溫度因素對摻粉煤灰砂漿中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h1>
2019-03-16 03:22張士亮孫登峰
科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2019年29期
張士亮 孫登峰
摘 ? 要：本文采用了氯鹽溶液浸泡法，研究了0℃、20℃和40℃三種不同環(huán)境溫度條件下，在氯鹽溶液中連續(xù)浸泡了120d的砂漿試件內(nèi)部氯離子濃度分布情況。結(jié)果表明40℃的環(huán)境溫度下砂漿內(nèi)部的氯離子濃度整體比較高，并且氯離子濃度和侵蝕深度之間存在非常好的指數(shù)函數(shù)相關(guān)性。
關(guān)鍵詞：溫度 ?粉煤灰 ?氯離子濃度
中圖分類號：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0062-04
Abstract：Under three different temperature conditions： 0℃， 20℃ and 40℃，distribution of chloride ion concentration of mortar specimens immersed in chloride solution for 120 days has been investigated， through natural immersion method.Results shown chloride ion concentration was higher under the condition of 40℃. There was a good exponential correlation between chloride concentration and erosion depth.
Key Words：Temperature; Fly ash; Chloride ion concentration
氯離子在水泥基材料中的傳輸過程又是非常復(fù)雜的，同時也會受到內(nèi)部以及外部許多因素的影響，例如所處環(huán)境中氯離子濃度、環(huán)境溫度、碳化、養(yǎng)護(hù)齡期及膠凝材料種類等[1]。粉煤灰作為建筑材料領(lǐng)域最常用的礦物摻合料之一，添加到混凝土材料中可以顯著改善混凝土材料的性能，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)自身的壽命[2]。許多學(xué)者在氯離子擴(kuò)散方面做了大量工作，但是大多數(shù)工作是建立在單一影響因素的前提下進(jìn)行研究的，對于多因素作用下的氯離子結(jié)合能力的研究相對較少。但是在實(shí)際環(huán)境中，混凝土材料是處于多因素作用下的復(fù)雜情況[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者專家對于干濕循環(huán)、凍融條件和碳化等因素對水泥基材料中氯離子擴(kuò)散的影響研究的較多，但對于不同環(huán)境溫度因素對氯離子在水泥基材料中的傳輸性研究相對較少，而溫度又對水泥基材料的耐久性和抗氯離子侵蝕能力起著重要作用[4-5]。本文主要研究了不同環(huán)境溫度條件下，不同粉煤灰摻量的砂漿中氯離子的傳輸規(guī)律。
1 ?實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
試驗(yàn)采用P.O42.5的中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥。粉煤灰選用南京華能粉煤灰有限公司生產(chǎn)的，細(xì)集料采用的是細(xì)度模數(shù)為2.5的石英砂。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)中采用的砂漿試件的配合比見表1。按照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL-T5150-2001中關(guān)于水泥砂漿和試塊相關(guān)規(guī)定制作試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671-1999）中的有關(guān)規(guī)定，測試試塊的抗壓及抗折強(qiáng)度。
將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試塊進(jìn)行自然浸泡，浸泡溶液為5%氯化鈉溶液。依照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270-1998）的相關(guān)規(guī)定測試水泥砂漿中的自由氯離子含量和總氯離子含量。本實(shí)驗(yàn)采用自然浸泡法將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試塊浸泡在鹽溶液中，其中溫度試驗(yàn)是將試塊均放在5%NaCl溶液里，然后分三組置于0℃、20℃和40℃環(huán)境中進(jìn)行120d的氯離子侵蝕試驗(yàn)。采用NJCL-C型氯離子含量快速測定儀測定自由氯離子的含量。
2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 強(qiáng)度
