粉煤灰在耐氯离子侵蚀混凝土中作用机理的研究

1、文章编号:1007-046X (200403-0014-03科学研究粉煤灰在耐氯离子侵蚀混凝土中作用机理的研究R esearch on Mechanism of Fly Ash in Chlorine Ion Corrosion 2R esistance Concrete张平均,董荣珍,张莉,马保国(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室湖北430070摘要:通过对粉煤灰降低混凝土氯离子渗透电量和其对氯离子吸附固化生成“Friedel 盐”的研究,指出了混凝土中掺加优质粉煤灰改善混凝土耐氯离子侵蚀能力的机理。关键词:粉煤灰;氯离子;渗透电量;吸附固化中图分类号:X705文献标识码:A 0引

2、言氯离子是一种极强的阳极活化剂,当其渗透到钢筋周围达到一定浓度时,就会破坏钢筋表面钝化膜,造成钢筋发生电化学腐蚀,生成膨胀性产物体积增大,产生膨胀力使钢筋周围混凝土承受的拉应力超过混凝土抗拉强度时产生顺筋裂纹,最终导致混凝土保护层剥落、钢筋外露,钢混结构失去使用寿命1。本文研究了粉煤灰对混凝土耐氯离子侵蚀的影响,通过粉煤灰“填充、火山灰效应”,改善混凝土微观结构和表面物理化学吸附固化氯离子作用,解释了粉煤灰改善混凝土耐氯离子侵蚀能力的机理。1试验材料水泥:韶峰42.5级普通硅酸盐水泥;级粉煤灰:筛余12%,需水量94.6%、级粉煤灰:筛余21%,需水量102%;砂:东莞河砂,细度模数2.62.

3、8;石:深康520mm 碎石;减水剂:FDN 高效萘系减水剂,减水率20%24%。2试验方法氯离子渗透电量采用ASTMC1202-97标准,试件尺寸为 100×50mm 圆柱体,试验时在混凝土试件的轴向施加60V 的直流电压,试件的正、负极两侧分别放置浓度为0.3N 的NaOH 和3%的NaCl 溶液,记录6小时内通过试件的总电量Q 值(库仑。吸附固化能力评价方法2:将水泥、粉煤灰在105条件下干燥24h ,测定初始Cl -离子含量(C i0,取样本2.0g ,置于20mlNaCl 标准液(C 0=9.0×10-3mol/L 的30ml试管内密封,置于超声分散仪中(23,每

4、隔0.5h 剧烈震荡30次,4h 取出静置1h 测定氯离子含量Ci ,相对初始固化率P i =(C 0+C i0-C i /C 0反映了组份i 固化Cl -的能力。3试验结果分析3.1粉煤灰对氯离子渗透电量的影响从表1可以看出,掺加20%粉煤灰后,混凝土氯离子渗透电量由纯水泥混凝土1932.4库仑下降到685.2库仑,说明粉煤灰可以阻止氯离子在混凝土中的渗透速度,延长氯离子渗透到混凝土内部钢筋表面时间,提高混凝土耐氯离子侵蚀能力,因为粉煤灰二次水化不仅生成了更加稳定的低碱CSH ,而且减小了CH 的晶粒尺寸,减轻了CH 在界面层过渡区定向富集,改善了混凝土结构;图1说明不同等级粉煤灰改善氯离子

5、渗透能力不同。与级灰相比,级粉煤灰渗透电量明显下降,同时强度升高;此外,不同粉煤灰掺量改善渗透电量能力不同,当粉煤灰掺量由20%提高到40%时,渗透电量由685.2库仑升高到1157.0库仑,可能由于粉煤灰水化活性较低,使过高掺量粉煤灰二次水化速度较慢,导致混凝土结构疏松,造成抗氯离子渗透能力下降。表1混凝土配合比及结果编号单方材料用量(kg/m 3水泥粉煤灰粉煤灰砂石水减水剂坍落度(mm 抗压强度(MPa 7d 28d 28dCl 渗透电量(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 图1粉煤灰对氯离子渗透电量的影响3.2级粉煤灰对氯离子吸附固化能力的影响级粉煤灰能很好地改善抗氯离子渗透能力,按吸附固化能力评价方法对级灰进行了分析,结果见表 2。表2粉煤灰对氯离子吸附固化能力评价结果水泥(g FA (g 标准液(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图2粉煤灰对氯离子吸附固化的影响从图2的结果可以看出,水泥浆体具有最大的Cl -固化能力,与水泥浆体相比, 纯粉煤灰浆体对氯离子的固化能力稍低,其相对固化率为体系氯离子含量的26.7%。从有关资料分析中可以认为,纯粉煤灰浆体在水化5h 内,几乎不存在水化反应,结果表明,粉煤灰自身对氯离子具有很强的固化能力。粉煤灰在20%掺量下,对氯离子的固化力下降,这可能是由于粉煤灰稀释作用削弱了水泥的水化、导致吸附固化能力下降所致。3.3粉煤灰耐Cl -侵蚀机理图3掺粉煤灰浆体在3d 时的MIP 结果图3为粉煤灰水化3d 后浆体

