碾壓混凝土滲透溶蝕規(guī)律及其機(jī)理分析
核心提示：四川建筑科學(xué)研宄碾壓混凝土滲透溶蝕規(guī)律及其機(jī)理分析潘玲賈福春2，劉詠梅1（1.武漢水利電力大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程系，湖北武漢430072；2.中國(guó)五環(huán)化學(xué)工程公司，湖北武漢430074）物的種類由碾壓
　　四川建筑科學(xué)研宄碾壓混凝土滲透溶蝕規(guī)律及其機(jī)理分析潘玲賈福春2，劉詠梅1（1.武漢水利電力大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程系，湖北武漢430072；2.中國(guó)五環(huán)化學(xué)工程公司，湖北武漢430074）物的種類由碾壓混凝土的配合比決定，溶出物（或吸收物）的數(shù)量，主要決定于配合比與壓九CaO/SiO2摩爾比為1或接近于1，且含足夠數(shù)量的膠凝材料的碾壓混凝土，具有最佳的抗?jié)B溶蝕性能當(dāng)Ca/Si2> 1時(shí)，混凝土出現(xiàn)缺硅現(xiàn)象，而Ca/SiO<1時(shí)，則出現(xiàn)缺鈣現(xiàn)象因此，碾壓混凝土中粉煤灰的加入量應(yīng)滿足Ca/Si2摩爾比接近1或稍大于1這一必要條件。無(wú)論何種配合比，在水壓力為定值時(shí)，單位體積混凝土中CaO或SiO2的日均溶蝕量均隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，而隨壓力逐漸升高呈上升趨勢(shì)。
　　1前言從目前已建的碾壓混凝土工程來(lái)看，大多數(shù)工程采用粉煤灰作為碾壓混凝土的摻合料。實(shí)踐證明，摻用粉煤灰是一種既可填充碾壓混凝土骨料空隙、改善和易性、提高后期強(qiáng)度，又可降低水化熱減少溫升、避免因溫升過(guò)高而產(chǎn)生裂縫的可行措施同時(shí)，由于粉煤灰與水泥的一次水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，使得碾壓混凝土中的Ca（OH）2含量要比常態(tài)混凝土少得多。人們擔(dān)心，由于Ca（OH）2缺乏，水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性會(huì)受到影響。因而，當(dāng)碾壓混凝土遭受壓力水滲透并由此造成的溶出性侵蝕，是否會(huì)影響到碾壓混凝土的耐久性，成為人們十分關(guān)心問(wèn)題為此，我們進(jìn)行了不同配合比的滲透溶蝕試驗(yàn)，并對(duì)滲透液進(jìn)行了全面的化學(xué)成份分析，獲得了碾壓混凝土滲透溶蝕的一些規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行了分析。
　　2碾壓混凝土滲透溶蝕試驗(yàn)2.1試驗(yàn)原材料水泥：柳州525號(hào)普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：廣西田東電廠收塵灰，級(jí)，高鈣灰，CaO含量骨料：石灰?guī)r人工砂及礦石，級(jí)配良好；外加劑：湛江外加劑廠生產(chǎn)FDN-M500（R）；水：模擬天然水。
