渗透性能（精选7篇）
渗透性能 篇1
水泥基复合材料的耐久性与其渗透性尤其是离子渗透性密切相关,其离子渗透性可借助氯离子渗透试验中的加速扩散法对其进行评价[1]。超低离子渗透性水泥基材料(Ultra Low Ion Permeability Cementitious Materials,简称ULIPCM)是一种适用于制备地下工程混凝土结构构件保护层的高性能水泥基复合材料[2]。本文采用电量法和快速Cl-扩散测试法(NEL法)来评价ULIPCM的抗离子渗透性能,同时采用MIP、显微硬度、SEM和TG-DTG等测试手段研究其孔结构、界面过渡区、水化产物等微观结构,分析ULIPCM的微观结构与其离子渗透性能之间的相互关系。
1 原材料和试验方法
1.1 原材料与配合比
水泥:武汉亚东水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5水泥;填充密实组分:武汉阳逻电厂的Ⅱ级粉煤灰和武汉森太冶金有限责任公司的微硅粉;细颗粒骨架材料:由粒径0.18～0.27 mm和0.27～0.70 mm的石英砂按1∶1的质量比配制而成,细度模数为1.50,属特细砂;减缩组分:江苏博特新材料有限公司生产的JM-SRA混凝土减缩剂;抗裂组分:武汉天汇纤维材料有限公司生产的聚丙烯纤维,长度分别为3 mm和10 mm;憎水组分:上海渗克防水材料有限公司生产的THINKABLE防水材料;高效减水剂:武汉浩源化学建材有限公司生产的FDN高浓型萘系高效减水剂。
ULIPCM的配合比见表1,水胶比均为0.22,减水剂掺量为胶凝材料质量的2%,U1集胶比为1.1,U2和U3集胶比为1.2,U2和U3的差别在于填充密实组分中粉煤灰的掺量由30%增大到33%。
1.2 试样制备与养护方法
ULIPCM搅拌工艺:(1)将2种粒径的细颗粒骨架材料按1∶1的质量比配制,倒入混凝土搅拌机中干拌30 s,混合均匀;(2)将水泥、填充密实组分(按比例配制)等胶凝材料倒入混凝土搅拌机中干拌1 min,混合均匀;(3)将2种长度的聚丙烯纤维按1∶1的质量比配制,倒入混凝土搅拌机中干拌1 min,分散均匀;(4)将高效减水剂和减缩剂加入到80%的拌合水中搅拌均匀,再倒入混凝土搅拌机中搅拌2 min;(5)把剩余的20%拌合水加入混凝土搅拌机中再搅拌2 min,即可浇注成型。
养护方法:包括标准养护和蒸汽养护2种。其中蒸汽养护制度采用3 h-3 h-4 h-2 h的升温模式,蒸养温度最高45℃,即试件浇注成型后静停3 h、升温3 h(升温速率≤10℃/h)、恒温4 h(温度恒定为45℃)、降温2 h(降温速率≤10℃/h),蒸养后放入温度(20±2)℃、相对湿度≥95%的标养室中养护。
1.3 试验方法
(1)抗氯离子渗透性试验:(1)电量法[3],根据ASTM C1202—97电量法测试水泥基复合材料的6 h导电量,试样尺寸为Φ100 mm×50 mm;(2)快速Cl-扩散测试法(NEL法)[4],采用CCES01—2004标准推荐的快速Cl-扩散测试法(NEL法)测试水泥基复合材料的Cl-扩散系数,试样尺寸为100 mm×100 mm×50mm。
(2)微观性能测试:采用美国Quantachrome公司生产的Autoscan-60型压汞仪测试孔结构;采用上海尚光显微镜有限公司生产的HXS-1000数字式智能显微硬度计分析集料与水泥石之间界面过渡区的显微硬度;采用日本电子株式会社(JEOL)生产的JSM-5610LV型扫描电子显微镜观察集料与水泥石之间界面过渡区内水化产物的微观形貌;采用德国耐驰仪器制造有限公司(NETZSCH)生产的STA 449C型综合热分析仪,进行TG-DTG定量分析水化产物。
表2为ASTM C1202—97和CCES 01—2004的混凝土渗透性评价标准。
2 试验结果与分析
2.1 导电量(见表3)
C
由表3可以看出,标养28 d时,U1、U2、U3的6 h导电量小于300 C,约为一般高性能混凝土6 h导电量(2000～3000 C)的1/10～1/7,根据表2可知,ULIPCM的Cl-渗透性能为“非常低”等级;标养90 d时,U1、U2、U3的6 h导电量小于100 C。说明随着水化龄期的延长,ULIPCM的结构更为致密,有利于提高其抗Cl-渗透性能。
标养28 d与90 d时,ULIPCM的抗Cl-渗透性顺序为:U1>U2>U3。
2.2 Cl-扩散系数(见表4)
×10-13 m2/s
从表4可以看出,28 d时,不论是标养还是蒸养,U1、U2、U3的Cl-扩散系数都小于1.0×10-13 m2/s,约为一般高性能混凝土Cl-扩散系数[(10～20)×10-13 m2/s]的1/20～1/10,且蒸养条件下,试样的Cl-扩散系数都要稍低于标养条件下的。根据表2可知,ULIPCM的Cl-渗透性能为“极低”等级。
不论是在标养还是在蒸养条件下,ULIPCM的抗Cl-渗透性顺序均为:U1>U2>U3。
采用电量法和快速Cl-扩散测试法的测试结果表明,ULIPCM的Cl-渗透性能为“非常低”或“极低”,分析其中原因,主要是由于ULIPCM采用了粒径180～700μm的特细砂,掺有较多的高活性辅助胶凝材料作为填充密实组分,以及掺入了性能调整组分,使得ULIPCM的微观结构得到了显著改善,有利于降低其离子渗透性能。
3 ULIPCM的微观结构分析
3.1 ULIPCM的孔结构分析
试样U3标养28 d的孔结构分析见表5。
从表5可以看出,试样U3的孔隙率仅为1.74%,孔径不小于50 nm和不小于25 nm的孔分别占13.88%和19.26%,最可几孔径在3.0～5.0 nm,与传统砂浆试样的孔结构比较可以发现,ULIPCM中大孔减少、小孔增加、孔隙率以及最可几孔径都大幅减小。ULIPCM的孔结构得到了极大的优化。
3.2 ULIPCM的显微硬度
图1是试样U3标养28 d时,集料与水泥石界面过渡区的显微硬度。
从图1可以看出,试样U3中,在靠近集料表面处显微硬度小;从集料表面到水泥浆体本体,显微硬度基本上逐渐增大,直至近似为常数。
试样U3的集料与水泥石界面过渡区显微硬度在距离集料表面10～30μm处显著增大,说明其界面过渡区厚度为30μm以下,远小于普通混凝土集料与水泥石界面过渡区(60～100μm)的厚度[5];且界面过渡区显微硬度最低也达到了395MPa,远超出普通混凝土界面过渡区显微硬度(150～250 MPa)的范围[6],说明ULIPCM的集料与水泥石界面过渡区厚度已经被细化,界面过渡区得到了显著改善。
3.3 ULIPCM的SEM分析
图2是试样U3标养28 d时,集料与水泥石界面过渡区的SEM照片。
从图2可以看出,试样U3的界面过渡区内充满了水化产物,结构致密,C-S-H凝胶非常多,CH晶体很少且取向性差,说明ULIPCM的界面过渡区得到了显著改善。分析其中原因,主要是由于ULIPCM中高活性填充密实组分与水泥水化产物发生二次水化反应,消耗掉了部分CH晶体,生成C-S-H凝胶,同时也包含有集料采用了粒径180～700μm特细砂的因素。
3.4 ULIPCM的TG-DTG分析
采用TG定量分析水化产物中的CH含量,按照式(1)计算[7,8]:
式中:TG1———400～550℃间的失重,%;
TG2———550～800℃间的失重,%。
