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    未淡化海砂混凝土的力學性能和耐久性能分析

    來源:原創論文網 添加時間:2020-04-13

      摘    要: 對利用未經淡化處理海砂配制的超高性能混凝土(UHPC)的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、彈性模量、抗凍性能、抗氯離子滲透性能和護筋性能進行了系統的試驗研究。結果表明:抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度分別大于120 MPa、20 MPa和12 MPa,彈性模量大于40 GPa,其抗凍等級超過F500,電通量值不超過50 C,力學性能和耐久性指標均滿足GB/T 31387—2015 《活性粉末混凝土》的要求。此外,本試驗顯示,經過40次的鹽水浸烘循環試驗后,未淡化海砂UHPC中的鋼筋銹蝕風險較低。

      關鍵詞: 未淡化海砂; 超高性能混凝土; 鋼纖維; 降黏劑; 耐久性;

      Abstract: The compressive strength, flexural strength, splitting tensile strength, elastic modulus, frost resistance,chloride-permeation resistanceand protection for steel of ultra-high performance concrete(UHPC) made with untreated sea sand were studied. The results of research show that: compressive strength, flexural strength, splitting tensile strength and elastic modulus are higher than 120 MPa、20 MPa、12 MPa and 40 GPa respectively, and the frost resistance degree far exceedes F500 and electric flux is less than 50 C. According to the above results, the mechanical property and durability can meet the requirements of current national standard GB/T 31387—2015 Reactive Powder Concrete. In addition,through 40 times of salt water immersion drying cycle test, the steel in UHPC made with untreated sea sand shows low risk of corrosion.

      Keyword: Untreated sea sand; Ultra-high performance concrete; Steel fiber; Viscosity reducer; Durability;

      0、前言

      我國海砂資源非常豐富,擁有18 000 km的海岸線,各類砂體面積達34.2萬km2,海砂儲量1.6萬億t[1,2],但由于海砂中較高的氯鹽含量會誘發和加速混凝土中的鋼筋銹蝕,限制了海砂的應用,臺灣地區就曾暴露出海砂混凝土結構鋼筋腐蝕的工程案例[3,4]。超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)是一種高強度、高韌性、高耐久的超高強水泥基材料[5,6,7,8],國內已開展了針對未淡化海砂配制超高性能混凝土的研究,結果也表明能夠利用未淡化海砂配制出強度滿足要求的超高性能混凝土[9]。由于超高性能具有較低的水膠比,內部結構較密實[10],如果利用未淡化海砂配制的超高性能混凝土在一定程度上能夠實現隔絕水和氧氣,那么就有可能延緩、甚至阻止未淡化海砂超高性能混凝土中的鋼筋發生銹蝕,這也為淡水資源緊缺或不具備淡化條件情況下,直接利用未淡化海砂配制UHPC,實現在建設工程中的安全利用開辟了新的途徑。本文是在前期利用未淡化海砂超高性能混凝土配制研究的基礎上,對未淡化海砂配制的超高性能混凝土力學性能和耐久性能進行了系統的試驗研究。

      1、 原材料與試驗方法

      1.1 、原材料

      (1)水泥:冀東P·O 52.5R級水泥,28 d抗壓強度56.0 MPa;(2)硅灰:比表面積18 000 m2/kg以上,SiO2含量90%以上;(3)降黏劑:針對UHPC低水膠比和高膠凝材料用量的特點,使用復合摻合料,降黏劑的具體性能指標見表1;(4)外加劑:減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑,減水率30%以上;(5)鋼纖維規格及性能參數見表2;(6)海砂采自我國東海海域,未經任何處理,細度模數1.1,屬于特細砂,具體性能指標見表3;(7)拌合水:清潔的自來水和氯化鈉質量分數為3.5%的模擬海水。
     