　　2.2試驗(yàn)配合比為說(shuō)明問(wèn)題方便，試驗(yàn)選用3個(gè)配合比，如表1所示2.3試驗(yàn)方法將碾壓混凝土成型抗?jié)B試件，試件厚度150mm，試件養(yǎng)護(hù)到一定齡期后，裝入經(jīng)改裝的抗?jié)B儀中，試件與試模間用防水材料密封，壓力水僅作用于試件上表面。當(dāng)在某一固定水壓下滲流相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可定時(shí)測(cè)量透過(guò)混凝土試件的滲水量，并對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成份分析，測(cè)定滲透水的pH，電導(dǎo)率，Ca2+，SiO2-，SiO2-，Cl：，O，Na+，K+，Al+，F(xiàn)e2+，CO3-等離子。電導(dǎo)率用DDS-11A型電導(dǎo)率儀來(lái)測(cè)定；pH用玻璃電極來(lái)測(cè)定；O片，CO2-，Clr，「用容量法來(lái)測(cè)定；SO3-，SiO2-，SiO2，AP用分光光度法來(lái)測(cè)定；Na+用鈉電極來(lái)測(cè)定；於用原子吸收法來(lái)測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果見，2，3，4，5 3試驗(yàn)結(jié)果分析3.1滲水量與配合比3個(gè)配合比混凝土滲水量隨時(shí)間的變化規(guī)律見從教學(xué)工作圖中明顯看出，配合比3曲線位置最低，且隨時(shí)間延長(zhǎng)，滲透水量呈下降趨勢(shì)；配合比2曲線位置最高，滲透水量最大；配合比1曲線介于兩者之間。因此，配合比3抗?jié)B性最好。3個(gè)配合比齡期為90d，水壓為2.8MPa些物質(zhì)溶解度很大，一開始溶出多，后來(lái)就很少，所以，pH開始在12以上，14d之后只有11左右。配合比3曲線介于兩者之間，因水泥用量也介于2配合比之間為使凝膠產(chǎn)物穩(wěn)定存在，配合比3較合適l出3.2滲透水的pH與配合比3個(gè)配合比混凝土滲透水的pH隨時(shí)間的變化規(guī)律見配合比1曲線位置最高，前4d滲透水pH達(dá)13以上，當(dāng)滲透13d后，還保持12.5以上這與KOH，NaOH，Ca（OH）2溶出量較高密切相關(guān)，此配合比水泥加得最多，CaO含量最高，當(dāng)水滲入時(shí)，可溶性物質(zhì)均可能溶出，在混凝土孔隙液中彼此反應(yīng)，CaO大大過(guò)量，而隨水帶出，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，CaO含量漸少，溶出量也減少。因此，pH呈緩慢下降趨勢(shì)，配合比2曲線位置最低，相對(duì)來(lái)說(shuō)，水泥用量最少，CaO最少，滲透液中基本上無(wú)Ca（OH）2溶出。因此，pH主要由混28MPa下CaO，Si2日均溶出量隨時(shí)間的變化3.3滲透水的電導(dǎo)率與配合比3個(gè)配合比滲透水的電導(dǎo)率與時(shí)間的關(guān)系曲線見電導(dǎo)率與pH密切相關(guān)，由于混凝土滲透水均顯堿性，而Off離子電導(dǎo)率相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，所以pH高，電導(dǎo)大，這樣電導(dǎo)率與時(shí)間關(guān)系和pH與時(shí)間之關(guān)系類似由于滲透水樣在量取、測(cè)定過(guò)程中受空氣干擾較大，因此，給pH，電導(dǎo)率，0片，CO3-的測(cè)定帶來(lái)影響，不易測(cè)準(zhǔn)，但對(duì)探討其變化規(guī)律影響不大3.4混凝土溶出物的種類與配合比混凝土中溶出物的種類一般與組成混凝土材料的性質(zhì)、配合比、外加劑等因素有關(guān)混凝土中凡能溶于水的物質(zhì)均有可能隨滲透過(guò)程的進(jìn)行而溶出。一些易溶于水的堿性氧化物如Na2，K2，Ca0等，當(dāng)水滲入時(shí)，很快轉(zhuǎn)變成NaOH，K0H，Ca（0H）2等。還有一些可溶性鹽類，如氯化物（NaCl，KCl，CaCU等）硫酸鹽（Na2S4，K2SO4等）碳酸鹽（Na2C3，K2⑶3等）、硅酸鹽（Na2Si3）也可以溶出。但由滲透水的化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)可知，3個(gè)配合比混凝土的溶出物種類不完全相同。
