混凝土的渗透溶蚀特性研究.docx
- 文档编号:25188982
- 上传时间:2023-06-05
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:98.49KB
混凝土的渗透溶蚀特性研究.docx
《混凝土的渗透溶蚀特性研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《混凝土的渗透溶蚀特性研究.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
混凝土的渗透溶蚀特性研究
摘要本文在试验的基础上研究了混凝土渗透溶出物的种类,渗透溶出物数量随渗透历时的发展变化;论述了影响混凝土渗透溶蚀特性的因素,渗透溶蚀稳定性及混凝土渗透溶蚀耐久性。
关键词混凝土碾压混凝土渗透溶蚀耐久性
1、前言
在水工建筑物中,由于混凝土具有良好的抗渗透性,常被用作防渗结构材料。
然而混凝土并非绝对不渗水,且混凝土中的水泥水化产物在一定条件下会溶于水,渗透水将溶解渗蚀水化产物。
这种渗透溶蚀作用对防渗结构材料将产生影响,而渗透水的进入也促使混凝土中未水化水泥内核的进一步水化。
防渗结构物中混凝土的渗透溶蚀耐久性为人们所关注。
2、试验
1.原材料及混凝土配合比
试验使用湖北荆门水泥厂生产的525#普通硅酸盐水泥和广西柳州水泥厂生产的525#普通硅酸盐水泥。
其化学成分及主要物理力学性能指标测试结果分别列于表1~2。
混凝土中掺用重庆华能珞璜电厂粉煤灰或广西田东电厂粉煤灰,其化学成分及部分物理力学性能指标测试结构列于表3中。
表1试验使用水泥的化学成分测试结果
水泥
化学成分(%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
TiO2
K2O
Na2O
I.L
荆门525#普硅
21.04
5.15
5.83
62.34
2.90
0.58
0.24
0.39
0.28
0.54
柳州525#普硅
22.75
7.92
4.03
55.56
2.09
2.82
0.33
0.82
0.51
3.16
表2试验使用水泥的物理力学性能指标测试结果
水泥
密度(g/cm3)
标稠用水量(%)
安定性
80μm
筛筛余(%)
凝结时间
抗压强度(MPa)
抗折强度(MPa)
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
荆门525#普硅
3.11
25.0
合格
4.8
3h23min
5h16min
26.0
58.1
5.97
9.00
柳州525#普硅
3.04
27.5
合格
3.2
1h50min
4h10min
29.5
55.2
6.34
10.01
表3试验使用粉煤灰的化学成分及部分物理力学性能指标测试结果
粉煤灰来源
化学成分(%)
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
SO3
TiO2
K2O
Na2O
I.L
珞璜电厂
43.77
27.37
17.20
4.09
0.50
1.17
/
0.82
0.67
2.69
田东电厂
57.22
27.49
5.09
6.66
1.43
0.85
0.73
2.35
1.12
3.07
续表3
密度(g/cm3)
45μm筛筛余(%)
需水量比(%)
90强度比(%)
2.10
9.0
90.0
135.0
2.01
21.2
103.8
139.6
混凝土骨料为石灰岩人工砂、石。
外加剂为FDN、FDN-500R和DH9。
它们的品质指标均符合规范要求。
试验研究使用混凝土配合比见表4。
表4试验研究使用的混凝土配合比
配合比编号
(%)
(%)
每m3混凝土中各种材料用量(kg)
C
F
W
S
G大
G中
G小
外加剂
Sby-2F
0.36
39
23
270
82
125
761
0
596
596
FDN2.112;DH90.021
LTRⅢ
0.51
33
65
55
105
82
745
454
605
454
FDN-500R0.480
LTRⅣ
0.42
39
58
100
140
100
843
0
791
528
FDN-500R0.720
续表4
抗压强度(MPa)
坍落度或VC值
备注
28d
90d
26.7
/
65mm
常态混凝土*
13.2
19.0
5s
碾压混凝土**
22.2
25.6
5s