    未淡化海砂混凝土的力學性能和耐久性能分析
     

      1.2、 配合比與試驗方法

      試驗分別成型了傳統石英砂UHPC、未淡化海砂UHPC、未淡化海砂與模擬海水共同配制的UHPC、石英砂與模擬海水共同配制的UHPC,并設置了對應的摻鋼纖維對比組,具體配合比見表4。

      表2 鋼纖維的基本性能
    表2 鋼纖維的基本性能

      表1 降黏劑的性能指標
    表1 降黏劑的性能指標

      表3 海砂的基本性能
    表3 海砂的基本性能

      攪拌:UHPC采用雙臥軸強制攪拌機進行攪拌,將稱好的原材料按照骨料、鋼纖維、水泥、礦物摻合料的先后順序進行加料,加料完成后先干拌3 min,加入水和外加劑后繼續攪拌6~10 min至拌合物呈現較好的流態性能,未淡化海砂UHPC的出機擴展度不小于550 mm。

      表4 UHPC配合比
    表4 UHPC配合比

      注:鋼纖維為體積摻量1.5%;所用砂和拌合水未注明的均使用的是未淡化海砂和自來水拌制。

      試驗方法:圖1為UHPC中鋼筋的埋置及在氯化鈉溶液中浸泡的示意圖。力學性能試驗、抗凍性能試驗和抗氯離子滲透性能試驗是待UHPC攪拌完成后按照現行GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》的規定分別成型抗壓強度、抗折強度、彈性模量測試試件和相應的耐久性試驗試件。試件成型后,先經過48 h的標準養護后拆模,之后按照設定的養護制度進行70℃恒溫蒸汽養護48 h,待降至室溫后再進行標準養護約72 h,之后從標養室移出開始進行相應的力學性能測試和耐久性試驗。鋼筋銹蝕試驗是將到齡期的埋置有鋼筋的UHPC試件進行浸烘試驗,具體的浸烘制度為在NaCl質量分數為3.1%的溶液中浸泡48 h,60℃烘干24 h為一次循環,總時間為72 h。浸烘前和每經過5次浸烘循環后測試UHPC中鋼筋的半電池電位值,浸烘循環40次后,對混凝土試件進行破型,觀察鋼筋的銹蝕情況,對鋼筋進行除銹并測試鋼筋的質量損失。

      圖1 鋼筋銹蝕試件的示意圖(單位:mm)
    圖1 鋼筋銹蝕試件的示意圖(單位:mm)

      2、 力學性能研究

      2.1、 抗壓強度

      試驗測試了不同配比的UHPC抗壓強度值,具體試驗結果如圖2所示。

      由圖2可知,利用石英砂和未淡化海砂配制的UHPC的立方體抗壓強度基本在110~130 MPa范圍內變化,摻用鋼纖維的H-W-S、S-W-S、H-Y-S和S-Y-S組的抗壓強度基本相當,與未摻鋼纖維組相比,摻用體積摻量1.5%的鋼纖維后抗壓強度約有10%幅度的提高。試驗結果也表明,海砂組UHPC的抗壓強度與石英砂組的基本相當,未淡化海砂UHPC的抗壓強度可大于120 MPa。

      圖2 抗壓強度試驗結果
    圖2 抗壓強度試驗結果

      2.2 、抗折強度與劈裂抗拉強度

      圖3是不同編號的UHPC試件的抗折強度和劈裂抗拉強度試驗結果。由圖可知,整體上抗折強度和劈裂抗拉強度試驗結果表現出的規律一致。摻入鋼纖維后,UHPC的抗折強度值和劈裂抗拉強度值顯著提高。摻鋼纖維H-W-S和S-W-S組的UHPC對應的抗折強度和劈裂抗拉強度基本相當,而采用海水拌合的UHPC抗折強度與劈裂抗拉強度均有不同程度的降低,這可能是由于海水組的Cl-含量較高會影響膠凝材料水化,從而導致抗折強度和劈裂抗拉強度降低;未淡化海砂配制的UHPC對應的抗折強度和劈裂抗拉強度分別超過了20 MPa和12 MPa,也滿足GB/T 31387—2015中等級RPC120的抗折強度要求。