图3是试样U3水化28 d时水泥净浆的TG-DTG曲线。
通过图3,按照式(1)计算,试样U3的水化产物在28 d的CH含量仅为6.25%,比普通硅酸盐水泥浆体的CH含量(22.0%左右)下降了71.6%。这主要是由于ULIPCM中掺入了大量的高活性辅助胶凝材料,减少了水泥熟料,降低了CH生成量,同时,高活性辅助胶凝材料的火山灰反应也消耗CH晶体,降低了CH的含量。
从上述各种微观结构测试结果来看,ULIPCM的孔隙率、最可几孔径等孔结构参数均得到了优化;ULIPCM的界面过渡区得到了显著改善,界面过渡区厚度细化为30μm以下,界面过渡区内充满了水化产物,结构致密,C-S-H凝胶非常多,CH晶体很少且取向性差;ULIPCM的水化产物中CH含量大幅下降。ULIPCM的孔结构、界面过渡区等微观结构得到了显著改善,孔结构的优化和界面过渡区的细化减少了由于毛细孔或界面过渡区相互贯通而形成的逾渗路径,有利于提高其抗氯离子渗透性能。
4 结论
(1)28 d时,ULIPCM的6 h导电量小于300 C,为一般高性能混凝土的1/10～1/7;90 d时,ULIPCM的6 h导电量小于100 C。28 d时,不论是标养还是蒸养,ULIPCM的Cl-扩散系数均小于1.0×10-13 m2/s,为一般高性能混凝土的1/20～1/10,且蒸养条件下ULIPCM的Cl-扩散系数稍低于标养条件下的。ULIPCM的Cl-渗透性能为“非常低”或“极低”等级。
(2)ULIPCM的孔隙率、最可几孔径等孔结构参数均得到了优化;ULIPCM的界面过渡区得到了显著改善,界面过渡区厚度细化为30μm以下,界面过渡区内充满了水化产物,结构致密,C-S-H凝胶非常多,CH晶体很少且取向性差;ULIPCM的水化产物中CH含量大幅下降。
(3)ULIPCM的孔结构优化和界面过渡区细化减少了由于毛细孔或界面过渡区相互贯通而形成的逾渗路径,有利于提高其抗氯离子渗透性能。
摘要：通过优化超低离子渗透性水泥基材料(ULIPCM)的孔结构以及细化其界面过渡区,减少由于毛细孔或界面过渡区相互贯通而形成的逾渗路径,提高了其抗氯离子渗透性能。28 d时,ULIPCM的6 h导电量小于300 C,为一般高性能混凝土的1/10～1/7;90d时,ULIPCM的6 h导电量小于100 C。28 d时,ULIPCM的Cl-扩散系数小于1.0×10-13 m2/s,为一般高性能混凝土的1/20～1/10,且蒸养条件下ULIPCM的Cl-扩散系数稍低于标养条件下的。ULIPCM的界面过渡区厚度细化为30μm以下,界面过渡区内充满了水化产物,结构致密,C-S-H凝胶非常多,CH晶体很少且取向性差;ULIPCM的水化产物中CH含量大幅下降。
关键词：氯离子渗透,孔结构,界面过渡区,微观结构,CH含量
参考文献
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渗透性能 篇2
近年来, 国内外土木工程界十分关注混凝土耐久性问题, 作了大量的试验研究, 工程技术人员对认识混凝土耐久性的程度不断加深。混凝土的耐久性问题涉及的内容较多, 其影响因素和破坏机理也较复杂。尽管影响因素很多, 但有一个共同特点是:都与水或者其他有害液体或气体向其内部传输的难易程度有关。通常认为混凝土的渗透性是评价其耐久性的重要指标, 混凝土耐久性的研究与评价应当建立在对渗透性正确评价的基础上[1,2,3]。混凝土的耐久性与其渗透性密切相关, 开展基于渗透性的混凝土耐久性研究, 从根本上提高混凝土本身对外界侵蚀性介质的抵抗能力, 无疑是耐久性研究中不可少的组成部分, 对混凝土耐久性的评价与高耐久性混凝土的设计亦具有重要的现实意义[4]。高性能混凝土与普通混凝土的区别之处主要在于高性能混凝土中一般掺有矿物掺合料, 如粉煤灰、矿渣、硅灰等, 这些掺合料对混凝土的性能具有物理和化学的改善作用。粉煤灰作为一种常用矿物掺合料, 广泛应用于高性能混凝土中。目前对粉煤灰的研究主要集中在火山灰效应、微集料效应等方面, 对混凝土力学性能和渗透性能的研究相对较少。本文主要研究粉煤灰掺量对混凝土力学性能及抗渗透性能的影响, 同时分析并给出了粉煤灰混凝土的抗渗透性综合评价指标。
2 原材料、配合比和试验方法
2.1 原材料
水泥:江南小野田52.5P·Ⅱ水泥, 其标准稠度用水量28.6%, 其化学成分如表1所示。
粉煤灰:南京电热厂Ⅰ级粉煤灰, 需水比90.9%, 含水量0.22%, 比表面积3228cm2/g, 其化学成分如表1所示。
细集料:赣江中粗河沙, 细度模数为2.6。
粗集料:镇江茅迪玄武岩碎石, 粒径5~25mm连续级配。
外加剂:江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂PCA。
2.2 混凝土配合比
为了研究粉煤灰掺量对混凝土力学性能和渗透性能的影响规律, 试验选取了4组不同强度等级的混凝土, 既有低水胶比的高强混凝土, 也有高水胶比的低强混凝土, 混凝土配合比如表2所示。胶凝材料用量分别为420kg/m3、390kg/m3、360kg/m3、340kg/m3;粉煤灰掺量分别为胶凝材料总量的0、12.5%、25.0%、37.5%;水胶比分别为0.38、0.42、0.46和0.50;砂率均为39%。
2.3 试验方法
混凝土抗压强度试验参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行, 试模采用100mm×100mm×100mm钢试模, 分别测试7d、28d和90d的抗压强度。电通量实验参照ASTM C1202进行, 其测试电压为60V, 通电时间为6h。不同粉煤灰掺量的混凝土均采用标准养护一年的试件作为测试对象, 测试前先将100mm×100mm×300mm长方体试块, 切割成100×100×50的试块。电通量测试前, 混凝土试件先真空饱水24h后, 轴向施加60V直流电压, 试件两端正负极两侧的电解池内分别放置浓度为0.3mol/L的Na OH溶液和3%的Na Cl溶液, 在试验开始后, 记录初始电流并每隔5min测量一次通过试块的电流, 持续6h, 根据6h通电时间内电流变化计算总电量Q。
注:C38F0表示水胶比:0.38, 粉煤灰掺量为0%;F12表示粉煤灰掺量为12.5%;F25表示粉煤灰掺量为25.0%;F37表示粉煤灰掺量为37.5%, 其余依次类推。
3 试验结果与分析
3.1 粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响