試驗(yàn)采用了粉煤灰部分取代水泥，作為膠凝材料，摻合料的摻量分別設(shè)置為15%，30%和45%。砂漿試件3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。相同氯鹽侵蝕條件下，不同齡期、不同摻合料摻量的砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分別見圖1和圖2。
由圖1和圖2可見，養(yǎng)護(hù)齡期一定時，當(dāng)粉煤灰摻量從0增加到45%的時候，砂漿試件的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加逐漸下降，呈現(xiàn)出反比例關(guān)系。對于抗折強(qiáng)度來說，養(yǎng)護(hù)齡期為3d和7d的時候，粉煤灰摻量越高砂漿的強(qiáng)度損失越明顯，但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28d的時候，隨著粉煤灰摻量的增加強(qiáng)度損失程度逐漸減小。對于抗壓強(qiáng)度來說，當(dāng)摻入粉煤灰的時候，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢，并且，即使在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d的時候，抗壓強(qiáng)度還是出現(xiàn)明顯損失。養(yǎng)護(hù)齡期越長，越有利于粉煤灰的二次水化效應(yīng)，砂漿的強(qiáng)度會得到顯著的增強(qiáng)。
2.2 氯離子傳輸性
通過自然浸泡實(shí)驗(yàn)，將在5%鋁鹽溶液中浸泡了120d的砂漿試件取出并鉆取不同深度的砂漿粉末，測試氯離子濃度。0℃、20℃和40℃三種不同的溫度環(huán)境下，氯離子濃度結(jié)果見表3、表4以及表5。在20℃和40℃溫度環(huán)境作用下，不同粉煤灰摻量的砂漿試件經(jīng)過120d浸泡試驗(yàn)可得出不同溫度下自由氯離子在砂漿內(nèi)部不同深度處的濃度變化關(guān)系圖見圖3和圖4。
由圖3和圖4可以看出，水泥基材料經(jīng)過120d的浸泡，在20℃或者40℃環(huán)境中，隨著侵蝕深度的增加，水泥基材料內(nèi)部的氯離子濃度總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢。并且通過觀察可以看出，在不同的溫度環(huán)境中浸泡120d后，在同一侵蝕深度處，砂漿內(nèi)部的自由氯離子濃度總體上40℃環(huán)境中的結(jié)果高于20℃環(huán)境中的濃度。在20℃環(huán)境下，粉煤灰摻量為0、15%、30%、45%的時候，自由氯離子濃度和深度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性R2分別為0.963、0.982、0.980以及0.995，相關(guān)性較好。在40℃環(huán)境下，自由氯離子濃度呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。相關(guān)性R2分別為0.991、0.999、0.981以及0.999。
3 ?結(jié)語
（1）養(yǎng)護(hù)齡期一定時，當(dāng)粉煤灰摻量從0增加到45%的時候，砂漿試件的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加逐漸下降，呈現(xiàn)出反比例關(guān)系。
（2）環(huán)境溫度為0℃的時候，由于溫度比較低，不僅水化反應(yīng)速率降低，氯離子傳輸速率也會出現(xiàn)減緩現(xiàn)象。同等條件下，40℃環(huán)境下的自由氯離子濃度高于20℃環(huán)境。在20℃和40℃環(huán)境下，粉煤灰摻量為0、15%、30%、45%的時候，自由氯離子濃度和深度位置之間均呈現(xiàn)明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并且40℃環(huán)境下，兩者之間的相關(guān)性較好。
參考文獻(xiàn)
[1] Zibara H. Binding of external chloride by cement pastes[D]. Ph D thesis， Department of Building Materials， Canada， Toronto， University of Toronto， 2001.
[2] 牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京：科學(xué)出版社，2003.
[3] Elakneswaran Y， Nawa T， Kurumisawa K. Electrokinetic potential of hydrated cement in relation to adsorption of chlorides[J]. Cement and Concrete Research， 2009， 39（4）： 340-344.
[4] 鄭永來，鄭潔瓊，張梅.碳化程度對混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，38（3）：412-416.
[5] 李毅，王顯利，馬德寶，等.混凝土凍融損傷后的氯離子濃度分布預(yù)測[J].北華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，10（2）：153-155.
