粉煤灰在耐氯離子侵蝕混凝土中作用機(jī)理的研究

1、文章編號(hào):1007-046X (200403-0014-03科學(xué)研究粉煤灰在耐氯離子侵蝕混凝土中作用機(jī)理的研究R esearch on Mechanism of Fly Ash in Chlorine Ion Corrosion 2R esistance Concrete張平均,董榮珍,張莉,馬保國(武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北430070摘要:通過對(duì)粉煤灰降低混凝土氯離子滲透電量和其對(duì)氯離子吸附固化生成“Friedel 鹽”的研究,指出了混凝土中摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰改善混凝土耐氯離子侵蝕能力的機(jī)理。關(guān)鍵詞:粉煤灰;氯離子;滲透電量;吸附固化中圖分類號(hào):X705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 0引

2、言氯離子是一種極強(qiáng)的陽極活化劑,當(dāng)其滲透到鋼筋周圍達(dá)到一定濃度時(shí),就會(huì)破壞鋼筋表面鈍化膜,造成鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕,生成膨脹性產(chǎn)物體積增大,產(chǎn)生膨脹力使鋼筋周圍混凝土承受的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生順筋裂紋,最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋外露,鋼混結(jié)構(gòu)失去使用壽命1。本文研究了粉煤灰對(duì)混凝土耐氯離子侵蝕的影響,通過粉煤灰“填充、火山灰效應(yīng)”,改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)和表面物理化學(xué)吸附固化氯離子作用,解釋了粉煤灰改善混凝土耐氯離子侵蝕能力的機(jī)理。1試驗(yàn)材料水泥:韶峰42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;級(jí)粉煤灰:篩余12%,需水量94.6%、級(jí)粉煤灰:篩余21%,需水量102%;砂:東莞河砂,細(xì)度模數(shù)2.62.

3、8;石:深康520mm 碎石;減水劑:FDN 高效萘系減水劑,減水率20%24%。2試驗(yàn)方法氯離子滲透電量采用ASTMC1202-97標(biāo)準(zhǔn),試件尺寸為 100×50mm 圓柱體,試驗(yàn)時(shí)在混凝土試件的軸向施加60V 的直流電壓,試件的正、負(fù)極兩側(cè)分別放置濃度為0.3N 的NaOH 和3%的NaCl 溶液,記錄6小時(shí)內(nèi)通過試件的總電量Q 值(庫侖。吸附固化能力評(píng)價(jià)方法2:將水泥、粉煤灰在105條件下干燥24h ,測(cè)定初始Cl -離子含量(C i0,取樣本2.0g ,置于20mlNaCl 標(biāo)準(zhǔn)液(C 0=9.0×10-3mol/L 的30ml試管內(nèi)密封,置于超聲分散儀中(23,每

4、隔0.5h 劇烈震蕩30次,4h 取出靜置1h 測(cè)定氯離子含量Ci ,相對(duì)初始固化率P i =(C 0+C i0-C i /C 0反映了組份i 固化Cl -的能力。3試驗(yàn)結(jié)果分析3.1粉煤灰對(duì)氯離子滲透電量的影響從表1可以看出,摻加20%粉煤灰后,混凝土氯離子滲透電量由純水泥混凝土1932.4庫侖下降到685.2庫侖,說明粉煤灰可以阻止氯離子在混凝土中的滲透速度,延長氯離子滲透到混凝土內(nèi)部鋼筋表面時(shí)間,提高混凝土耐氯離子侵蝕能力,因?yàn)榉勖夯叶嗡粌H生成了更加穩(wěn)定的低堿CSH ,而且減小了CH 的晶粒尺寸,減輕了CH 在界面層過渡區(qū)定向富集,改善了混凝土結(jié)構(gòu);圖1說明不同等級(jí)粉煤灰改善氯離子

5、滲透能力不同。與級(jí)灰相比,級(jí)粉煤灰滲透電量明顯下降,同時(shí)強(qiáng)度升高;此外,不同粉煤灰摻量改善滲透電量能力不同,當(dāng)粉煤灰摻量由20%提高到40%時(shí),滲透電量由685.2庫侖升高到1157.0庫侖,可能由于粉煤灰水化活性較低,使過高摻量粉煤灰二次水化速度較慢,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松,造成抗氯離子滲透能力下降。表1混凝土配合比及結(jié)果編號(hào)單方材料用量(kg/m 3水泥粉煤灰粉煤灰砂石水減水劑坍落度(mm 抗壓強(qiáng)度(MPa 7d 28d 28dCl 滲透電量(c 1490-730110015410.318048.068.01932.4239298-730110015410.321045.965.3685.23