　　溶出，即Na0H，K0H，Ca（0H）2等堿溶出。Cl-沒(méi)有溶出相反從水中吸收SiOt，SiO4-在開始滲透24h內(nèi)少量溶出，而后是吸收的。因此，該配合比可以說(shuō)24h以后沒(méi)有硅酸鹽、硫酸鹽、氯化物溶出。
　　出，Ca2+吸收，即易溶性鹽類溶出，而無(wú)Ca（OH）2溶出，相反從水中吸收Wishing配合比3溶出種類f本與配合比2：類似，但（下轉(zhuǎn)第50頁(yè)）物（或吸收物）的數(shù)量是不同的。
　　從以上分析可知，混凝土在滲透過(guò)程中，溶出物（或吸收物）的種類由配合比決定，即與原材料的性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)，而與滲透壓力高低無(wú)關(guān)。
　　3.5壓力對(duì)Si2，CaO溶出量的影響說(shuō)明了壓力對(duì)3個(gè)配合比CaO，Si2的溶蝕（或吸收）量的影響。
　　曲線1和1分別表示配合比1CaO的溶出量和Si2吸收量與壓力之關(guān)系壓力較低時(shí)，CaO隨壓力的升高溶出量急劇下降，但壓力增至2.4MPa時(shí)，有上升趨勢(shì)一開始SiO2溶出而后從水中吸收，但由于水中可溶性硅含量很小，因此，吸收量也很小，與壓力關(guān)系不大曲線2和分別表示配合比2SiO2溶出量和CaO吸收量與壓力之關(guān)系曲線3和3分分別表示配合比3SiO2溶出量和CaO吸收量與壓力之關(guān)系配合比2，3SiO2的溶出量在壓力較低時(shí)（1.2~ 2.0MPa），隨壓力升高，變化非常緩慢，當(dāng)壓力加至2.4MPa后，隨壓力的升高，溶出量增加趨勢(shì)變快，這對(duì)配合比2尤其明顯。但配合比3SiOz溶出量比配合比2小得多，CaO的吸收量也是壓力低于2.0MPa時(shí)，隨壓力的升高變化不十分明顯而壓力高于2.0MPa，配合比2隨壓力的升高，吸收量急劇上升，配合比3比配合比2的變化緩慢得多，且溶出Si2和吸收CaO的絕對(duì)量也小得多。
　　8MPa下，3個(gè)配合比的CaO，SiO2曰均溶出量或吸收量與滲透時(shí)間的關(guān)系3個(gè)配合比CaO或Si2的日均溶出量或吸收量先隨時(shí)間延長(zhǎng)急速下降，而后緩慢上升或下降呈波浪式變化但配合比3CaO的吸收量和SiO2的溶出量比配合比2小得多4碾壓混凝土溶蝕機(jī)理分析碾壓混凝土和常態(tài)混凝土一樣，是一種多孔的高分散系統(tǒng)從熱力學(xué)角度看，它是一種高能量系統(tǒng)，極不穩(wěn)定，因此，必然有自發(fā)趨向于穩(wěn)定狀況的物理、化學(xué)變化發(fā)生當(dāng)壓力水滲透時(shí)，水通過(guò)孔隙潤(rùn)濕、滲透混凝土，并將混凝土內(nèi)部一些能溶于水的物質(zhì)按溶解度大小次序先后溶解出來(lái)（物理過(guò)程）；同時(shí)，水又能和混凝土中的未水化水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，其中Ca（OH）2可與粉煤灰中的活性SiO2發(fā)生兩次水化反應(yīng)；此外，溶于水中的物質(zhì)互相反應(yīng)，產(chǎn)生一些沉淀物，如CaSiO3，CaSO4等。