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張士亮 孫登峰
摘 ? 要：本文采用了氯鹽溶液浸泡法，研究了0℃、20℃和40℃三種不同環(huán)境溫度條件下，在氯鹽溶液中連續(xù)浸泡了120d的砂漿試件內(nèi)部氯離子濃度分布情況。結(jié)果表明40℃的環(huán)境溫度下砂漿內(nèi)部的氯離子濃度整體比較高，并且氯離子濃度和侵蝕深度之間存在非常好的指數(shù)函數(shù)相關(guān)性。
關(guān)鍵詞：溫度 ?粉煤灰 ?氯離子濃度
中圖分類號：TU528 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0062-04
Abstract：Under three different temperature conditions： 0℃， 20℃ and 40℃，distribution of chloride ion concentration of mortar specimens immersed in chloride solution for 120 days has been investigated， through natural immersion method.Results shown chloride ion concentration was higher under the condition of 40℃. There was a good exponential correlation between chloride concentration and erosion depth.
Key Words：Temperature; Fly ash; Chloride ion concentration
氯離子在水泥基材料中的傳輸過程又是非常復(fù)雜的，同時也會受到內(nèi)部以及外部許多因素的影響，例如所處環(huán)境中氯離子濃度、環(huán)境溫度、碳化、養(yǎng)護(hù)齡期及膠凝材料種類等[1]。粉煤灰作為建筑材料領(lǐng)域最常用的礦物摻合料之一，添加到混凝土材料中可以顯著改善混凝土材料的性能，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)自身的壽命[2]。許多學(xué)者在氯離子擴(kuò)散方面做了大量工作，但是大多數(shù)工作是建立在單一影響因素的前提下進(jìn)行研究的，對于多因素作用下的氯離子結(jié)合能力的研究相對較少。但是在實(shí)際環(huán)境中，混凝土材料是處于多因素作用下的復(fù)雜情況[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者專家對于干濕循環(huán)、凍融條件和碳化等因素對水泥基材料中氯離子擴(kuò)散的影響研究的較多，但對于不同環(huán)境溫度因素對氯離子在水泥基材料中的傳輸性研究相對較少，而溫度又對水泥基材料的耐久性和抗氯離子侵蝕能力起著重要作用[4-5]。本文主要研究了不同環(huán)境溫度條件下，不同粉煤灰摻量的砂漿中氯離子的傳輸規(guī)律。
1 ?實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
試驗(yàn)采用P.O42.5的中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥。粉煤灰選用南京華能粉煤灰有限公司生產(chǎn)的，細(xì)集料采用的是細(xì)度模數(shù)為2.5的石英砂。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)中采用的砂漿試件的配合比見表1。按照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL-T5150-2001中關(guān)于水泥砂漿和試塊相關(guān)規(guī)定制作試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671-1999）中的有關(guān)規(guī)定，測試試塊的抗壓及抗折強(qiáng)度。
將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試塊進(jìn)行自然浸泡，浸泡溶液為5%氯化鈉溶液。依照《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270-1998）的相關(guān)規(guī)定測試水泥砂漿中的自由氯離子含量和總氯離子含量。本實(shí)驗(yàn)采用自然浸泡法將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試塊浸泡在鹽溶液中，其中溫度試驗(yàn)是將試塊均放在5%NaCl溶液里，然后分三組置于0℃、20℃和40℃環(huán)境中進(jìn)行120d的氯離子侵蝕試驗(yàn)。采用NJCL-C型氯離子含量快速測定儀測定自由氯離子的含量。
2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 強(qiáng)度
試驗(yàn)采用了粉煤灰部分取代水泥，作為膠凝材料，摻合料的摻量分別設(shè)置為15%，30%和45%。砂漿試件3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。相同氯鹽侵蝕條件下，不同齡期、不同摻合料摻量的砂漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分別見圖1和圖2。