图1中 (a) 、 (b) 、 (c) 和 (d) 分别给出粉煤灰掺量对四种不同强度等级混凝土抗压强度的影响结果。由图可以看出, 粉煤灰对混凝土早期抗压强度 (7d) 影响较大, 对混凝土后期抗压强度 (90d) 影响相对较小;粉煤灰掺量越大, 对混凝土抗压强度降低的幅度越明显;水胶比越大, 粉煤灰对混凝土抗压强度降低的作用效果越显著。与不掺粉煤灰的基准混凝土相比, 水胶比为0.38的混凝土分别掺入12.5%、25.0%和37.5%的粉煤灰后, 7d抗压强度分别降低了7.47%、21.62%、36.77%;水胶比为0.42的混凝土分别掺入12.5%、25.0%和37.5%的粉煤灰后, 7d抗压强度分别降低了5.59%、23.08%、30.54%;水胶比为0.46的混凝土分别掺入12.5%、25.0%和37.5%的粉煤灰后, 7d抗压强度分别降低了12.77%、21.38%、35.37%;水胶比为0.50的混凝土分别掺入12.5%、25.0%和37.5%的粉煤灰后, 7d抗压强度分别降低了19.21%、29.69%、42.36%。随着养护龄期的延长, 粉煤灰对混凝土抗压强度的降低幅度明显减小, 水胶比越低, 粉煤灰对混凝土后期强度的增长效果越显著, 低水胶比时, 掺粉煤灰混凝土90d抗压强度已经接近或超过基准混凝土抗压强度相应值。可见, 粉煤灰更适用于低水胶比混凝土中, 易于优化混凝土的强度发展历程, 降低低水胶比混凝土的水化温升, 提高混凝土的抗裂性。考虑到粉煤灰对混凝土早期强度的影响, 大掺量粉煤灰混凝土的强度等级应以90d龄期作为参考值。
3.2 粉煤灰掺量对混凝土渗透性能的影响
图2给出粉煤灰掺量对标准养护一年的混凝土试件电通量和初始电流的影响结果。由图可以看出, 与基准混凝土相比, 无论在哪种水胶比条件下, 粉煤灰等量取代水泥均能较大幅度降低混凝土电通量和初始电流, 且随粉煤灰掺量的增加, 混凝土电通量和初始电流呈递减趋势。粉煤灰掺量较低时 (0~12.5%) , 水胶比对混凝土电通量和初始电流的影响较大, 水胶比越大, 混凝土电通量和初始电流相应也越大, 混凝土抗渗性能较弱;粉煤灰掺量较大时 (25.0%~37.5%) , 水胶比对混凝土混凝土电通量和初始电流的影响较小, 几乎不随水胶比的变化而变化, 文献[5]也得到类似的结论。相同条件下, 25%粉煤灰掺入后, 水胶比为0.38、0.42、0.46和0.50的混凝土电通量分别为379.9C、535.1C、542.6C和562.6C, 初始电流分别为15.26m A、20.92m A、22.94m A和20.38m A;37.5%粉煤灰掺入后, 水胶比为0.38、0.42、0.46和0.50的混凝土电通量分别为333.0C、419.5C、301.0C和365.8C, 初始电流分别为16.51m A、16.24m A、14.71m A和11.92m A。产生这种现象的原因, 笔者认为, 粉煤灰的火山灰活性可以产生二次水化作用, 其微珠状颗粒均匀分布在水泥浆中, 可填充混凝土内部孔隙, 改善混凝土的孔结构, 微细的粉煤灰生成的水化产物易阻塞水泥浆体的扩散通道, 使含粉煤灰的水泥浆体中的扩散通道比空白样更弯曲, 不利于扩散反应的进行[6]。
3.3 电通量与初始电流的相关性分析
为了进一步对比混凝土电通量和初始电流之间的相关性, 将不同粉煤灰掺量及不同水胶比条件下测得的16组混凝土的电通量和初始电流进行回归分析, 结果见图3所示。由图可以看出, 16组混凝土的电通量与初始电流之间存在良好的线性关系, 且满足线性方程Y=0.0401X+0.0294, 且二者的相关性系数R2达到0.968, 可见相关性较为显著。由此表明, 混凝土的电通量与初始电流之间具有稳定的比例关系, 而不受胶凝材料体系中粉煤灰掺量和水胶比的影响。因此, 采用初始电流作为评价掺粉煤灰混凝土的渗透性指标, 可快速而方便地评价混凝土的渗透性能。
4 结论
⑴粉煤灰对混凝土早期强度影响相对较大, 均表现出负效应, 粉煤灰掺量越大对早期强度影响越显著;粉煤灰对混凝土后期强度影响相对较小, 建议在设计混凝土强度等级时可以选择90d龄期作为参考等级;不同水胶比条件下, 粉煤灰对混凝土抗压强度影响效果不同, 水胶比越大, 粉煤灰对混凝土抗压强度的降低幅度越显著。
⑵无论在哪种水胶比条件下, 粉煤灰等量取代水泥均能较大幅度降低混凝土电通量和初始电流, 且随粉煤灰掺量的增加, 混凝土电通量和初始电流呈递减趋势。
⑶粉煤灰掺量较低时 (0~12.5%) , 水胶比对混凝土电通量和初始电流的影响较大, 粉煤灰掺量较大时 (25.0%~37.5%) , 水胶比对混凝土混凝土电通量和初始电流的影响较小, 几乎不随水胶比的变化而变化。
⑷粉煤灰混凝土通电量与初始电流有显著的相关性, 为快速评价粉煤灰混凝土的渗透性能, 可利用初始电流代替6h通电量作为评价指标。
参考文献
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渗透性能 篇3
废旧轮胎打碎成橡胶粉代替部分骨料制备成的橡胶混凝土,从质量、韧性、变形等方面可大大改善普通混凝土的性能。 针对橡胶混凝土性能已进行了大量的研究,其中,耐久性更是得到国内外学者的广泛关注。 耐久性的研究主要集中在橡胶混凝土的抗冻、抗渗、抗磨及抗疲劳性能等方面,但对其作用机理的研究较少,且结论不统一。 陈波等[1]发现, 橡胶粉掺量为水泥质量的10%以下时,随着橡胶粉掺量的增大,混凝土的抗渗性能提高;橡胶粉掺量超过水泥质量的10%后, 随着橡胶粉掺量的增大, 混凝土的抗渗性能降低;胶粉的粒径对混凝土抗渗性能影响不大。 A. Benazzouk等[2]研究发现,橡胶颗粒的憎水性能够减少水压力的扩散,并认为橡胶集料可以提高混凝土的耐久性。 李光宇[3]通过试验发现,橡胶粉粒径越大、掺量越多,抗渗性能越好。 而另一些研究成果认为,60目以上的精细橡胶粉在提高混凝土耐久性方面的效果比较明显[4,5,6,7]。 由于市场价格太高,限制了橡胶粉在水泥混凝土材料方面的广泛应用,更多地用于再生胶、橡胶制品、汽车轮胎等。 8目以下的粗橡胶颗粒与水泥基体的相容性较差,主要用于塑胶跑道、草坪、橡胶砖等。 因此,8~40目之间的橡胶粉在改性混凝土方面有较广的空间。 本文主要选用16~40目橡胶粉,进行4种掺量的配比设计,开展橡胶混凝土的抗渗试验研究。
1试验原材料
水泥:徐州市某公司产P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其化学组成及物理力学性能见表1和表2。
%
细集料:普通河砂,Ⅱ区中砂,具体性能指标见表3。
粗集料:5~20mm连续级配石灰质碎石,各项指标符合标准要求,具体性能指标见表4。
水:普通饮用自来水。
外加剂:徐州产MN高效减水剂,外观为黄褐色固态粉末,溶于水使用,减水率15%~25%。
橡胶粉: 西安产精细胶粉, 细度分别为16目、 20目、40目;表观密度1.03g/cm3,各项性能见表5。
为保证胶粉取代集料后混凝土体积的稳定,试验采用绝对体积法进行配合比设计,掺入的废旧轮胎橡胶粉以RC16、RC20、RC40表示,掺入方法为四种掺合物分别以50L,75L,100L,125L等体积取代砂和石子,被取代的砂和石子保持原砂石体积比1: 1.97。 试验以C30混凝土为基准。
基准混凝土配合比: C0∶S0∶G0∶W0=400∶594∶1206∶ 200=1∶1.56∶3.33∶0.50。 以此为基础,考虑胶粉可能对混凝土产生的影响、胶粉改性混凝土的经济性及众多文献关于橡胶混凝土的探索,并经过3d和7d龄期的强度检验,确定各组混凝土配合比如表6。
2橡胶混凝土抗渗试验
2.1试验方法与步骤
采用JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[8]规定的水泥混凝土渗水高度试验方法进行橡胶混凝土的抗渗性试验。 试验设备使用HP-40型混凝土渗透仪,见图1。