這些水化產(chǎn)物、沉淀物及水中帶來(lái)的膠狀物質(zhì)均能被混凝土內(nèi)部的各種孔隙界面所吸附，從而使微孔堵塞，大孔變小孔，小孔變微孔，使混凝土內(nèi)界面減小，能量降低，即混凝土變得越來(lái)越密實(shí)、穩(wěn)定。這對(duì)混凝土的抗耐久性是有利的。但是，當(dāng)混凝土中起膠凝作用的主要成分CaO，S2溶出時(shí)必將對(duì)混凝土的滲透耐久性不利。特別是壓力較高時(shí)，由于微小孔隙中的滲透液（溶解物質(zhì)濃度大）也可以滲出，使得溶出量增大，這對(duì)碾壓混凝土的抗?jié)B透耐久性不利，這是矛盾的兩個(gè)方面。如果是前者占主導(dǎo)作用，則混凝土應(yīng)變得越來(lái)越密實(shí)，表現(xiàn)在中低壓段，隨壓力升高溶出量（或吸收量）變小；如果是后者占主導(dǎo)作用則溶出量增加，如中高壓段對(duì)配合比2，3在一定壓力下，我們看到在滲透初期同一配合比其溶出量大，則吸收量也大。這主要是滲透初期溶液中SiO2-濃度大，需要和大量Ca2反應(yīng)（反應(yīng)速度快）而天然水中可以提供一定量的Ca隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滲透液中SiO3-濃度下降，吸收Ca2的量也隨之下降（反應(yīng)速度慢）同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物吸附在孔隙中使混凝土密實(shí)、滲水量減小，溶出量也越來(lái)越?。僭O(shè)天然水中無(wú)其它浸蝕性離子存在）為什么配合比1中主要溶出Ca（OH）2，而無(wú)其它易溶性鹽類溶出，相反吸收水中的SiO3-，而配合比2，3中恰好與配合比1相反，主要溶出SiO2-，而吸收Ca（OH）2呢，由于混凝土孔隙溶液中發(fā)生著水化反應(yīng)、沉淀反應(yīng)或離子交換反應(yīng)，例如：2.1，CaO含量高，xCaOSiOq中x大于1，由于水化產(chǎn)物溶解的不一致性，x值越大，Ca2+孔隙液中濃度就越大，膠核（水化產(chǎn)物）吸附Ca>越多。當(dāng)?shù)虲a2+水滲入時(shí)，由于濃度擴(kuò)散，使Ca2進(jìn)入滲透水，與配合比1相反，計(jì)算出的CaO/SiO2<1孔隙液中Ca2少，而SO3+濃度較大，膠核表面吸附SiO2-，當(dāng)?shù)凸杷疂B入時(shí)，由于濃差擴(kuò)散而使SO2-進(jìn)入滲透水而溶出，Ca2從水中吸收綜上所述，碾壓混凝土的溶蝕規(guī)律如下：溶出物的種類決定于碾壓混凝土的配合比，與滲透壓力無(wú)關(guān)。配合比1（CaO/SO2>1）富鈣缺硅，溶出鈣，吸收硅由于天然水中可溶性硅含量低，因此，此配合比的壓力水長(zhǎng)期滲透中膠凝材料的主要成分被溶蝕，對(duì)抗?jié)B透耐久性不墮配合比2（CaO/SiO2=0.82）富硅缺鈣，溶出硅，吸收鈣。
　　若天然水中含一定量鈣，膠凝材料總?cè)艹隽坎伙@著，否則與配合比1類似配合比3（CaO/SiO2=0.97）接近于1，極大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)硅溶出，鈣吸收，但其溶出及吸收絕對(duì)量均比2小得多，抗?jié)B透耐久性最好。
　　3個(gè)配合比主要溶出物（或吸收物）的數(shù)量隨壓力的升高而增加，在同一壓力下，隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)開始下降較快，而后緩慢地呈波浪式下降。
　　在同一壓力下、同一滲透時(shí)間內(nèi)，日均溶出量配合比3最小，抗?jié)B透耐久性最好。