及青岛大沽河河砂,砂的基本性能如表1所示.碎石最大粒径为20mm;水泥为青岛山水水泥公司生产的P.O42.5水泥;粉煤灰为青岛四方电厂生产的Ⅱ级原状灰;水为自来水;减水剂为聚羧酸系减水剂.水泥和粉煤灰的化学成分及性质见表2.1.2混凝土渗透率分析考虑到海砂在建设工程中的推广应用,参照普通混凝土设计了不同强度等级的海砂混凝土,并用相应强度等级的河砂混凝土作为对比,以研究碳化对不同种类混凝土渗透性的影响.河砂混凝土、淡化海砂混凝土和海砂混凝土配合比分别见表3、表4.海砂混凝土与河砂混凝土胶凝材料用量和水胶比相同,因为海砂与河砂在细度模数、表观密度等方面均有较大差别,根据混凝土塌落度和和易性方面的要求,对砂率和外加剂掺量进行了调整,其中海砂混凝土砂率普遍低于河砂混凝土,外加剂含量略高于河砂混凝土.1.3试验加速碳深度和碳压的确定制作尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试块.根据砂的种类和混凝土强度等级的不同,对各系列混凝土试块进行命名,如表5所示.试块成型24h后拆模,送入标准养护室中养护28d,到达龄期后沿试块顶面(混凝土成型时的上表面)中线切成相等两半,再将切割后的试块放入60℃烘箱干燥2d,取出试块将其4个侧面用石蜡密封,仅留2个相对的面,保证CO2以一维方式扩散,按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82—85)中的标准方法分别进行加速碳化试验14,28d.到达相应龄期后将试块取出,分成两组:一组用于测量碳化深度,本次试验选用1%酚酞酒精溶液测量碳化深度.在混凝土试块劈裂后应立即用酚酞进行碳化深度的测量,向劈裂面喷洒酚酞试剂,待显色清楚后用游标卡尺测量碳化深度值并记录其结果,每个试块测量2个碳化面,每个碳化面测量9个点,计算平均值和标准差.另一组浸泡于浓度为3%的氯化钠溶液中,浸泡时间为5周.浸泡结束后,将试块取出,分层磨粉,根据《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270—98),用滴定法测出混凝土试块不同深度的水溶性自由氯离子含量.2试验结果2.1混凝土驳岸的碳化从表6可以看出,碳化深度与碳化时间成正比,而与混凝土强度等级成反比.但是碳化深度的增加幅度却随着混凝土强度等级的增加而降低,C30混凝土加速碳化28d的碳化深度比加速14d的提高20%左右,而同样条件C50的混凝土碳化深度增加比例还不到10%.这是因为强度等级越高,水胶比越小,混凝土就越密实,混凝土内部的孔隙率就越小,从而减缓了二氧化碳气体向混凝土内部的扩散.比较河砂混凝土、淡化海砂混凝土和海砂混凝土可知,强度等级为C30的混凝土,海砂混凝土的碳化深度最小,而对于C50混凝土,淡化海砂混凝土的碳化深度最小.并且,在强度等级较高时,三种混凝土碳化深度的差值随着碳化时间的增加而减小,这说明,随着碳化时间的增加,三种混凝土的抗碳化性能无明显差异,碳化对淡化海砂混凝土、海砂混凝土耐久性的影响程度与河砂混凝土很接近.因此,从混凝土碳化方面来说,使用淡化海砂或海砂作为混凝土的细骨料,对混凝土的耐久性并无显著影响.2.2混凝土的氯离子含量图1,图2分别为三种混凝土试块,快速碳化14,28d后,浸泡在3%的NaCl溶液中5周测得的自由氯离子含量.由图可知:1)各种混凝土碳化后浸泡在腐蚀溶液中氯离子扩散规律基本一致,即由外向内氯离子含量逐渐降低,并在一定深度处达到稳定值.但海砂混凝土各深度的氯离子含量要明显高于河砂混凝土,如图1(a)在0.5mm深度处海砂混凝土的氯离子含量比河砂混凝土高出17%,主要原因是海砂混凝土中本身就含有氯离子.而经清洗处理的淡化海砂及河砂中氯离子含量很低,淡化海砂混凝土中氯离子含量与河砂混凝土含量比较接近.2)混凝土强度等级越高,氯离子含量越低.如0.5mm深度处图1(a)中C30海砂混凝土氯离子含量比图1(b)中C50海砂混凝土高25%.这是因为混凝土的强度等级越高,混凝土就越密实,混凝土内部的孔隙率就越小,从而阻碍了外部环境中的氯离子向混凝土内部的扩散.3)碳化时间越长,渗透进入的氯离子含量越高.如碳化28d的C3混凝土与碳化14d的C3混凝土相比,氯离子含量增加了11%.其原因是碳化会使混凝土的pH值下降,从而打破氯铝酸盐复合盐的稳定性,将氯离子重新释放出来.而且碳化会改变混凝土的微观结构,导致微裂缝的产生,进而使氯离子和其他侵蚀性介质更容易侵入,使混凝土遭到破坏.3对混凝土耐久性的影响研究1)海砂、淡化海砂混凝土的碳化深度发展规律与河砂混凝土一致.碳化深度随时间的增加而增大,随强度等级的提高而减小.且强度等级越高,三种混凝土碳化深度之间的差距越小.2)比较河砂混凝土、淡化海砂混凝土和海砂混凝土可以看出,在试块的各个深度,通常海砂混凝土的自由氯离子含量是最高的,对混凝土的耐久性影响最大.而河砂与淡化海砂混凝土的自由氯离子含量相差不大,说明经过淡化处理的海砂性能已接近河砂,淡化海砂自由氯离子含量能达到使用要求.3)浸泡前的碳化时间、浸泡时间相同时,混凝土的强度等级越高,则浸泡后试块各深度的自由氯离子含量越小.4)碳化降低了混凝土抗氯离子扩散能力,明显加速自