注: 表中 RC0 表示参照组基准混凝土,RCX1-X2-X3 中: X1 表示掺入胶粉的粒径大小 ,分别为 16 目 、20 目 、40 目 ; X2 表示等体积取代混凝土中相应成分 ,GS 表示按砂石比;X3 表示胶粉取代集料的体积,分别 50、75、100 和 125L。
本试验主要目的是考察制备的橡胶混凝土的渗透性能相比于基准混凝土的变化情况。 试验水压控制在(0.8±0.05)MPa,同时开始记录时间(精确到分钟),24h后停止试验,取出试件。 试验过程中,水出现在试件顶部,渗水高度即为试件高度,同时立即停止试验,记录试验时间;如果水从试件周围渗出,说明密封不好,要重新密封。 当混凝土较为密实时,压力可改为1.0MPa或1.2MPa。
将顶部渗水的试件用压力机沿纵断面裂成两半,水痕清晰后(约过2~3min)用水笔描出,要求笔迹不宜太粗,该线就是试件的渗水轮廓;然后在劈裂面上覆玻璃板, 量测10条渗水高度线, 精确到1mm,以10个测点处渗水高度的算术平均值作为该试件的渗水高度;计算出同组所有6个试件的渗水高度,再取平均值作为该组试件的渗水高度。 如果同组中3个试件的最大渗水高度减去最小渗水高度的值不大于这3个数均值的30%,此时试件渗水高度均匀,允许先试验该3个试件,渗水高度是这3个试件的平均值。
根据试验所得的渗水高度大小,分析橡胶混凝土的抗渗性,并计算相对渗透系数。
式中:Sk为相对渗透系数,cm/h;Dm为平均渗水高度,cm;H为水压力,以水柱高度表示,cm;T为试验经历的时间,h;m为混凝土吸水率,取0.03。
2.2试验结果及分析
试件劈开后的渗水高度情况见图2。 试件的平均渗水高度见表7。
由图2可见,掺入橡胶粉,混凝土的抗渗性明显提高,掺入的橡胶粉粒径不同,劈开后截面水线的形状有所不同。 掺16目胶粉混凝土的截面水线呈凹形弧状,而基准混凝土、掺20、40目橡胶粉混凝土的截面水线的凹形弧状特征不明显。 另外,掺16目橡胶粉混凝土截面水线的凹形弧状特征随橡胶粉掺量的增加越来越不明显,而掺20目和40目橡胶粉混凝土截面水线的特征受掺量影响较小。
胶粉对混凝土渗水高度的影响见图3, 橡胶混凝土相对渗透系数情况见图4。
由图3和表7可以看出, 掺16目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量的增加呈先减小再增大最后又减小的趋势, 在橡胶粉掺量为75L、125L时得到渗水高度最大值和最小值, 分别为102mm、31mm。 掺20目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量增加先减小再略有增大而后逐渐减小,并在掺量为50L、75L时得到渗水高度最小值和最大值,分别为15mm、34mm。当掺量小于50L时,掺40目橡胶粉混凝土的渗水高度随橡胶粉掺量的逐渐增加迅速减小,并在掺量50L时得到最小值24mm, 而后随着掺量的增加略有增加,但变化不明显。 当混凝土中掺入的橡胶粉量相同时,掺入胶粉颗粒的粒径越小,渗水高度越低,表明混凝土内部结构越紧密,孔隙度越小,抗渗性能越好,但当掺入的橡胶粉量到125L时, 不同粒径胶粉制备的混凝土的渗水高度差别较小,表明橡胶粉的粒径影响渗水高度的效果不再明显。
由图4可见,掺16目橡胶粉的混凝土,掺量小于50L时,随橡胶粉掺量的减少,混凝土渗透系数逐渐降低;橡胶粉掺量大于50L后,随掺量的增加, 混凝土相对渗透系数逐渐降低。 掺20目和40目橡胶粉混凝土的相对渗透系数随橡胶粉掺量变化的波动不明显,且两种胶粉制备的混凝土相对渗透系数差别较小,最大相差不超过0.5×10-6cm/h。 若考虑基准混凝土情况,即不掺加橡胶粉的情况,橡胶混凝土的相对渗透系数将会出现大的变化。 掺16目橡胶粉时,渗透系数先降低后升高,再降低,掺20目和40目橡胶粉时,相对渗透系数先快速降低,而后随胶粉掺量的增加,相对渗透系数趋于平缓。 三种橡胶粉制备的混凝土,掺量达到125L时,相对渗透系数趋于一致。 但无论掺量多少,掺入胶粉的混凝土相对渗透系数都小于基准混凝土。
本试验还测定了28d抗压强度fRcu值, 为进一步分析与相对渗透系数的关系,根据表7中的数据对二者进行了回归分析,n=12,r>0.632,得到:
式(2)表明,对于制备的三种橡胶混凝土 ,其28d抗压强度与相对渗透系数呈负相关关系 , 即随着抗压强度的逐渐减小, 相对渗透系数逐渐增大。 因此, 橡胶粉的掺量应控制在100L以内, 掺量过多,会因水泥石与胶粉黏结薄弱增多而引起相对渗透系数的明显增大,造成抗渗性的降低。
3橡胶粉影响混凝土抗渗的机理研究
Nyame和Mehta[9,10]的研究结果表明 ,混凝土的渗透性与内部孔径分布有关,并很大程度上取决于混凝土内部孔径超过132nm的大孔。 因此,降低混凝土基体中大毛细管孔隙的体积可降低渗透性。
橡胶粉不参与混凝土的水化反应,主要以物理作用填充于混凝土内部[11]。 当橡胶粉掺量较少时,掺入的橡胶粉可以填充混凝土内部的有害孔隙,使混凝土更加密实,从而可以提高抗渗性。 混凝土中的橡胶粉是一种憎水性的高分子细骨料,混凝土内部的橡胶粉表面会形成一层憎水膜,从而加大水在混凝土内部的渗流阻力,大量存在于内部的胶粉还增加了孔隙间的曲折度, 阻止内部毛细孔形成连续、 贯通的网状结构体系,降低了渗透性的作用。 因此, 掺入16目、20目、40目橡胶粉可降低混凝土的渗水高度,提高抗渗性,且掺入的胶粉粒径越小,填充效果越好。 但随橡胶粉掺量的增加,橡胶混凝土抗压强度有明显下降,且橡胶粉掺量越多,混凝土内分布的软点也越多,胶粉与水泥石的包裹界面面积也越多,当界面孔隙遭到水压渗透时,可能导致橡胶混凝土相对渗透系数的激增。 因此,从抗渗角度考虑,胶粉掺量不易过多,宜控制在100L以内。
骨料的粒径及相互的级配关系影响着混凝土内部界面过渡区,从而决定着混凝土拌合物的泌水性。 橡胶粉粒径较大时,橡胶粉形状便不宜按球状考虑,大粒径胶粉表面存在平滑现象,影响水泥浆与胶粉的黏接效果,加上水化早期由于干缩、热收缩和外部荷载使水泥浆体和骨料之间产生应变而易于开裂。 尽管界面过渡区的裂缝非常小,无法用肉眼观测,但比水泥浆体基体的毛细管孔隙大。 所以,对于粒径相对较大的16目橡胶混凝土,内部颗粒的状态、分布都会影响混凝土的抗渗性能,这也是该混凝土渗透性能波动较大的原因之一。
4结论
(1)普通混凝土中掺入废橡胶颗粒可改善其渗透性。 胶粉粒径与掺量对橡胶混凝土渗水高度和相对渗透系数有影响, 胶粉掺量小于125L时,16目、 20目 、40目橡胶混凝的相对渗透系数都低于基准混凝土,但当橡胶颗粒掺量在125L或以上时,所有混凝土的相对渗透系数趋于一致。
(2)由于橡胶混凝土28d抗压强度随着橡胶粉掺量的增加而逐渐减小,胶粉掺量过多,会因水泥石与胶粉黏结薄弱增多问题引起相对渗透系数的明显增大,造成抗渗性的降低,因此,橡胶粉的掺量应控制在100L以内。
渗透性能 篇4
混凝土从发明至今已有百余年的历史,随着工业化进程的不断推进,这种无机非金属材料已成为当今应用最广泛的建筑材料。耐久性是混凝土材料的重要性能指标,它决定着混凝土构筑物的质量与服役寿命。现有研究表明,混凝土的渗透性与耐久性密切相关,基于渗透性的混凝土碳化、氯离子扩散及冻融破坏研究正逐渐成为工程界关注的焦点[1]。在众多混凝土渗透性测试方法中,TORRENT法[2]受人们关注程度较高,现场无损检测是它的最大特点,在我国应用此种方法测试混凝土空气渗透性能的报道还较少,TORRENT法测试混凝土渗透性能还需系统研究。