6、392-98730110015410.319042.062.5876.24294196-730110017010.320037.851.01157.05294-196730110017010.318035.449.41385.0 圖1粉煤灰對(duì)氯離子滲透電量的影響3.2級(jí)粉煤灰對(duì)氯離子吸附固化能力的影響級(jí)粉煤灰能很好地改善抗氯離子滲透能力,按吸附固化能力評(píng)價(jià)方法對(duì)級(jí)灰進(jìn)行了分析,結(jié)果見表 2。表2粉煤灰對(duì)氯離子吸附固化能力評(píng)價(jià)結(jié)果水泥(g FA (g 標(biāo)準(zhǔn)液(ml C i0(10-3ml/l C i (10-3ml/l Pi(%0020-9- 2.00200.3 6.6301.60.4200.2

7、87.420.91.20.8200.2572502.0200.2 6.826.7圖2粉煤灰對(duì)氯離子吸附固化的影響從圖2的結(jié)果可以看出,水泥漿體具有最大的Cl -固化能力,與水泥漿體相比, 純粉煤灰漿體對(duì)氯離子的固化能力稍低,其相對(duì)固化率為體系氯離子含量的26.7%。從有關(guān)資料分析中可以認(rèn)為,純粉煤灰漿體在水化5h 內(nèi),幾乎不存在水化反應(yīng),結(jié)果表明,粉煤灰自身對(duì)氯離子具有很強(qiáng)的固化能力。粉煤灰在20%摻量下,對(duì)氯離子的固化力下降,這可能是由于粉煤灰稀釋作用削弱了水泥的水化、導(dǎo)致吸附固化能力下降所致。3.3粉煤灰耐Cl -侵蝕機(jī)理圖3摻粉煤灰漿體在3d 時(shí)的MIP 結(jié)果圖3為粉煤灰水化3d 后漿體

8、微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。從累積孔隙率結(jié)果看,摻粉煤灰的累計(jì)孔隙率要大于純水泥。在水化初期 ,由于粉煤灰取代水泥導(dǎo)致了單位體積內(nèi)水化產(chǎn)物總量的減少,而粉煤灰二次水化反應(yīng)不足以彌補(bǔ)上述體積稀釋效應(yīng);壓入和擠出雙曲線表明,粉煤灰具有更多的瓶頸效應(yīng),有更多的汞在擠出時(shí)殘留于體系內(nèi),粉煤灰的摻入,雖然降低了漿體水化初期的水化產(chǎn)物總量,但由于粉煤灰顆粒具有空心結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的內(nèi)比表面積,可能增加吸附與反應(yīng)的場(chǎng)所,對(duì)混凝土內(nèi)部的Cl -的吸附起到一定的有利作用。圖4摻粉煤灰漿體在28d 時(shí)的MIP 結(jié)果由圖4可以看出,隨著齡期的增長,水泥石微結(jié)構(gòu)孔隙率均明顯下降,累計(jì)孔隙率方面,水泥 粉煤灰,且粉煤灰的上升曲線明顯

9、向小孔方向偏移,顯然是由于粉煤灰的硅鋁玻璃體與水泥水化釋放的CH 反應(yīng)生成了CSH 的緣故,結(jié)構(gòu)變的更加致密,從而提高混凝土抵抗氯離子滲透能力;此外,粉煤灰火山灰效應(yīng)不僅可減少過渡區(qū)內(nèi)的CH 總量,改善過渡區(qū)CH 的取向,同時(shí)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物CSH 凝膠又能填充該區(qū)的大孔隙,從而減少了過渡帶的厚度3,并使過渡帶性能得到較好的改善,最終提高了混凝土的整體性能和混凝土抗氯離子侵蝕能力。圖5Friedel 鹽的SEM 圖此外,摻加粉煤灰的二次水化反應(yīng)會(huì)吸收體系的CH 生成較多的CSH 和水化鋁酸鈣,水化鋁酸鈣會(huì)與Cl -離子及CH 反應(yīng)生成Friedel 鹽(單氯水化鋁酸鈣,C 3A CaCl 210