      2.3、彈性模量

      圖4是不同編號的UHPC的彈性模量試驗結果。結果表明,鋼纖維屬于高彈性模量材料,摻用鋼纖維后可提高UHPC的彈性模量;同樣摻用鋼纖維的UHPC中,由于石英砂與海砂自身的力學性能的不同導致石英砂UHPC的彈性模量高于海砂UHPC;拌合水使用海水和自來水則對UHPC的彈性模量沒有明顯影響,兩者的彈性模量基本相當。

      圖3 抗折強度與劈裂抗拉強度試驗結果
    圖3 抗折強度與劈裂抗拉強度試驗結果

      3 、耐久性能研究

      3.1 、抗凍性能

      由于鋼纖維的摻入會影響試件動彈性模量的測試,故重點研究利用未淡化海砂配制的編號H-W和H-Y抗凍性能,編號S-W的UHPC作為對比組同時進行了快速凍融循環試驗。試驗對于不摻用鋼纖維的UHPC組,分別進行了不同編號試件的快速凍融循環試驗,并且測試了經過600次凍融循環過程的質量損失率和相對動彈性模量的變化情況,具體試驗結果如圖5所示。

      由圖5可知,經過600次凍融循環后,編號H-W、H-Y和S-W的UHPC質量損失均未超過1.5%,而且相對動彈性模量在凍融循環過程中幾乎沒有任何下降,所測的相對動彈性模量在99.5%~100%范圍內波動。海水作為拌合用水的海砂UHPC所表現出的抗凍性能與自來水拌合的海砂UHPC相當,而且利用未淡化海砂配制的UHPC的抗凍性能能夠滿足GB/T 31387—2015對UHPC抗凍等級≥F500的要求。

      圖4 彈性模量試驗結果
    圖4 彈性模量試驗結果

      混凝土發生凍融破壞主要是由于混凝土中的自由水在低溫條件下結冰膨脹,從而在混凝土內部產生內應力對混凝土造成損傷。UHPC水膠比極低,內部足夠密實,而且內部自由水含量和滲透性非常低,在凍融循環過程中對混凝土產生的破壞作用有限,因此,海砂UHPC具有較好的抗凍性能。

      3.2、 抗Cl-滲透性能

      抗氯離子滲透性能試驗采用電通量法,由于鋼纖維是較好的導電介質,故重點研究了編號H-W、H-Y組在不同養護條件下的抗Cl-滲透性能,為了對比研究未淡化海砂UHPC的抗氯離子滲透性能,同時對編號S-W組和強度等級C80的混凝土進行了電通量試驗,具體試驗結果如圖6所示。

      結果表明,不論是蒸汽養護還是標準養護條件,編號S-W、H-W和H-Y的UHPC的6 h電通量值都非常低,均不超過50 C,養護方式對電通量試驗結果影響并不明顯;而對于C80混凝土來說,蒸汽養護條件下水化更加充分,電通量值較低。從C80高強混凝土與UHPC的電通量試驗結果來看,這也說明與高強混凝土C80相比,UHPC的基體結構更加密實,具有更高的抗Cl-滲透性能;而且海砂UHPC的電通量指標也完全滿足GB/T 31387—2015中電通量≤100 C的規定要求。