本文通过试验设计,首先对测试仪器的校正进行分析,系统研究试件密封状态、湿度、孔隙连通程度对空气渗透系数、初始负压、压力差及渗透深度的影响,并对测试误差进行分析,为TORRENT法在混凝土渗透性能测试过程中的科学应用与推广提供一定的参考。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,粉煤灰为Ⅱ级灰,矿粉为S95磨细矿渣粉,胶凝材料的化学组成见表1。砂为中砂,细度模数Mx=2.6,密度2650kg/m3;石子为粒径为5~25mm的石灰岩碎石;减水剂为江苏某公司生产的PCA聚羧酸高性能减水剂。
1.2 试验方法
试验设计了两种不同渗透性能的混凝土进行气密性测试,混凝土配合比如表2所示。试验参照TORRENT法进行,试验装置如图1所示。气体渗透性试样为150mm×150mm×150mm的立方体混凝土试件,试件拆模后放入标准养护室中养护28d取出,根据试验需求进行处理后,测试混凝土的空气渗透系数DTORRENT值、初始负压P、压力差ΔP及渗透深度,渗透系数DTORRENT按照公式1进行计算。
式中,DTORRENT—混凝土空气渗透系数,m2;
Vc—内腔体积,m3;
A—内腔表面积,m2;
μ—空气动力粘滞系数,Ns/m2;
ε—混凝土孔隙率;
pa—大气压,N/m2;
p0—内腔初始气压(=60s),N/m2;
p—内腔终止压力(时间为s),N/m2。
2 试验结果与分析
2.1 TORRENT空气渗透仪校正
开展混凝土空气渗透性能研究,仪器的精密性尤为重要,试验首先对TORRENT空气渗透仪进行了校正分析,为后续研究工作中获得准确的测试数据提供支撑,图2为TORRENT空气渗透仪的校正曲线。
试验选用钢板对仪器进行校正,ΔP1、ΔP2与ΔP3为三次测试的校正曲线,由图2可以看出,在钢板上仪器仍有压力差(ΔP),证明仪器存在一定的气体泄漏或程序本身存在一定测试误差。将三次校正曲线进行拟合处理,内腔气压增长基本符合对数曲线,误差较小,拟合程度较高。在720s试验终止时,仪器存在5.5mbar左右的内腔气压,故在测试混凝土试件时,应将此部分的气压扣除,以修正空气渗透系数的测试结果。
%
2.2 混凝土试件密封状态对空气渗透性能的影响
由于TORRENT采用的是负压吸盘式测试方法,对试件的尺寸及密封状态没有做出过多的要求,但实际工程中混凝土试件除了测试面不密封外,其余各面的状态均不同。对于实验室测试的试件而言,由于体积较小,测试面以及其余的五个面都是与大气接触的;而对于大体积混凝土而言,除了测试面与大气接触外,在一定的区域范围内,试件的其他面都密封在混凝土中。因而,混凝土试件密封状态的不同是否会对测试结果造成影响有必要进行深入研究,试验结果将指导TORRENT法测试混凝土空气渗透性能过程中除测试面的其余各面处理。图3统计了高渗透性与低渗透性两种混凝土试件除测试面外,其余五面密封与不密封的空气渗透系数、初始负压、压力差以及渗透深度变化。
将混凝土试件置于105℃环境中烘干至恒重,取出冷却至室温20℃进行测量,去除湿度以及温度等其他环境因素对渗透系数可能造成的影响。首先将立方体试件六面全部裸露进行空气渗透系数等相关参数的测定,之后将试件测试面以外的五个面密封,再次测量空气渗透系数;测试完毕后,将两次测试结果进行比较(不密封/密封),分析结果之间的差异。研究发现,改变试件的密封状态并不会对空气渗透的测试结果造成影响,其中,空气渗透系数、初始负压以及渗透深度变化均在100%线附近,只有测试结束后内腔的压力差有较大变化。分析原因为采用负压测试的TORRENT方法其测试区域较浅,150mm的深度范围足以满足其测试的需要,不会因其余面与大气接触而造成测试结果出现误差问题;内腔的气压差为测试结束后进行记录,但由于其数值较小,单位为mbar,受到测试仪器灵敏度的限制,记录的数据可能出现较大的漂移,故测试结果显示有较大波动。
2.3 混凝土湿度对空气渗透性能的影响
已有研究表明[3],混凝土试件的含水率(即湿度)对空气渗透系数有很大影响。对于RILEM等[4]正压空气渗透测试而言,试件内部湿度过大会将原本连通的毛细孔通道堵塞,造成气流在混凝土基体中传输不畅,致使空气渗透系数测试结果偏低;对于TORRENT等[2]负压空气渗透测试而言,试件内部毛细管水分的存在,会在测试过程中造成外腔真空环境下水蒸气溢出,外腔真空度降低,由于测试机制限制,造成内腔蒸汽压较低,可能会出现内腔真空度高于外腔的情况,导致测试结果出现误差。但此类研究多停留在理论层面,且缺乏不同密实程度混凝土的对比,对实际工程指导性不强。本试验采用TORRENT测试方法,选择两种配合比的混凝土试件进行不同含水率下空气渗透性能各项测试结果差异的对比研究,分析结果将为TORRENT法在实际工程中的推广提供借鉴。
图4及图5分别给出了两种不同密实程度的混凝土基体在湿度变化条件下空气渗透性能的变化。对于密实程度较低的混凝土基体(A),随着试件湿度(含水率)的增加,其空气渗透系数逐渐降低,内腔压力差减小,渗透深度也降低,但初始负压增大;对于密实程度较高的混凝土基体(B),随着试件含水率的增加,其空气渗透系数总体表现出下降的趋势,但下降趋势并不明显,初始负压变化不大,内腔压力差增大,渗透深度也略微减小。低密实程度的混凝土,其基体的特征更加符合多孔体结构,水分的存在封堵了毛细孔中空气传输的通道,因此,在测试过程中渗透系数降低,水分的存在使混凝土基体的密实度相对提升,故在测试过程中内腔压力差降低,渗透深度是从渗透系数计算公式中推导得出,因此它的变化规律应与渗透系数相同,试件密实程度的增大导致仪器在施加一定程度的吸力时,产生的初始负压会增大。对于密实程度较高的混凝土而言,其空气渗透系数以及渗透深度的变化原因与低密实程度混凝土类似,在内腔负压方面,参考已有国外学者研究成果[2,5,6],水蒸气会导致内腔压力差测试结果出现异常,在高密实程度的混凝土试件上,由于毛细孔孔径都较小,孔隙中的水分在遇到负压时很容易变成蒸汽形式,因此会出现以上的测试结果。对于高密实程度的混凝土,采用TORRENT法负压测试混凝土的空气渗透系数时,建议适当增加试验组数,以得到准确的试验数据。
2.4 混凝土孔隙连通程度对空气渗透性能的影响
通过分析混凝土宏观性能对空气渗透的影响发现,影响混凝土空气渗透系数的内在因素是水泥石的孔隙组成,孔隙连通程度成为影响混凝土空气渗透系数的关键。通过试验分析混凝土试件的孔隙连通情况与空气渗透系数的对应关系,为基于孔隙连通程度的混凝土空气渗透性能设计提供帮助。
混凝土0%~100%的孔隙连通程度对空气渗透系数的影响如图6所示。
由图6可以看出,随着混凝土孔隙连通程度的增大,试件的空气渗透系数升高,但由于试验测试数据点较少,故未能得出具体的定量对应关系。借助拟合曲线,可以近似得到所需要的某一空气渗透系数指标下混凝土孔隙的目标连通程度,通过配合比或外加剂调整手段达到所要求的目标值,指导给定空气渗透系数混凝土材料的设计与制备。
2.5 TORRENT法测试空气渗透性能误差分析
