粉煤灰对混凝土护筋性的复合影响

1、粉煤灰对混凝土护筋性的复合影响摘要:针对粉煤灰(FA)提高抗渗性而降低碱度对混凝土护筋性存在矛盾的复合作用,通过不同粉煤灰掺量下混凝土的氯离子渗透性、碱度和干湿循环下钢筋的腐蚀电位、加速腐蚀条件下混凝土的开裂时间和最大阳极电流等的试验测定来研究FA掺量对混凝土护筋性的复合影响。结果表明,随FA掺量增加040%),混凝土pH值逐渐降低而抗渗性逐渐提高,尽管掺40%FA混凝土的抗渗性高于掺30%FA的混凝土,但前者的护筋性下降。混凝土护筋性不仅取决于抗渗性,还与基体内能否保持较高的碱度有关。为保证混凝土的高碱性和护筋性,FA掺量不宜超过40%。而FA掺量30%的混凝土不仅有高的碱度和抗氯离子渗透性

2、,还有很好的护筋性。关键词:粉煤灰;护筋性;碱度;氯离子渗透;腐蚀0 前言钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土构筑物破坏最重要的原因之一,它往往决定了结构的服役寿命。在通常情况下,混凝土内部的高碱性环境使钢筋表面形成一层-Fe2O3保护膜,从而保护钢筋免受腐蚀。然而,当外界氯离子通过混凝土保护层渗透到钢筋表面并达到某一临界浓度时,钝化膜会被破坏,在氧、水分存在的条件下,钢筋将发生电化学锈蚀。研究表明:钢筋去钝化的关键在于Cl-/OH-的比值,即Cl-、OH-在钢筋表面争取Fe2+时谁占优势。如果钢筋周围的混凝土孔隙液中OH-浓度高(即pH值高)则钝化占优势;反之则去钝化占优势。因此,Cl-引起混凝土中钢筋

3、去钝化腐蚀并不单纯取决于混凝土孔隙液中的游离Cl-浓度,更重要的在于Cl-/OH-比值。粉煤灰因其良好的形态效应、活性效应以及微集料效应已广泛应用于钢筋混凝土建筑工程。粉煤灰与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应使基体和界面过渡区的孔径细化,使混凝土更加密实,从而提高混凝土的抗Cl-迁移渗透能力,使Cl-等有害离子难以侵入。与此同时,粉煤灰水化时会消耗基体中Ca(OH)2,降低孔隙液中OH-浓度,在同样的Cl-浓度下会增加Cl-/OH-的最终比值和增加Cl-的相对去钝化优势,这对混凝土的护筋性是不利的。因此,粉煤灰混凝土的护筋性不能单由抗渗性来评价,而应从粉煤灰提高混凝土抗渗性和降低碱

4、度的复合影响来研究得出。本试验通过测定不同粉煤灰掺量下,混凝土的Cl-渗透系数、孔隙液碱度以及干湿循环下混凝土中钢筋腐蚀电位变化、加速腐蚀条件下混凝土保护层开裂的时间和最大阳极电流等试验内容来确定粉煤灰掺量对混凝土保护内部钢筋不受锈蚀的复合影响。并试图确定粉煤灰的最佳掺量范围,以便既能明显提高混凝土抗Cl-渗透性,又能维持内部相对较高的碱度。1试验研究方法1.1原材料及配比(1)水泥:42.5级普通硅酸盐水泥,28d抗压强度为46.8MPa,化学组成见表1。(2)细集料:湘江河砂,中砂,细度模数2.7,区级配合格。(3)粗集料:为了减少粗集料的影响,突出粉煤灰水泥浆体对混凝土抗钢筋锈蚀能力的影

