粉煤灰在耐氯離子侵蝕混凝土中作用機理的研究

1、文章編號: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實驗室湖北430070摘要:通過對粉煤灰降低混凝土氯離子滲透電量和其對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理。關(guān)鍵詞:粉煤灰;氯離子;滲透電量;吸附固化中圖分類號:X705文獻標識碼:A 0引

2、言氯離子是一種極強的陽極活化劑,當其滲透到鋼筋周圍達到一定濃度時,就會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度時產(chǎn)生順筋裂紋,最終導(dǎo)致混凝土保護層剝落、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理。1試驗材料水泥:韶峰42.5級普通硅酸鹽水泥;級粉煤灰:篩余12%,需水量94.6%、級粉煤灰:篩余21%,需水量102%;砂:東莞河砂,細度模數(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試驗方法氯離子滲透電量采用ASTMC1202-97標準,試件尺寸為 100×50mm 圓柱體,試驗時在混凝土試件的軸向施加60V 的直流電壓,試件的正、負極兩側(cè)分別放置濃度為0.3N 的NaOH 和3%的NaCl 溶液,記錄6小時內(nèi)通過試件的總電量Q 值(庫侖。吸附固化能力評價方法2:將水泥、粉煤灰在105條件下干燥24h ,測定初始Cl -離子含量(C i0,取樣本2.0g ,置于20mlNaCl 標準液(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 測定氯離子含量Ci ,相對初始固化率P i =(C 0+C i0-C i /C 0反映了組份i 固化Cl -的能力。3試驗結(jié)果分析3.1粉煤灰對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)部鋼筋表面時間,提高混凝土耐氯離子侵蝕能力,因為粉煤灰二次水化不僅生成了更加穩(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說明不同等級粉煤灰改善氯離子

5、滲透能力不同。與級灰相比,級粉煤灰滲透電量明顯下降,同時強度升高;此外,不同粉煤灰摻量改善滲透電量能力不同,當粉煤灰摻量由20%提高到40%時,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粉煤灰對氯離子滲透電量的影響3.2級粉煤灰對氯離子吸附固化能力的影響級粉煤灰能很好地改善抗氯離子滲透能力,按吸附固化能力評價方法對級灰進行了分析,結(jié)果見表 2。表2粉煤灰對氯離子吸附固化能力評價結(jié)果水泥(g FA (g 標準液(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, 純粉煤灰漿體對氯離子的固化能力稍低,其相對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,粉煤灰自身對氯離子具有很強的固化能力。粉煤灰在20%摻量下,對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 -侵蝕機理圖3摻粉煤灰漿體在3d 時的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)的場所,對混凝土內(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)會吸收體系的CH 生成較多的CSH 和水化鋁酸鈣,水化鋁酸鈣會與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,對氯離子起到固化作用。綜上所述,由于粉煤灰不僅能夠密實混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低氯離子滲透速率,同時對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5cm深度地溫增溫作用顯著,而

11、對10cm和15cm深度地溫影響不大。砂姜黑土施用粉煤灰對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對芝麻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響表3磁化肥對芝麻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響處理株高(cm單株蒴數(shù)(個蒴粒數(shù)(個千粒重(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,6.6個、7.1個、0.4個;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,比對照增產(chǎn)14.3%;處理畝產(chǎn)83.04kg,產(chǎn)量居第二位,比對照增產(chǎn)9.7%;處理畝產(chǎn)82.37kg,產(chǎn)量居第三位,比對照增產(chǎn)9.0%;處理畝產(chǎn)77.71kg,產(chǎn)量居第四位,比對照增產(chǎn)4.3%。3結(jié)語磁化肥對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,增強了混凝土抗氯離子侵蝕能力。參考文獻1B.Erlin.William Hime.Chloride-Induce