由圖1和圖2可見，養(yǎng)護(hù)齡期一定時，當(dāng)粉煤灰摻量從0增加到45%的時候，砂漿試件的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加逐漸下降，呈現(xiàn)出反比例關(guān)系。對于抗折強(qiáng)度來說，養(yǎng)護(hù)齡期為3d和7d的時候，粉煤灰摻量越高砂漿的強(qiáng)度損失越明顯，但是當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28d的時候，隨著粉煤灰摻量的增加強(qiáng)度損失程度逐漸減小。對于抗壓強(qiáng)度來說，當(dāng)摻入粉煤灰的時候，強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢，并且，即使在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d的時候，抗壓強(qiáng)度還是出現(xiàn)明顯損失。養(yǎng)護(hù)齡期越長，越有利于粉煤灰的二次水化效應(yīng)，砂漿的強(qiáng)度會得到顯著的增強(qiáng)。
2.2 氯離子傳輸性
通過自然浸泡實(shí)驗(yàn)，將在5%鋁鹽溶液中浸泡了120d的砂漿試件取出并鉆取不同深度的砂漿粉末，測試氯離子濃度。0℃、20℃和40℃三種不同的溫度環(huán)境下，氯離子濃度結(jié)果見表3、表4以及表5。在20℃和40℃溫度環(huán)境作用下，不同粉煤灰摻量的砂漿試件經(jīng)過120d浸泡試驗(yàn)可得出不同溫度下自由氯離子在砂漿內(nèi)部不同深度處的濃度變化關(guān)系圖見圖3和圖4。
由圖3和圖4可以看出，水泥基材料經(jīng)過120d的浸泡，在20℃或者40℃環(huán)境中，隨著侵蝕深度的增加，水泥基材料內(nèi)部的氯離子濃度總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢。并且通過觀察可以看出，在不同的溫度環(huán)境中浸泡120d后，在同一侵蝕深度處，砂漿內(nèi)部的自由氯離子濃度總體上40℃環(huán)境中的結(jié)果高于20℃環(huán)境中的濃度。在20℃環(huán)境下，粉煤灰摻量為0、15%、30%、45%的時候，自由氯離子濃度和深度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性R2分別為0.963、0.982、0.980以及0.995，相關(guān)性較好。在40℃環(huán)境下，自由氯離子濃度呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。相關(guān)性R2分別為0.991、0.999、0.981以及0.999。
3 ?結(jié)語
（1）養(yǎng)護(hù)齡期一定時，當(dāng)粉煤灰摻量從0增加到45%的時候，砂漿試件的抗折和抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加逐漸下降，呈現(xiàn)出反比例關(guān)系。
（2）環(huán)境溫度為0℃的時候，由于溫度比較低，不僅水化反應(yīng)速率降低，氯離子傳輸速率也會出現(xiàn)減緩現(xiàn)象。同等條件下，40℃環(huán)境下的自由氯離子濃度高于20℃環(huán)境。在20℃和40℃環(huán)境下，粉煤灰摻量為0、15%、30%、45%的時候，自由氯離子濃度和深度位置之間均呈現(xiàn)明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，并且40℃環(huán)境下，兩者之間的相關(guān)性較好。
參考文獻(xiàn)
[1] Zibara H. Binding of external chloride by cement pastes[D]. Ph D thesis， Department of Building Materials， Canada， Toronto， University of Toronto， 2001.
[2] 牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京：科學(xué)出版社，2003.
[3] Elakneswaran Y， Nawa T， Kurumisawa K. Electrokinetic potential of hydrated cement in relation to adsorption of chlorides[J]. Cement and Concrete Research， 2009， 39（4）： 340-344.
[4] 鄭永來，鄭潔瓊，張梅.碳化程度對混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，38（3）：412-416.
[5] 李毅，王顯利，馬德寶，等.混凝土凍融損傷后的氯離子濃度分布預(yù)測[J].北華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，10（2）：153-155.
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