5、响,取最大粒径为10mm的石灰石碎石。(4)掺合料:粉煤灰(FA)为湖南某电厂产级灰,烧失量3.5%,比表面积5400cm2/g,化学组成见表1。(5)配合比:水胶比0.44,砂率40%,胶凝材料用量为420kg/m3,其中粉煤灰等量取代水泥的量分别为:0、10%、20%、30%、40%。1.2试验方法混凝土pH值测定从不同龄期的混凝土试样中钻孔取粉,并注意在钻孔时应避免直接钻取粗骨料。粉末过孔径为0.08mm方孔筛,称取5g过筛粉末溶于锥形瓶内的50g蒸馏水中,用橡皮塞塞紧瓶口以防碳化;在随后的2h内每隔约5min摇匀一次,静置24h后过滤,用pH计测定滤液的pH值。每组取样三个,分别测定各

6、自pH值后求平均值。氯离子迁移渗透试验采用NTBUILD492非稳态Cl-迁移渗透仪测定混凝土的Cl-渗透系数。钻芯取直径100mm1mm、高度h=50mm2mm的圆柱体作试件。阴极溶液为质量分数10%的NaCl溶液,阳极溶液为0.3M的NaOH溶液。试件外表面浸在阴极溶液中。试验保持在2025,通电测初时电流。通电结束,用自来水冲洗试件,轴向劈开后,喷0.1M的AgNO3溶液。约15min后白色AgCl在劈裂面可见时,从中间至两边每间隔10mm共测量7个渗透深度,精确到0.1mm。根据简化公式,可计算出Cl-迁移渗透系数。半电池电位试验试验的目的是测定混凝土在干湿循环条件下,其内钢筋的腐蚀电

7、位变化。成型100mm300mm的圆柱体混凝土试件,将20mm250mm钢筋一端埋置于混凝土正中央并距底面5cm。试件24h后脱模,标准养护28d后开始干湿循环。将试件浸没在温度(202)、质量分数5%的NaCl溶液7d后,在温度(202)、相对湿度50%的干燥室中干燥7d完成一个循环。因此,每个干湿循环周期为14d。于每个干湿循环后测定钢筋与Ag-AgCl参比电极的电位差,即为腐蚀电位E。试验装置如图1所示。依据ASTMC876-91钢筋腐蚀电位评估标准:腐蚀电位大于-126mv,钢筋腐蚀机率小于10%;腐蚀电位介于-126mv-276mv之间时,钢筋腐蚀机率介于10%至90%;腐蚀电位介于

8、-276mv-426mv之间时,钢筋腐蚀机率大于90%;腐蚀电位小于-426mV时,代表钢筋腐蚀严重。外加电压加速腐蚀试验试验目的为测定加速腐蚀条件下,试件出现锈蚀钢筋膨胀裂缝的时间及最大的阳极电流。成型80mm250mm的圆柱体混凝土试件,将20mm250mm钢筋一端埋入并定位于混凝土正中央,24h后脱模,标准养护28d。然后将圆柱体混凝土试件放入盛有质量分数3.5%NaCl溶液的水箱中,液面高度距试件上顶面50mm。连接工作电极(钢筋)、辅助电极(不锈钢电极)至恒电位仪,如图2所示。钢筋上部、试件上下底面涂环氧树脂,使Cl-只能从侧面渗入。为加速腐蚀,对钢筋与不锈钢电极施以6V的恒定电压,

9、Cl-在电场作用下迁移渗透造成钢筋锈蚀并开始膨胀至混凝土试件出现裂缝为止。记录试件出现裂缝的时间和最大阳极电流。2试验结果与分析2.1粉煤灰掺量对混凝土pH值的影响试验结果见图3。由图3可见,随着FA掺量的提高,混凝土的pH值逐渐降低。FA掺量在030%时,混凝土的pH值变化幅度不大,90d时混凝土的pH值最小12.4,依然能够为钢筋提供高的碱性环境;但当FA掺量为40%时,混凝土90d的pH值大幅地下降至11.65。因此,从保持混凝土孔隙液的高碱性环境考虑(pH值在1213之间),FA掺量不应超过40%。从掺30%到掺40%FA时混凝土pH值变化明显可说明碱性的降低并不和FA掺量的增加呈线性

10、关系。混凝土高碱性主要来源于水泥的水化产物Ca(OH)2,水化初期随着水泥的不断水化,水化产物中的Ca(OH)2逐渐增多,孔隙液的碱性逐渐提高。随着龄期增长,粉煤灰的活性效应被激发进而与Ca(OH)2发生二次水化反应,消耗水泥石中的Ca(OH)2,导致混凝土pH值的降低4。而且粉煤灰等量取代水泥量的增加导致水泥用量的减少,水泥水化产生的Ca(OH)2总量也随着减小。试验还发现,除了FA掺量为40%外,各试件在龄期3d到28d时,pH值随着龄期的增加而提高;而28d到90d时,pH值又随着龄期的延长而降低。这与水泥的水化反应和粉煤灰后期活性逐渐被激发而消耗Ca(OH)2的化学反应过程相吻合。2.