      圖5 凍融循環試驗結果
    圖5 凍融循環試驗結果

      3.3 、鋼筋銹蝕試驗

      目前,半電池電位法仍是應用最廣泛的鋼筋銹蝕檢測技術,半電池電位的檢測原理是,當鋼筋發生銹蝕時,鋼筋表面的陰極和陽極區域之間存在電位差,通過測量鋼筋電極與參比電極之間電位差來判斷鋼筋的銹蝕情況[11,12]。本試驗結合在浸烘過程中鋼筋半電池電位的變化情況,可以對UHPC中的鋼筋銹是否發生銹蝕進行定性測定,試驗采用的參比電極為飽和的Cu/CuSO4電極。鋼筋銹蝕是電化學反應,由于鋼纖維是良好的導電介質,有可能在氯離子環境條件下會加速鋼筋銹蝕速率,因此,試驗重點研究了摻用鋼纖維組的超高性能混凝土的電位變化規律,在浸烘過程各編號UHPC中鋼筋的半電池單位變化情況如圖8所示,判別鋼筋是否發生銹蝕參照現行國家標準GB/T 33803—2017《鋼筋混凝土阻銹劑耐蝕應用技術規范》和GB 50344—2015《建筑結構檢測技術標準執行》,具體指標要求見表5。

      表5 現行國家關于半電池電位法的判別標準
    表5 現行國家關于半電池電位法的判別標準

      由圖7的試驗結果可知,在40次的浸烘循環過程中,不同編號的UHPC的半電池電位值在一定范圍內波動,整體上來看4組不同配比編號的UHPC的半電池電位由小到大依次排序為H-Y-S<H-W-S<S-Y-S<S-W-S,這也與不同配比UHPC中的氯離子含量的高低規律基本相符。其中編號為S-W-S組的半電池電位最大,從浸烘循環10次后至40次浸烘循環結束幾乎未出現過小于-200 mV的情況,根據表5的指標要求進行判斷可知,該編號組的鋼筋銹蝕概率為5%;采用未淡化海砂配制的編號H-W-S的UHPC在經過40次的氯鹽浸泡和烘干循環后,與編號S-W-S的UHPC半電池電位比較接近,兩者的銹蝕概率均較低。而浸烘循環過程中,編號H-Y-S的UHPC的半電池電位值最小,尤其是浸烘循環至20次后,所測出的半電池電位在-250~200 mV范圍內變化,根據表5的指標要求進行判斷則可知其屬于鋼筋銹蝕概率為50%或可能存在坑蝕的情況。經過40次浸烘循環后,將所有試件進行了破型觀察其中鋼筋的銹蝕情況,結果表明,除了編號S-Y-S和編號H-Y-S的UHPC中分別有兩個試件和一個試件中鋼筋存在輕微的坑蝕情況外,其他編號的UHPC中鋼筋均未出現鋼筋銹蝕的情況。半電池電位法適用于定性評估混凝土中鋼筋銹蝕狀態,結合破型后的直觀觀察則能進一步提高評價鋼筋是否發生銹蝕的準確性,綜合半電池電位試驗和破型的結果來看,未淡化海砂配制的UHPC中鋼筋發生銹蝕的風險較低。

      圖6 電通量試驗結果
    圖6 電通量試驗結果

      圖7 浸烘循環過程的半電池電位情況
    圖7 浸烘循環過程的半電池電位情況

      后續項目組又配制的普通強度等級C30和高強度等級C60和C80的混凝土進行更為長時間的浸烘循環試驗,以對比研究海砂UHPC對鋼筋的保護性能,目前相關的試驗仍在進行過程中。

      4 、結論

      (1)利用未淡化海砂配制UHPC的抗壓強度可以大于120 MPa,抗折強度和劈裂抗拉強度分別大于20 MPa和12 MPa,彈性模量大于40 GPa,完全滿足現行國家標準GB/T 31387—2015中等級RPC120的力學性能的要求。

      (2)海砂UHPC具有較好的抗凍性能和抗氯離子滲透性能,對應的抗凍等級及電通量指標也分別滿足現行國家標準GB/T 31387—2015中抗凍性能≥F500和電通量≤100 C的要求。

      (3)UHPC對Cl-固化性能與總Cl-含量和養護齡期有關,總Cl-含量越高,Cl-的固化率越低;養護齡期越長,Cl-的固化率越高。

      (4)半電池電位和破型驗證結果表明,采用未淡化海砂、自來水配制的UHPC在進行40次浸烘循環后,銹蝕風險較低。

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