采用TORRENT法测试混凝土空气渗透性能时,测试误差问题不容忽视,所有的混凝土性能测试仪器均存在误差,对误差的分析将有助于科学处理所得到的试验数据。为此,试验选取了十组不同空气渗透系数测试结果进行误差分析,同时研究了TORRENT法测试高密实程度混凝土空气渗透性能时,各项测试指标的误差变化,结果见图7、图8。
随着混凝土空气渗透系数逐渐增大,仪器的测试误差减小;高密实程度混凝土的空气渗透系数与渗透深度测试误差最大。实际工程中测试混凝土空气渗透性能时,应根据不同的混凝土密实程度进行不同测试方法的选择,TORRENT法在中低密实程度混凝土的空气渗透性能测试方面优势更为突出,在高密实程度混凝土空气渗透性能测试上,若采用TORRENT法进行分析,则需要增加测试组数或对测试仪器进行校正,以降低测试误差产生的风险。
3 结论
(1)采用TORRENT测试混凝土空气渗透性能时,需对仪器进行校正,计算时应将内腔残余气压扣除以修正测试结果。
(2)混凝土除测试面的其余各面密封状态对空气渗透性能不存在影响,湿度对低密实程度混凝土空气渗透性能影响较高密实程度混凝土更为明显。
(3)混凝土孔隙连通程度与TORRENT空气渗透系数相关,通过拟合可使二者关系数值化,指导混凝土材料的设计与制备。
(4)TORRENT法测试中低密实程度混凝土空气渗透性能误差较小,高密实程度混凝土采用TORRENT法测试空气渗透性能时需要采取一定措施以降低误差概率。
参考文献
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渗透性能 篇5
为解决上述问题,本工作研制了一种复配反渗透阻垢剂HLH-201,由具有良好阻垢效果的聚合物阻垢剂聚环氧琥珀酸和有机膦酸及膦羧酸阻垢剂PBTC等组成,阻垢效果良好,协同效应显著。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
阻垢剂HLH-201:固含量30%,中国石化北京化工研究院;阻垢剂BC-641:固含量30%,北京新大禹精细化学品公司;阻垢剂F-260:固含量35%,大湖公司;阻垢剂F-135:固含量33%,大湖公司;阻垢剂Si-300:固含量30%,美国贝迪公司;阻垢剂A-302:固含量30%,中国石化沧州分公司;所用试剂均为分析纯。
实验用水取自黄河下游区段,水质见表1。该实验用水属中硬中碱结垢型水质,而且还含有相当数量的可溶性SiO2,Ba2+,Sr2+等其他易成垢离子。在反渗透运行中,根据现场对回收率的要求,RO浓水要在原水水质的基础上浓缩3～4倍,如果不选用高效的阻垢剂,系统难以正常运行。
MP511型pH计:上海三信仪表厂;JCYB/DDS-11A型电导率仪:北京精诚华泰仪表有限公司;ZK-Ⅱ型恒温水浴锅:高邮摩天电子仪器有限公司;756型分光光度计:上海荆和分析仪器有限公司;FS-240型原子吸收仪:瓦里安公司;ICS2000型离子色谱仪:戴安公司。
1.2 实验方法
1.2.1 静态阻垢实验方法
参照文献[3]方法,以含有Ca (HCO3)2的配制水和水处理药剂制备成试液,在一定温度下,促使碳酸氢钙加速分解为难溶解的碳酸钙,试液迅速达到其自然平衡pH。测定试液中Ca2+浓度,计算阻垢率。
1.2.2 动态阻垢实验方法
动态阻垢实验在小型反渗透装置上进行。并且采用加酸和不加酸两种方式,加酸时pH控制6.8～7.0。装置设计产水量约为150 L/h,装置带滤芯式保安过滤器,有效截留孔径为5μm。实验采取单支RO膜运行方式,反渗透装置示意如图1。
膜元件型号:BW30-2540;膜面积:2.6 m2;控制通量:20 L/m2;初始体积:400 L;HLH-201阻垢剂质量浓度:6.0 mg/L;循环时间区段:调节回收率到达指定值后,循环4 h。
反渗透装置在设定的时间段内以全循环(浓水和产水都循环至进水)的模式运行,然后排走部分产水,使进水中各离子浓度得到相应的提高,从而提高水的浓缩倍数,增加溶液中成垢离子的结垢趋势;在提高结垢趋势后,在设定的时间区段内仍以全循环的模式运行,膜元件周期性接触过饱和度不断增加的溶液,重复以上操作,通过运行压力的升高和溶液的组分变化来评价结垢极限和快速判断阻垢剂的阻垢效果[4,5,6,7,8,9]。
1.3 水质分析项目及方法
采用络合滴定法测定总硬及钙硬度[10];采用pH计测定废水pH;采用原子吸收光谱法测定ρ(总铁)、ρ(Ba2+)和ρ(Sr2+);采用离子色谱法测定ρ(Cl-);采用酸碱滴定法测定总碱度[10];采用比色法测定可溶性SiO2[11]。
2 结果与讨论
2.1 静态阻垢实验结果
2.1.1 阻垢剂对CaCO3的阻垢性能
当Ca2+质量浓度为300 mg/L、碱度为300 mg/L(均以CaCO3计,下同)时,低结垢因子浓度下的各种阻垢剂阻垢效果见图2。
阻垢剂:HLH-201;BC-641;F-260;F-135;Si-300;A-302
由图2可见:在低结垢因子浓度时,阻垢剂HLH-201质量浓度仅为2.0 mg/L时,阻垢率就超过90.0%,阻垢效果优异;当阻垢剂BC-641和F-260质量浓度大于5.0 mg/L时,才能达到80.0%以上的阻垢率;阻垢剂F-135、Si-300和A-302的阻垢率较低,当阻垢剂质量浓度高达8.0 mg/L时,阻垢率仍然小于70%,而Si-300和A-302甚至不足60.0%。
当Ca2+质量浓度为600 mg/L、碱度为600 mg/L时,高结垢因子浓度下各种阻垢剂阻垢效果见图3。由图3可见:在高结垢因子浓度时,阻垢剂HLH-201随阻垢剂质量浓度的增加,阻垢率增大,并且在阻垢剂质量浓度约为3.2 mg/L时,出现明显的拐点,阻垢剂质量浓度达到4.0 mg/L以上后,阻垢剂HLH-201的阻垢率达到89.0%以上,阻垢效果良好;与低结垢因子浓度下相比BC-641和F-260的阻垢率下降到最高只有62.0%和66.0%,阻垢效果明显变差;F-135、Si-300和A-302的阻垢率较低,F-135阻垢率最高只有53.0%,Si-300和A-302阻垢率最高甚至不足42.0%,阻垢效果更差。
阻垢剂:HLH-201;BC-641;F-260;F-135;Si-300;A-302
2.1.2 阻垢剂HLH-201其他阻垢性能
在进行对CaSO4,SrSO4,BaSO4的阻垢实验时,以HLH-201为阻垢剂,当Ca2+质量浓度为1 200mg/L (以CaCO3计)、Sr2+质量浓度为8 mg/L (以Sr2+计)、Ba2+质量浓度为8 mg/L (以Ba2+计)、质量浓度为1 200 mg/L (以计)时,CaSO4、SrSO4和BaSO4的稳定率见表2。
由表2可见:CaSO4的稳定率为97.5%～98.1%,SrSO4的稳定率为97.2%～104.0%,并且基本不受阻垢剂浓度的影响;当阻垢剂质量浓度大于5.0 mg/L时,BaSO4的稳定率为89.8%～96.3%,也基本不再受阻垢剂质量浓度的影响。说明该复配阻垢剂对CaSO4、SrSO4和BaSO4的阻垢效果优异。
静态阻垢实验结果表明,HLH-201阻CaCO3垢的阻垢效果明显好于BC-641和F-260,更好于F-135和A-302。同时对CaSO4、SrSO4和BaSO4等也有优异的阻垢效果。
2.2 动态运行实验结果