*荆门水泥,珞璜电厂粉煤灰;**柳州水泥,田东电厂粉煤灰。
2.试验方法
按《水工混凝土试验规程》SD105-82及《水工碾压混凝土试验规程》SL48-94规定的方法混凝土拌和物成型制成标准试件。
试件在养护室中养护到规定龄期,进行渗透试验。
试验在改装的高压混凝土抗渗仪上进行。
用自来水作为渗透介质。
将混凝土渗透试验获得的渗透液进行化学分析。
测定渗透液的pH、电导率、Ca2+、SiO32-、SO42-、Cl-、OH-、Na+、K+、Al3+、Fe3+、CO32-等离子的溶出量随渗透时间、水压力等的变化。
为了避免空气中的二氧化碳使渗透液碳酸化,渗透液直接滴落入塑料膜袋中并及时装瓶密封和测试。
电导率用DDS-11A电导率仪测定;PH用玻璃电极;OH-、CO32-、Cl-、Ca2+用容量法测定;SiO32+、SO42-、Fe3+、Al3+用分光光度法测定;Na+用钠电极,K+用原子吸收法测定。
3、混凝土的渗透溶蚀和渗透溶蚀耐久性
3.1.混凝土的渗透溶蚀及影响渗透溶蚀的因素
众所周知,混凝土中水泥的水化产物有Ca(OH)2、水化硅酸钙、水化铁酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙等。
这些水化产物都属碱性且都一定程度地溶于水。
只有在液相中石灰含量超过水化产物各自的极限浓度的条件下,这些水化产物才稳定,不向水中溶解。
相反,这些水化产物将依次发生溶解。
其中最易溶解的水化产物是Ca(OH)2和2CaO·SiO2·aq及3CaO·2SiO2·aq,她们的极限石灰浓度都约为1.3g/
。
2CaO·SiO2·aq和3CaO·2SiO2·aq水解分离出CaO后形成更稳定的低钙硅比水化产物。
影响混凝土渗透溶蚀的因素,首先是渗透水的石灰浓度及水中其它影响Ca(OH)2溶解度的物质含量。
渗透水中CaO含量越多,水的暂时硬度越高,渗透水对水化产物的溶蚀量就越小。
水中有Na2SO4及NaCl存在时,石灰的溶解度就会增大。
当水中有钙盐(如CaSO4、CaCl2等)时,将降低石灰的溶解度。
因此,这些物质的存在也影响渗透溶蚀。
其次,混凝土中含极限石灰浓度高的水化产物量的多少也是影响渗透溶蚀的因素。
使用掺有混合材料的水泥或混凝土掺用掺合料时,混凝土中Ca(OH)2较少、低钙硅比的水化产物较多,此时混凝土的抗渗透溶蚀性能较好。
第三,混凝土的密实性及不透水性。
混凝土的渗透溶蚀是通过混凝土内部的孔隙进行的。
渗透水在混凝土内部孔隙迁移的过程中,水泥的水化产物逐渐溶解进入渗透水。
随着渗透水的迁移,渗透水的石灰浓度逐渐提高。
假若混凝土密实、不透水,则渗透溶蚀不可能发生。
混凝土的孔隙率越大、粗大的连通渗透通道越多,渗透溶蚀就可能越严重。
3.2.混凝土的渗透溶蚀特性
(1)混凝土渗透溶出物的种类
混凝土渗透溶出物,与组成混凝土的材料及性质、混凝土配合比及龄期等有混凝土中凡能溶于水的物质均有可能随渗透过程的进行而溶出。
一些易溶于水的碱性氧化物如Na2O、K2O、CaO、MgO等当水渗入混凝土时,很快转变为NaOH、KOH、Ca(OH)2等。
由于NaOH和KOH的存在,Ca(OH)2的溶解受到抑制,溶解度会降低,因此,混凝土渗透初期K、Na的氢氧化物含量较高,但随时间延长而减小。
与此同时,Ca(OH)2却随时间的延长有所增加,然后再逐渐减少。
还有一些可溶性盐类如氯化物(NaCl、KCl、CaCl2等)、硫酸盐(Na2SO4、K2SO4等)、碳酸盐(Na2CO3、K2CO3等)、硅酸盐(Na2SiO3等)也会溶出。
(2)渗透液的PH值
表5列出了不同混凝土渗透液PH值随渗透时间t变化的测试结果。
该试验结果表明,随着渗透时间的延长,混凝土渗透液的PH值逐渐降低。
渗透开始阶段,PH值降低较快,然后逐渐变慢,经过较长时间的渗透,渗透液的PH值仍达11以上,且随渗透时间的延长逐渐趋于稳定。
渗透液PH值高低与混凝土配合比有直接关系。
粉煤灰掺量较高的混凝土,PH值较低,但经过较长时间的渗透后,渗透液的PH值差距逐渐缩小。
表5不同混凝土渗透液PH值随渗透时间t的变化
t(d)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
13.5
14
15
配
合
比
sby3-2F
13.08
12.96
12.95
12.91
12.86
12.84
12.80
12.80
12.83
12.85
12.80
12.80
12.75
12.70