11、2粉煤灰掺量对混凝土抗氯离子渗透的影响结果如图4所示。图4表明,粉煤灰等量取代水泥掺入后能较大幅度地降低混凝土的Cl-渗透系数,且随FA掺量的增加(10%40%),混凝土Cl-渗透系数呈递减趋势,但递减梯度变缓。混凝土的抗渗性随龄期的增长越来越高。在28d时,加30%和40%FA混凝土的Cl-渗透系数相当,但56d时后者比前者高16%。说明大掺量粉煤灰在后期充分水化后仍能提高混凝土的抗渗性。加20%FA混凝土的抗渗性,其56d比28d的提高幅度最大,而纯水泥混凝土的提高幅度则最小。FA对混凝土抗Cl-渗透性能的改善归因于FA的密实填充效应和火山灰效应降低了混凝土中硬化浆体的孔隙率及改善了混凝土

12、的孔隙特征。FA微细颗粒的填充作用与二次水化产物使水泥浆体毛细孔隙细化和结构致密化,FA的掺入显著降低了混凝土中的大孔含量及总孔隙率,使孔径细化。因此,掺FA混凝土抗Cl-渗透能力大幅提高。FA与Ca(OH)2发生二次水化反应,使混凝土界面过渡区Ca(OH)2晶体含量降低,尺寸减小、取向度降低,结构更为致密,从而有效延长了毛细孔通道7。因此,随着FA掺量的增加(10%40%),混凝土抗渗性逐渐提高。这对于混凝土抵抗外界Cl-向内部的迁移渗透是有利的。2.3半电池腐蚀电位试验结果如图5所示。由图5可见,经过12次干湿循环,FA取代量10%、20%、30%的混凝土中钢筋腐蚀电位都大于-276mv,

13、只有没掺FA、FA取代量40%的混凝土中钢筋的腐蚀电位小于-276mv,这说明后两种混凝土中钢筋的腐蚀机率都大于90%;且FA取代量40%的混凝土中钢筋的腐蚀电位在经过12次干湿循环后,明显降低。对于未掺FA和掺量10%的混凝土,钢筋腐蚀电位在干湿循环初期的降低速率较小,后期降低幅度逐渐增大。其中未掺FA的混凝土,钢筋在干湿循环12次后的腐蚀电位为-290mv。而掺加20%和30%FA的钢筋腐蚀电位在干湿循环初期的降低速率较大,后期降低幅度逐渐减小,并最终都低于-276mv。这说明未掺FA和掺10%FA混凝土的初期孔隙液碱度很高,使得Cl-/OH-的比值相对较低,钢筋明显处于钝化状态,腐蚀电位

14、下降的速度便小;随着Cl-的不断迁移积累,当达到引起钢筋锈蚀的Cl-/OH-临界比值时,钢筋开始锈蚀。但由于其抗Cl-渗透性不及掺20%和30%FA的混凝土,对外界Cl-向内部迁移渗透,及对基体内已有的Cl-的迁移阻抗相对较小,所以,其后期腐蚀电位的下降速率高于后者。而掺20%和30%FA混凝土的初期孔隙液碱度相对较低,因而先达到引起钢筋腐蚀的Cl-/OH-临界值,使腐蚀电位下降较快;而随着龄期的延长,基体内大量粉煤灰不断水化,抗渗性不断提高,进而后期钢筋腐蚀电位的下降速率减缓。此外,阴极区氧气的供应也影响钢筋腐蚀电位的下降速率,而抗渗性的提高也意味着外界氧的侵入变得越来越困难,所以在试验中表