2.2.1 运行压力
实验水样分时间区段浓缩,各时间区段稳定运行4 h。水样浓缩曲线见图4。由图4可见:随运行时间的增加水样不断浓缩,实验开始时的浓缩倍数为2.0倍(对应回收率50%),结束时的浓缩倍数为10.0 (对应回收率90%)。
反渗透膜前压力即浓水侧压力在每个时间区段内保持稳定,压力差维持在0.02 MPa。膜前压力变化趋势见图5。由图4和图5可见:随运行时间的延长,浓缩倍数的提高,压力显著增大;加酸与不加酸运行压力对比,当运行时间在0～8 h时,浓缩倍数小于2.5倍,压力变化幅度相同;当运行时间在8～20 h时,浓缩倍数为2.5～5.0倍,不加酸压力增加幅度较大;当运行时间在20～32 h时,浓缩倍数大于5.0倍(对应回收率大于80%),压力无差别。从加酸和不加酸压力变化趋势比较,即使加酸,浓缩倍数大于6.6倍后(对应的回收率大于85%)也是结垢区域。
不加酸;加酸
2.2.2 结垢量数据分析
HLH-201阻垢剂动态实验监测的结垢量变化趋势见图6。由图6可见,加酸运行的数据曲线位于不加酸曲线下方,即调整pH后结垢量较少,阻垢剂的阻垢效果更好。
不加酸;加酸
3 结论
a)静态阻垢结果表明,HLH-201阻垢性能良好,当阻垢剂质量浓度为4.0 mg/L、Ca2+质量浓度和碱度均为600 mg/L时,HLH-201对CaCO3的阻垢率达89.0%,明显优于对比的其余药剂;同时,HLH-201还具有优异的对CaSO4、SrSO4和BaSO4的阻垢性能。
b)动态阻垢结果表明,HLH-201在加酸调pH时,能达到更好的阻垢效果,其运行压力较低,结垢量较少,使用黄河水为水源时浓缩倍数可以达到5.0倍以上。
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渗透性能 篇6
混凝土渗透结晶防水材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透, 并在混凝土中形成不溶于水的结晶体, 填塞混凝土中的毛细孔道及宏观微裂缝, 从而使混凝土致密、防水[1~4]。近年来, 混凝土渗透结晶防水材料在地铁、隧道、大坝、地下室等混凝土结构防水工程中应用越来越广泛[5~7], 并取得了较显著的经济效益及社会效益。尽管工程实践上应用较广泛, 但对混凝土裂缝修复的宽度仍存在不同见解。因此, 采用扫描电子显微镜 (SEM) 研究表征自制的混凝土渗透结晶材料对混凝土裂缝的自修复性能, 具有重要的理论和实际意义。
1 试验
1.1 混凝土渗透结晶防水材料的制备
1.1.1 制备机理
水泥混凝土中一般含有25%左右的未水化水泥和一些具有水化活性的物质, 在一定的条件下, 这些未水化的水泥和活性物质可继续反应, 形成结晶体沉淀。如果能够通过一定的反应机制使这些未水化的水泥和活性物质在孔隙和裂缝中反应, 利用所形成的结晶体堵塞孔隙与裂缝, 则可实现渗透结晶, 达到混凝土裂缝自修复的目的。基于这一思路, 笔者提出了化学转换渗透结晶反应机理。渗透结晶防水机理的具体设想是通过制备一种可与混凝土中存在的钙离子反应形成水溶性不稳定络合物、与硅酸根形成水溶性不稳定络合物但与钙离子不络合、不发生化学反应形成沉淀的化合物, 该化合物具有亲水性, 可随水在混凝土内部孔隙与裂缝中迁移渗透, 遇到未水化水泥和其它可水化物质后, 发生化学转换, 生成硅酸钙结晶体, 该结晶沉淀物可堵塞孔隙与裂缝, 实现裂缝自修复。而活性化合物在反应转换后, 恢复原态, 又可重新参与下一轮的反应。混凝土渗透结晶防水材料制备可用下述机理模型来表达:
催化剂 (1) +Ca2+→催化剂 (1) -Ca2+ (络合物)
催化剂 (2) +Si O32-→催化剂 (2) -Si O32- (络合物)
催化剂 (1) -Ca2++催化剂 (2) -Si O32-→Ca Si O3+催化剂 (1) +催化剂 (2)
1.1.2 混凝土渗透结晶防水材料的制备
按质量百分比将20%的胆碱和23%的柠檬酸钠加水溶解, 配制成溶液, 向溶液中缓慢滴加37%的三异丙醇胺和其它可溶性有机小分子物质, 混合均匀, 静止至溶液透明。
1.2 试验原材料及配合比
硅酸盐水泥:P·Ⅰ42.5级水泥, 山东青州某公司产;细集料:中粗砂, 细度模数2.6, 山东青州产;粗集料:5~31.5mm碎石, 山东青州产。混凝土渗透结晶防水材料:自制。水泥熟料化学成分及矿物组成见表1, 试验所用配合比见表2。
1.3 抗渗试件制备
在成型混凝土抗渗试件中, 在圆台中心由上而下贯穿一条宽40mm, 厚分别为0.5mm、1.0mm的铁片, 在临近终凝前将铁片拔出, 即人工制造一条裂缝, 向裂缝内灌入掺有渗透结晶材料的水泥浆, 1d后拆模, 送标准养护室养护。水泥浆配比按照渗透结晶材料:水:水泥=0.25:4:10的比例配制。
%
kg/m3
1.4 试验方法
抗渗性能测试按照SL352-2006《水工混凝土试验规范》规定进行, 将试件养护到规定的时间取出, 表面风干, 用蜡密封, 每次测试试件为一组六个。试件测试的初始压力为0.1MPa, 加压后保压1h, 如果没有渗水现象发生, 以后每隔1h加0.1MPa的压力, 直至第二个试件的端面出现渗水现象为止, 记录此时的压力值作为该组试件的抗渗压力。等所有试件均被水击穿后, 将试件在原来的养护环境中再养护同样的天数, 然后进行试件的二次抗渗性能测试。一次抗渗性能可以体现内掺渗透结晶防水材料试件的修复裂缝性能, 而二次抗渗性能体现的是内掺渗透结晶防水材料试件被击穿后重新养护其防水抗渗能力的恢复情况, 即二次抗渗性能反映了渗透结晶防水材料赋予混凝土试件的自修复能力大小。通过一次和二次抗渗性能可以表征渗透结晶防水材料对混凝土裂缝修复性能和自修复能力的作用效果。
1.5 试验结果与讨论
养护28d后测试混凝土抗渗性能, 试验结果见表3。
从表3可以看出, 人为制造≤1.0mm的裂缝, 灌入掺有渗透结晶材料的水泥浆后, 混凝土的一次和二次抗渗压力与没有裂缝的相同。裂缝大于1.5mm, 混凝土的一次抗渗压力降低, 表面裂缝为2.0mm, 混凝土的一次抗渗压力仅为0.1MPa, 小于表面没有裂缝的混凝土抗渗压力。因此, 可以看出, 渗透结晶防水材料能够愈合混凝土小于1.0mm的裂缝。
2 微观结构表征
带有裂缝混凝土的抗渗性能取决于修补后水泥浆与界面的结合程度[8~13]。因此, 采用扫描电子显微镜 (SEM) 对混凝土的微观结构进行测试分析, 有利于诠释混凝土的抗渗性能。利用扫描电镜研究混凝土微观形貌并从微观结构层次上揭示材料的性能是研究材料结构的最基本方法。采用SEM对28d龄期、预制不同裂缝宽度后掺加渗透结晶防水材料的水泥浆与混凝土界面进行微观形貌观察, 放大100倍, 结果见图1~图4。
从图1~图4可以看出, 28d龄期, 混凝土表面预制裂缝宽度分别为0.5mm和1.0mm时, 掺加渗透结晶材料的水泥浆与混凝土间的界面结合程度较好, 与表面无裂缝的混凝土界面过渡区处骨料与水泥石之间基本致密程度相差无几。预制裂缝宽度为1.5mm时, 水泥浆与混凝土间的界面结合程度不好, 界面结合处有较大的不规则空隙, 增加了混凝土的贯通能力, 降低了混凝土的抗渗性能。这主要是因为, 混凝土裂缝较小时, 渗透结晶材料中的活性化学物质和混凝土中的Ca (OH) 2能够反应, 消耗掉的Ca (OH) 2转变为具有胶凝性的硅酸钙, 填充了界面处的空隙, 界面结构得到改善。混凝土裂缝大于1.5mm时, 在一定的龄期内, 渗透结晶材料中的活性化学物质和混凝土中Ca (OH) 2的反应物不能够填充满界面的空隙, 水泥浆与混凝土间的界面结构薄弱, 降低了混凝土的抗渗性能。但随着龄期的延长和掺加较多的渗透结晶材料, 可使更多的反应物填充界面处的空隙, 界面结构得以改善, 混凝土的抗渗性能可能会有所提高。