/
/
LTRⅢ
12.15
12.04
12.04
12.00
11.94
11.88
11.71
11.53
11.40
11.45
11.43
11.39
11.42
/
11.37
11.24
LTRⅣ
/
12.72
12.48
12.46
12.12
12.34
12.40
12.43
12.31
12.40
12.32
12.32
12.16
/
12.32
12.16
t(d)
16
17
18
19
20
21
备注
配合比
sby3-2F
/
/
/
/
/
/
t0=28d,σ=1.2~2.8MPa,PH水=7.88,常态混凝土
LTRⅢ
11.30
11.27
11.26
11.26
11.22
11.17
t0=112d,σ=1.2~3.6MPa,PH水=8.32,碾压混凝土
LTRⅣ
11.86
11.82
11.79
11.68
/
/
t0=90d,σ=2.0~3.6~1.6MPa,PH水=7.88,碾压混凝土
应该指出的是,渗透液的PH值一定程度上反映单位体积渗透水流经混凝土中连通的孔隙所溶解带出的碱的数量。
混凝土的渗透性较大时,其渗透液的PH值就较低,且随渗透历时的延长降低较快。
相反则PH值较高。
且随渗透历时的延长降低较慢。
混凝土中大量不连通的及封闭孔隙中的孔隙水的PH值将会明显高于上述测试值。
此外,随着混凝土龄期和渗透历时的延长,混凝土的渗透系数下降[*],混凝土渗透液的PH值将逐渐稳定。
(3)CaO的溶出及溶蚀稳定性
混凝土中水泥的水化产物都属碱性且都一定程度地溶于水。
渗透水对这些水化产物的溶蚀表现形式之一是这些水化产物失去CaO,而逐渐转变为低钙硅比的水化产物。
因此,
随渗透液带出的CaO数量反映出混凝土的溶蚀情况。
表6列出了部分混凝土渗透液累计溶出的CaO随渗透历时的变化。
从表6可见,对于粉煤灰掺量较少的混凝土(如sby3-2F),渗透水从混凝土中溶解出CaO。
对于粉煤灰掺量较大的混凝土(如LTRⅢ和LTRⅣ),渗透水不仅不能从混凝土中溶解出CaO,相反地,混凝土从渗透水中吸收CaO。
而且粉煤灰掺量越大者,吸收渗透水中CaO的量越多。
对于粉煤灰掺量较低或不掺粉煤灰的混凝土,渗透水溶解并带走混凝土中的CaO,单位体积渗透液中携带的CaO随渗透时间的延长逐渐减少,也即经过较长时间的渗透后,CaO的累计溶出量趋于一固定值。
将表6实测Sby3-2F配合比混凝土累计溶出CaO的数量进行拟合,可得如下经验公式:
(1)
式中G(t)——渗透水溶出的CaO累计数量(mg);
t——渗透历时(d)。
(1)式n=26,相关系数为0.99。
当t为无穷大时,G(t)的最大值是52214.6mg。
按产生25%的Ca(OH)2进行计算,渗透水能溶出的CaO仅占混凝土中CaO数量的5%以下。
试验结果和分析表明,一般的水对正常使用的混凝土中CaO[或Ca(OH)2]的渗透溶蚀量是有一定限度的。
能溶出的CaO数量与混凝土中水泥品种及含量有关,也与混凝土的不透水性有关。
掺用适量粉煤灰的密实、高抗渗性能混凝土,渗透溶蚀出的CaO较少。
掺粉煤灰较多且抗渗性能较高的混凝土渗透出的CaO极少。
此时若渗透水中存在较多CaO,则混凝土吸收水中的CaO。
表6渗透液累计从混凝土中溶出CaO的量随渗透历时的变化*
渗透历时(d)
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
3.5
4.0
4.5
累计溶
出CaO
(mg)
Sby3-2F
376.7
789.1
1166.5
1516.9
2123.0
2415.6
2861.2
3209.6
LTRⅢ
-27.0
-56.0
-92.7
-44.2
LTRⅣ
-1.6
续表6
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
3553.6
3848.6
4116.0
4500.3
4839.5
5155.4
5446.8
5698.4
6050.1
6395.0
-63.7
-113.4
-133.4
-141.0
-158.5
-24.8
-32.9
-35.5
-30.4
续表6
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
14.0
14.5
6696.0
6988.6
7273.9
7633.4
7970.1
8277.3
8581.2
8863.4