10、H 2O 和三氯水化鋁酸鈣C 3A 3CaCl 232H 2O ,如圖5所示。其次,CSH 凝膠具有非常大的比表面積,具有較高的表面能,極易將氯離子吸附在其表面,對(duì)氯離子起到固化作用。綜上所述,由于粉煤灰不僅能夠密實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低氯離子滲透速率,同時(shí)對(duì)氯離子吸附固化可以減少混凝土中自由氯離子含量,從而提高混凝土抵抗氯離子侵蝕能力。(下轉(zhuǎn)第31頁表2粉煤灰磁化肥對(duì)土壤溫度的影響(土層深度(cmCK533.2133.2532.5334.1234.501031.4131.5431.2031.7331.841530.1229.8730.3030.4329.92特別是對(duì)5cm深度地溫增溫作用顯著,而

11、對(duì)10cm和15cm深度地溫影響不大。砂姜黑土施用粉煤灰對(duì)5cm深度地溫也起到了增溫作用,但與施用磁化肥相比,作用較小。砂姜黑土施用化肥,地溫幾乎沒有變化。在5cm深度地溫,處理、處理、處理、處理分別比對(duì)照增溫1.29、0.91、0.32、0. 04;10cm深度各處理增溫值依次為0.43、0. 32、0.21、0.13;15cm深度處理、處理地溫分別比C K降低0.25、0.20,處理、處理地溫分別比C K增加0.18、0.31。2.2對(duì)芝麻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響表3磁化肥對(duì)芝麻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響處理株高(cm單株蒴數(shù)(個(gè)蒴粒數(shù)(個(gè)千粒重(g畝產(chǎn)(kgCK131.557.156.8 2.5

12、173.37134.357.557.0 2.5377.71143.264.261.5 2.5582.37140.363.765.2 2.5483.04145.665.767.1 2.5687.71從考種結(jié)果可知(表3,芝麻施用磁化肥起到了促進(jìn)生長,增蒴、增粒、增粒重的效果。從處理到處理與C K相比,單株蒴數(shù)依次增加8.6個(gè),6.6個(gè)、7.1個(gè)、0.4個(gè);蒴粒數(shù)依次增加10.3粒、8.4粒、4.7粒、0.2粒;千粒重依次增加0.05克、0.03克、0.04克、0.02克。產(chǎn)量構(gòu)成因素以施用粉煤灰磁化肥處理最佳。2.3對(duì)芝麻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響從產(chǎn)量結(jié)果(表3可以看出,砂姜黑土區(qū)芝麻施用磁化肥增產(chǎn)效果顯

13、著。C K畝產(chǎn)73.37kg,產(chǎn)量最低;處理畝產(chǎn)87.71kg,產(chǎn)量居第一位,比對(duì)照增產(chǎn)14.3%;處理畝產(chǎn)83.04kg,產(chǎn)量居第二位,比對(duì)照增產(chǎn)9.7%;處理畝產(chǎn)82.37kg,產(chǎn)量居第三位,比對(duì)照增產(chǎn)9.0%;處理畝產(chǎn)77.71kg,產(chǎn)量居第四位,比對(duì)照增產(chǎn)4.3%。3結(jié)語磁化肥對(duì)砂蓋黑土改良具有明顯地降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤溫度的作用,有效地改善了土壤物理性狀,砂姜黑土區(qū)芝麻施用粉煤灰磁化肥增產(chǎn)效果顯著,其主要表現(xiàn)是增蒴、增粒、增粒重;通過生產(chǎn)磁化肥,開發(fā)利用粉煤灰,是電力工業(yè)變廢為寶,改善環(huán)境,增加效益的有效途徑。主要參考文獻(xiàn)1、魏克循河南土壤地理河南科學(xué)技術(shù)出版社19

14、952、吳守華、劉寶山、董云中粉煤灰改土效益研究土壤學(xué)報(bào)1995、32(3:3343403、丁法元等芝麻河南科學(xué)技術(shù)出版社1979收稿日期:03-12-05(上接第15頁4結(jié)論(1由于粉煤灰火山灰活性效應(yīng),混凝土內(nèi)部總孔隙率降低孔徑減小,結(jié)構(gòu)致密降低了氯離子在混凝土中的滲透速率,從而延長了氯離子滲透到混凝土內(nèi)部的時(shí)間。(2粉煤灰的二次水化反應(yīng)生成的水化CSH凝膠的吸附和反應(yīng)生成了Friedel鹽,可以減少自由Cl-的含量,造成到達(dá)混凝土內(nèi)部離子濃度降低,從而提高鋼筋混凝土的使用壽命,增強(qiáng)了混凝土抗氯離子侵蝕能力。參考文獻(xiàn)1B.Erlin.William Hime.Chloride-Induce