3 结论
(1) 在既定的混凝土和水泥浆配合比下, 在一定龄期内, 渗透结晶材料能够修复一定宽度的混凝土裂缝, 水泥浆与混凝土间的界面结合程度较好。
渗透性能 篇7
近十多年来,高性能混凝土的研究与应用获得了显著进展,但我国高性能混凝土的研究与应用目前仍处于发展阶段,仍有许多理论问题和应用问题需要研究,因此积极开展高性能混凝土的研究与应用是非常必要的[1]。高性能混凝土在配制上的主要特点是水胶比较低,必须掺加适量的矿物掺合料和高效外加剂。目前配制高性能混凝土时,一般只用一种或两种掺合料,如矿渣微粉、粉煤灰、硅灰等。由于各种掺合料的细度和特性有明显差别,所以采用不同品种、不同掺量的掺合料配制高性能混凝土时,其性能就会明显不同[2]。本文采用磨细钢渣粉、粉煤灰和硅灰三种掺合料,以不同掺量不同比例取代水泥,通过试验研究了不同掺量不同比例的复合型掺合料对C30高性能混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响。
1 原材料性能试验
本试验所用水泥为南京某厂生产的P·Ⅱ42.5级硅酸盐水泥,其比表面积370m2/kg,标准稠度用水量27.60%,初凝时间150min,终凝时间205min,安定性检验合格。表1为水泥胶砂强度试验结果,满足国家标准的要求。
粗集料采用南京某厂生产的玄武岩碎石,最大粒径25mm,级配良好,其颗粒级配见表2,含泥量0.2%,表观密度2710kg/m3,均满足国家标准的要求。
细集料采用南京某厂生产的河砂,级配良好,其颗粒级配见表3,属中砂,细度模数2.30,含泥量0.4%,表观密度为2650kg/m3,均满足国家标准的要求。
钢渣采用马鞍山钢铁公司露天陈放一年以上的钢渣,用试验室SM-500型试磨机磨制2h后,过0.15mm筛,得到粒径≤0.15mm的钢渣粉,测得其比表面积为405m2/kg。
粉煤灰采用南京某电厂产的Ⅱ级灰,0.045mm筛筛余量为20.6%,含水量为0.42%,测得其比表面积为320m2/kg。
硅灰表观密度为1200kg/m3,测得其比表面积为21500m2/kg。
三种掺合料的主要化学成分见表4。
减水剂采用南京产NG-Ⅰ型减水剂。
试验用水采用城市集中供应自来水,满足规范要求。
%
2 配合比及试验方法
2.1 配合比的确定
选择C30混凝土为研究对象。经过试拌调整,确定每m3胶凝材料用量为440kg,水胶比为0.38,减水剂掺量为1.5%。以钢渣粉、粉煤灰、硅灰按适当比例配制复合型掺合料。考虑到影响高性能混凝土性能的配合比参数主要有掺合料取代水泥量、三种掺合料之间的比例,选择取代量分别为20%、40%和60%,掺合料比例钢渣粉:粉煤灰:硅灰分别为3:5:2、3:6:1和4:5:1。表5为各试验组混凝土的配合比。
2.2 试验方法
混凝土强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[3]进行。混凝土抗氯离子渗透试验按照土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01-2004)[4]中的NEL法进行。
3 试验结果与分析
3.1 高性能混凝土的抗压强度
各试验组混凝土试块在不同龄期下的立方体抗压强度试验结果如表6所示。
从表6可以看出,由于胶凝材料中水泥水化最快,7d的基准混凝土抗压强度就达到42.3MPa,而粉煤灰等掺合料的水化反应速度比水泥要慢,因此随着掺合料取代量的增加,掺复合型掺合料混凝土的早期强度明显低于基准混凝土,且取代量越大,早期强度越低。28d后,基准混凝土强度增长变得平缓,但此时掺复合型掺合料混凝土的强度进入稳步增长阶段。90d时,编号S20-352、S40-361混凝土的强度已经超过基准混凝土,这是由于掺合料在混凝土中与水泥颗粒搭配,起到优化颗粒级配的作用;同时水泥水化析出的Ca(OH)2与硅灰、粉煤灰和钢渣中的活性Si O2、Al2O3缓慢进行“二次水化”反应,生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体,避免了Ca(OH)2晶体的定向排列,降低了混凝土的孔隙率,提高了混凝土的密实程度,从而后期强度稳定增长。
kg/m3
注:编号中S20代表掺合料的取代量为20%,“-352”表示掺合料中钢渣粉:粉煤灰:硅灰为3:5:2;其它编号意义类推。
从表6还可以看出,三种掺合料的掺合比例不同时(S40-352、S40-361、S40-451),混凝土的强度相差不是很大,钢渣粉比例较大时强度较低;在90d前,硅灰比例较大时强度较高,而90d后,粉煤灰比例较大时强度较高。试验表明硅灰和粉煤灰的活性较高,硅灰的活性在90d前发挥明显,而粉煤灰的活性在90d后发挥更为明显。由此可见,采用复掺方法,可以利用不同掺合料的活性特点,在不同龄期发挥其对混凝土强度的增强作用。
3.2 高性能混凝土的抗氯离子渗透性能
制作100mm×100mm×50mm的混凝土试件,三块一组,标准养护至28d、56d、84d后,进行抗氯离子渗透试验,正负极注入溶液(正极为0.3mol/L的Na OH溶液,负极为质量分数3%的Na Cl溶液),在60V电压下通电6h,测得通过截面的总电通量,试验结果如表7所示。
由表7可以看出,掺复合型掺合料混凝土各龄期下的电通量明显低于基准混凝土,这说明复合型掺合料能有效提高混凝土抗氯离子渗透性能。基准混凝土的渗透电通量随着龄期的增加,电通量下降缓慢;龄期为28d时,随着掺合料取代量的增加,抗氯离子渗透性能加强;而当龄期为84d时,掺合料取代量达40%时为最优;三种掺合料的掺入比例不同时,电通量也不同,但差别不是很大,当取代量为40%且钢渣粉:粉煤灰:硅灰为3:5:2时最优。
4 结论
(1)混凝土中掺入复合型掺合料,在28d前,抗压强度普遍低于基准混凝土,而后期强度接近甚至超过基准混凝土。掺合料掺配比例合适的混凝土后期强度增长趋势明显。掺合料取代量为20%~40%时后期强度较高,掺合料取代量为20%且钢渣粉:粉煤灰:硅灰为3:5:2时,混凝土90d抗压强度最佳。
(2)复合型掺合料有利于提高混凝土的抗氯离子渗透性能,取代量为40%时,高性能混凝土抗氯离子渗透能力的提高尤为显著。
摘要：研究了复合型掺合料高性能混凝土的抗压强度及抗氯离子渗透性能,为采用复合型掺合料配制高性能混凝土提供了依据。
关键词：复合型掺合料,高性能混凝土,抗压强度,抗氯离子渗透
参考文献
[1]姚燕,王玲.高性能混凝土[M].北京:化学工业出版社,2006.
[2]黄智山,王大超.混凝土的耐久性[J].混凝土,2004,6.
[3]中华人民共和国国家标准.《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.