8、微观结构的变化规律。从累积孔隙率结果看,掺粉煤灰的累计孔隙率要大于纯水泥。在水化初期 ,由于粉煤灰取代水泥导致了单位体积内水化产物总量的减少,而粉煤灰二次水化反应不足以弥补上述体积稀释效应;压入和挤出双曲线表明,粉煤灰具有更多的瓶颈效应,有更多的汞在挤出时残留于体系内,粉煤灰的掺入,虽然降低了浆体水化初期的水化产物总量,但由于粉煤灰颗粒具有空心结构和复杂的内比表面积,可能增加吸附与反应的场所,对混凝土内部的Cl -的吸附起到一定的有利作用。图4掺粉煤灰浆体在28d 时的MIP 结果由图4可以看出,随着龄期的增长,水泥石微结构孔隙率均明显下降,累计孔隙率方面,水泥 粉煤灰,且粉煤灰的上升曲线明显

9、向小孔方向偏移,显然是由于粉煤灰的硅铝玻璃体与水泥水化释放的CH 反应生成了CSH 的缘故,结构变的更加致密,从而提高混凝土抵抗氯离子渗透能力;此外,粉煤灰火山灰效应不仅可减少过渡区内的CH 总量,改善过渡区CH 的取向,同时产生的水化产物CSH 凝胶又能填充该区的大孔隙,从而减少了过渡带的厚度3,并使过渡带性能得到较好的改善,最终提高了混凝土的整体性能和混凝土抗氯离子侵蚀能力。图5Friedel 盐的SEM 图此外,掺加粉煤灰的二次水化反应会吸收体系的CH 生成较多的CSH 和水化铝酸钙,水化铝酸钙会与Cl -离子及CH 反应生成Friedel 盐(单氯水化铝酸钙,C 3A CaCl 210

10、H 2O 和三氯水化铝酸钙C 3A 3CaCl 232H 2O ,如图5所示。其次,CSH 凝胶具有非常大的比表面积,具有较高的表面能,极易将氯离子吸附在其表面,对氯离子起到固化作用。综上所述,由于粉煤灰不仅能够密实混凝土内部结构降低氯离子渗透速率,同时对氯离子吸附固化可以减少混凝土中自由氯离子含量,从而提高混凝土抵抗氯离子侵蚀能力。(下转第31页表2粉煤灰磁化肥对土壤温度的影响(土层深度(cmCK533.2133.2532.5334.1234.501031.4131.5431.2031.7331.841530.1229.8730.3030.4329.92特别是对5cm深度地温增温作用显著,而

11、对10cm和15cm深度地温影响不大。砂姜黑土施用粉煤灰对5cm深度地温也起到了增温作用,但与施用磁化肥相比,作用较小。砂姜黑土施用化肥,地温几乎没有变化。在5cm深度地温,处理、处理、处理、处理分别比对照增温1.29、0.91、0.32、0. 04;10cm深度各处理增温值依次为0.43、0. 32、0.21、0.13;15cm深度处理、处理地温分别比C K降低0.25、0.20,处理、处理地温分别比C K增加0.18、0.31。2.2对芝麻产量构成因素的影响表3磁化肥对芝麻产量及产量构成因素的影响处理株高(cm单株蒴数(个蒴粒数(个千粒重(g亩产(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从考种结果可知(表3,芝麻施用磁化肥起到了促进生长,增蒴、增粒、增粒重的效果。从处理到处理与C K相比,单株蒴数依次增加8.6个,6.6个、7.1个、0.4个;蒴粒数依次增加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。产量构成因素以施用粉煤灰磁化肥处理最佳。2.3对芝麻产量结构的影响从产量结果(表3可以看出,砂姜黑土区芝麻施用磁化肥增产效果显

13、著。C K亩产73.37kg,产量最低;处理亩产87.71kg,产量居第一位,比对照增产14.3%;处理亩产83.04kg,产量居第二位,比对照增产9.7%;处理亩产82.37kg,产量居第三位,比对照增产9.0%;处理亩产77.71kg,产量居第四位,比对照增产4.3%。3结语磁化肥对砂盖黑土改良具有明显地降低土壤容重、增加土壤孔隙度、提高土壤温度的作用,有效地改善了土壤物理性状,砂姜黑土区芝麻施用粉煤灰磁化肥增产效果显著,其主要表现是增蒴、增粒、增粒重;通过生产磁化肥,开发利用粉煤灰,是电力工业变废为宝,改善环境,增加效益的有效途径。主要参考文献1、魏克循河南土壤地理河南科学技术出版社19

14、952、吴守华、刘宝山、董云中粉煤灰改土效益研究土壤学报1995、32(3:3343403、丁法元等芝麻河南科学技术出版社1979收稿日期:03-12-05(上接第15页4结论(1由于粉煤灰火山灰活性效应,混凝土内部总孔隙率降低孔径减小,结构致密降低了氯离子在混凝土中的渗透速率,从而延长了氯离子渗透到混凝土内部的时间。(2粉煤灰的二次水化反应生成的水化CSH凝胶的吸附和反应生成了Friedel盐,可以减少自由Cl-的含量,造成到达混凝土内部离子浓度降低,从而提高钢筋混凝土的使用寿命,增强了混凝土抗氯离子侵蚀能力。参考文献1B.Erlin.William Hime.Chloride-Induce