15、现为掺20%和30%FA混凝土中钢筋腐蚀电位的下降速率较前期低。综合掺30%和40%FA混凝土的Cl-渗透性(图4)和钢筋腐蚀电位(图5)可以得出:虽然掺40%FA混凝土的抗Cl-渗透性高于掺30%FA混凝土的,但由于前者孔隙液中的pH值明显低于后者(图3),从而导致混凝土的护筋性降低。因此,混凝土的护筋性不仅取决于混凝土的抗渗性,还与混凝土能否保持较高的碱度有关。通过在干湿循环下不同FA掺量混凝土中钢筋腐蚀电位的下降,可以初步得出结论:即从保证混凝土的护筋性出发,FA掺量不宜超过40%。Thomas和Arya,C.等人研究表明,Cl-引起钢筋腐蚀的临界浓度值随FA掺量的增加呈下降趋势。表2给

16、出了不同FA掺量混凝土中Cl-引起钢筋锈蚀的临界值。在50%FA掺量时,Cl-引起钢筋锈蚀的临界浓度(质量分数)仅为胶凝材料的0.2%。这似乎更说明大掺量粉煤灰将对混凝土的护筋性产生不良影响。虽然Thomas和Arya,C.在试验室的长龄期试验中发现,大掺量粉煤灰混凝土中钢筋的后期腐蚀速率下降,而且,后期钢筋的腐蚀速率主要取决于混凝土电阻率和阴极区的供氧量,但这对于混凝土带裂缝工作的实际使用中的工程结构来说9,试验室的这一结论并没有实际的应用价值。所以,前期的腐蚀应引起足够的重视。2.4加速腐蚀试验试验结果列于表3。由表3可见,掺40%FA的混凝土最先开裂,且最大阳极电流明显高于其他。这表明当

17、FA掺量达到40%时,混凝土的护筋性严重下降,这与上面得出的结论相符。在电场作用下,Cl-通过保护层快速迁移渗透至钢筋表面,当Cl-/OH-比值大于钝化膜稳定存在的临界值时,钝化膜开始破坏,钢筋发生局部腐蚀。随着Cl-不断迁移富集,Fe2+和Cl-生成可溶于水的FeCl2,它向外扩散并与OH-生成褐锈Fe(OH)2,再与孔隙水和氧反应转化成其他形式铁锈。铁变成铁锈后体积膨胀27倍,对周围混凝土产生压力使保护层顺筋开裂。掺40%FA的混凝土最先开裂的原因,一方面是由于基体内碱度较低,钢筋开始腐蚀的时间提前,因而生成更多的腐蚀产物,产生更大的膨胀应力;另一方面掺40%粉煤灰会降低混凝土的早期强度,

18、导致混凝土承受膨胀应力的能力下降。除掺40%外,其他掺量的FA混凝土中钢筋的最大阳极电流都低于未掺FA的。但开裂时间并没有明显的改变。其中,FA掺量30%混凝土的钢筋最大阳极电流低于未掺FA的3.5mA,但开裂时间却比后者提早8h。这一方面是掺FA的高抗渗性使得混凝土的阻抗较大,钢筋的阳极电流较小;另一方面是混凝土早期强度随FA的增多而降低,因此,即使相对较小的膨胀应力也容易使之开裂。加速腐蚀试验同样也说明粉煤灰的掺量不应超过40%。而FA掺量在30%时并没因混凝土碱性的降低而降低混凝土的护筋性。这说明FA等量取代30%水泥既能明显提高混凝土抗Cl-渗透性又能维持内部相对较高的碱度。3结论(1)随FA掺量的增加,混凝土pH值逐渐降低;FA掺量在030%时,pH值下降幅度不大,依然能够为钢筋提供高的碱性环境;但当FA掺量为40%时,混凝土90d的pH值将大幅下降至11.65。(2)随FA掺量的增加(10%40%),混凝土抗渗性逐渐提高。这归因于FA的密实填充效应和火山灰效应降低硬化浆体孔隙率、细化孔径及改善孔隙特征。(