-232.5
-284.9
-231.6
-366.7
-358.4
-29.7
-27.7
-32.6
-31.8
-41.3
续表6
15.0
15.5
16.0
16.5
17.0
17.5
18.0
18.5
19.0
19.5
-444.6
-552.9
-685.7
-834.2
-1005.1
-40.4
-37.0
-35.4
-59.9
-81.7
续表6
20.0
20.5
21.0
21.5
22.5
23.5
24.5
备注
t0=28d,σ=1.2~2.8MPa
-1135.2
-1280.3
t0=112d,σ=1.2~3.6MPa
-106.1
-101.1
-118.0
-138.4
-163.8
t0=90d,σ=1.2~3.6~1.6MPa
*负值是相对自来水CaO降低的值。
(4)SiO2的溶出及溶蚀稳定性
粉煤灰混凝土中,由于粉煤灰含有大量的SiO2,其中的一部分是可溶性的,在渗透水的作用下可能被溶解带出。
此外,混凝土中的CaO也会与SiO2起反应生成不同钙硅比的水化硅酸钙。
因此,渗透液中SiO2含量的变化也在一定程度上反映了渗透水对混凝土的溶蚀情况。
表7列出了两种碾压混凝土在2.8MPa的固定水压下,SiO2的溶出量随渗透历时的变化。
从表7可见,由于碾压混凝土中粉煤灰掺量较高,渗透水逐渐溶蚀混凝土中的SiO2,而且粉煤灰掺量较大的LTRⅢ配合比碾压混凝土被溶蚀带出的SiO2较多。
表7在2.8MPa水压下混凝土中SiO2溶出量(mg/d)随渗透历时的变化
t(d)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12~14
15
16
配合比
LTRⅢ
106.6
103.7
86.4
97.9
63.4
56.2
57.6
41.8
60.5
44.6
40.3
34.6
24.5
21.6
LTRⅣ
/
/
/
/
44.6
29.0
13.5
19.4
14.5
23.4
12.9
12.6
/
/
t(d)
17
(15~17)
18
19
18~20
21~22
23~25
26~28
29~31
32~34
35~37
38~40
41~43
44~46
47~50
配
合
比
LTRⅢ
14.4
15.8
15.8
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
LTRⅣ
(11.5)
/
/
18.5
14.2
22.3
16.1
13.1
12.7
12.6
14.8
11.9
11.9
12.2
对于粉煤灰掺量较高的混凝土,渗透水溶解并带走混凝土中的可溶性SiO2,而混凝土吸收渗透水中的CaO。
单位体积渗透液中携带的SiO2随渗透时间的延长逐渐减少,也即经过较长时间渗透后,SiO2的累计溶出量趋于某一固定值。
根据表7的试验资料,也可获得LTRⅢ配合比碾压混凝土在2.8MPa的水压下SiO2累计溶出量表达式:
(2)
式中W(t)——渗透水溶出的SiO2累计数量(mg);
t——渗透历时(d)。
(2)式n=17,相关系数为0.999。
当t为无穷大时,W(t)的最大值是1955.39mg。
该试验所用混凝土中粉煤灰用量为0.472kg,其中含SiO20.242kg,故渗透水能溶出的SiO2仅占混凝土中SiO2数量的0.81%。
相应的,对LTRⅣ配合比碾压混凝土,渗透水能溶出的SiO2仅占混凝土中SiO2数量的0.38%。
试验结果和分析表明,一般的水对正常使用的碾压混凝土中SiO2的渗透溶蚀也是有一定限度的。
能溶出的SiO2数量与碾压混凝土中粉煤灰品质及粉煤灰含量有关,也与混凝土的不透水性有关。
掺用适量粉煤灰的密实、高抗渗性能碾压混凝土,渗透溶蚀出的可溶性SiO2极少。
(5)水化产物的稳定性
水化产物的稳定性直接影响到混凝土的耐久性及结构物的安全。
各种水化产物只有在液相中石灰含量超过水化产物各自的极限浓度的条件下才稳定,不向水中溶解。
其中2CaO·SiO2·aq的极限浓度最高,与Ca(OH),因此最不容易稳定。
现以此为例依据热力学基本原理进行探讨该水化产物的稳定性,设水化硅酸二钙以2CaO·SiO2·7/6H2O为代表并按下式水解:
2CaO·SiO2·
·H2O(S)+
H2O(aq)=2Ca2+(aq)+4OH-(aq)+Si(OH)4(S)
其热力学数据为:
反应(3)的自由能变化为:
反应(3)的平衡常数为:
设
,则
解得:
计算结果表明,当渗透液中Ca2+离子的浓度大于5.1×10-4(相当于29mg/l),即PH高于11时,反应(3)不可能向右进行,即不易分解产生Si(OH)4。
但在此条件下2CaO·SiO2·aq有可能变为CaO·SiO2·aq。
由于一般自然水中CaO的浓度不低于50mg/L,所以水化产物CaO·SiO2·aq可以稳定存在。
根据Ca2+离子浓度、PH值随渗透历时变化的试验结果,Sby3-2F配合比混凝土中的水化产物能稳定存在,而LTRⅢ及LTRⅣ配合比混凝土中的2CaO·SiO2·aq可能会转化为CaO·SiO2·xH2O或CaO·2SiO2·xH2O的形式存在,转化后的水化产物更为稳定,且其强度比转化前的水化产物的强度更高。
(6)积盐形成破坏的可能性
系统中有可能产生积盐的有下列反应:
若取LTRⅢ及LTRⅣ中实际数据,PH=12,[OH]-=10-2mol/L,[Ca2+]=2×10-3mol/L,[CO32-]=10×10-3mol/L,[SiO42-]=1.5×10-3mol/L,[SO42-]=2×10-3mol/L,则有
<5.5×10-6
>>2.8×10-9
>2.5×10-8
<9.1×10-6
计算结果表明,在LTRⅢ及LTRⅣ试件的孔隙中,应有CaCO3和CaSiO3固相析出。
由于
离子与SO42-离子浓度的乘积接近于
,考虑到Ca(OH)2等盐效应存在的情况下,在CaSO4浓度较低时,固相CaSO4·2H2O也有可能形成。
但当溶液中SO42-离子含量小于1000mg/L时,一般不会引起石膏性破坏。
在LRTⅢ及LTRⅣ试验数据中只有极少数点的SO42-离子浓度超过1000mg/L,且随着渗透时间的延长,渗透液中SO42-离子的浓度迅速减小。
因此,即使有少量CaSO4·2H2O生成,也不会对混凝土造成结构性破坏。
SO42-离子也有可能与水化硅酸钙反应生成侵蚀性石膏:
(4)
反应(4)的标准自由能变化为:
反应(4)的平衡常数为:
又
将
代入后整理可得:
此式说明侵入性硫酸根离子的浓度与溶液PH之间的关系。
当PH=11时,[SO42-]=0.063mol/L,硅酸二钙就能稳定存在。
另外,测试结果显示[SO42-]<6000mg/L,因此SO42-对混凝土不会发生反应(4)的侵蚀。
由于掺入较大比例的粉煤灰,使LRTⅢ及LTRⅣ碾压混凝土的渗透液中SO42-和Cl-离子的浓度有所提高。
但试验数据表明,SO42-离子浓度较小,且PH值也不很高,因此,钙矾石的侵蚀发生的可能性不大。
CaCO3、CaSiO3、CaSO4等盐的结晶和少量积聚堵塞了混凝土中的孔隙,增加了混凝土的密实性。
因此,有理由认为,合适的混凝土配合比,少量的积盐不会对混凝土构成危害,相反有助于提高混凝土的密实性、改善其抗渗性。
3.3.混凝土的渗透溶蚀耐久性
硅酸盐水泥熟料水化产物中Ca(OH)2的含量约占水泥熟料重量的25%。
由于Ca(OH)2的极限浓度最大,最容易被渗透水溶解,以CaO的形式溶出。
若将Ca(OH)2换算为CaO,则CaO约占水泥熟料重量的19%。
已有学者根据实验曲线指出,CaO析出大于10%以后,混凝土的强度有明显的下降。
若以此作为允许从混凝土中溶出CaO的限量,则可以评价混凝土的使用寿命。
前面试验的Sby3-2F配合比每立方米混凝土中用普通硅酸盐水泥270kg,其中硅酸盐水泥248kg,若用该混凝土浇筑堆石面板坝的钢筋混凝土面板,厚度取30cm,则面板混凝土每平方厘米渗透面积允许带走的CaO数量为141.36mg。
室内试验时试件的总渗透面积为1361cm2,最终累计CaO溶出量为52214.6mg,即CaO的最终溶出量为38.4mg/cm2,仅占允许溶出量的27.16%。
故该混凝土面板可以安全耐久。
对于粉煤灰掺量较大的碾压混凝土,渗透水不能从其中溶解出CaO。
相反,应该考虑是否会因可溶性SiO2的溶出引起溶蚀破坏。
假定每立方米碾压混凝土中粉煤灰用量为Fkg/m3,其中SiO2含量为β%,非晶态SiO2占γ%。
若以溶出非晶态SiO25%作为允许的限量,则可评价碾压混凝土的渗透溶蚀耐久性。
前面试验的LTRⅣ配合比,F=140,β=51.22,若γ=60,用该碾压混凝土作为坝体防渗层,其厚度为3m。
则渗透允许溶出的SiO2的限量为6.454kg/m2。
试验获得
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 混凝土 渗透 溶蚀 特性 研究