混凝土渗透性与微观结构关系的研究_李淑进
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混凝土渗透性与微观结构关系的研究
李淑进1
,赵铁军2
,吴科如
1
(11同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092;21青岛建筑工程学院,266033)
摘
要:根据混凝土的渗透性大小与其孔结构参数直接相关的观点,采用压汞试验测定了水化60d 的水泥浆体孔结构和孔分
布情况,并采用扫描电镜研究了混凝土的微观结构与形貌。结果表明,水胶比对混凝土的总孔隙率和孔径分布的影响都很大;掺入20%的粉煤灰的混凝土的累积孔隙体积率有所减少,孔径分布偏向于凝胶孔,且其微观结构均匀密实,Ca(OH)2
的晶粒含量较
少。混凝土微观结构的改善有效地降低了其渗透性。
关键词:混凝土;微观结构;渗透性;压汞试验;扫描电镜
Abstra ct:It is d irected for correlationshi p b etween the p ermeab ilit y an d the microstructure p arameter of concrete.The p orosit y an d d iameter di stribu tion of pores of 60d aged cement mortar are in vestigated by MIP,and th e microstru ctu re of con crete is observed by S EM.The results sh ows that the water cemen t ratio lar g el y effects the total p ore volume and the d iameter dis tribu tion and ,when add ed with fl y ash b y wei g ht of 20%cement content,the total p ore volu me is decreased .
Ke y wo rds :Con crete;Microstructure;Permeabilit y ;Mercu r y intrusi on p ores metr y (MIP);Scan nin g electron microsco p e (SEM)中图分类号:TU528
文献标识码:A
文章编号:1000-4637(2004)02-06-03
图1孔结构和孔分布与渗透性的关系
2004年第2期
混凝土与水泥制品
2004No24月C HINA CONC RETE AND C EMENT PRODUCTS
A p ril
0前言
材料的微观结构决定了其宏观的行为机制。混凝
土从宏观和微观上看都具有多孔的性质,而其孔隙情况由化学和物理的很多方面所决定。孔结构和孔隙率又与其强度和渗透性等有直接的关系[1]
。已有文献指出[2~3],混凝土的渗透性是由其微观结构决定的,如混凝土的孔隙率、孔径分布,以及骨料-基体界面区的矿物组成等。一般认为,混凝土的毛细孔越大,其强度越低,渗透性也越大。普通混凝土的界面区疏松多孔,界面区Ca(OH)2富集并取向生长,往往成为各种有害介质侵入其内部的通道,因此对渗透性的影响较大。本文研究了混凝土的微观结构与其渗透性的作用机制,利用压汞试验对不同组分混凝土的孔结构进行了实验分析,并用扫描电镜研究了混凝土的微观形貌,以期利用孔结构参数来评定混凝土渗透性的大小。1混凝土的孔结构及其对渗透性的作用1.1
混凝土的孔结构
通常,孔结构学研究中将混凝土的孔径大小分为:大孔(>103
nm)、毛细孔(102
~103nm)、过渡孔(10~100nm)、凝胶孔(<10nm)。也有文献[4]将孔径分为四级:无害孔级、少害孔级、有害孔级和多害孔级,不同孔级的孔对混凝土渗透性的作用是不同的。凝胶孔是凝胶颗粒间互相连同的孔隙,在水泥凝胶中孔隙率约为28%,并与水胶比无关。研究证实,增加132nm 以下的孔不会增加混凝土的渗透性[5]。毛细孔的微孔势能明显大于重力场势能,对渗透性的影响较大。通
常情况下,毛细孔只能通过凝胶孔相互连接,当孔隙率较高时,毛细孔成为连续的、贯通的网状结构体系。毛细孔的连通性与水化程度和水胶比密切相关,当水泥水化达到某一程度时,混凝土中毛细孔的连通性会减弱到一水不能渗透的临界值[6]
。混凝土的渗透性随总孔隙率的增加而提高,但两者之间并不存在简单的函数关系。总孔隙率高的混凝土,渗透性不一定就高,因为孔隙率相同的混凝土可以有不同的孔径分布,而后者对渗透性的影响更显著。混凝土的孔结构和孔分布与渗透性的关系如图1所示。
1.2混凝土的渗透性与微观结构参数的关系混凝土是一个复杂的多孔体(组分包括固、液、气
三态),其微观结构和矿物成份存在较大的差异和不均匀性,混凝土的渗透性大小因而也呈现出较大的差异。研究表明,混凝土的渗透系数k 值的大小受孔结构的影响,典型的混凝土透水性与其孔结构关系的模型如Katz 和Thom p son 方程[7~8]:
k=1/266l
c
2
#0118#(a-ac )
2
(1)
式中,k 为混凝土的渗透系数,l c 为混凝土的临界孔
7
表2砂浆的配合比
kg/m 3
编号水泥粉煤灰W/B 砂减水剂/%
M1M2M3
400400320
--80
0.450.550.45
600600600
1.21.21.0
表1水泥和粉煤灰的化学成分
%
S iO 2Al 2O 3CaO Fe 2O 3TiO 2K 2O MgO Na 2O P 2O 5S 2O 3
水泥
粉煤灰24.6
54.47.3
26.8
56.92.8
3.6
11.00.50.90.61.93.2
1.2
0.4--0.3
2.60.3
径,a为混凝土的毛细孔隙率,ac 为压汞试验测得的临界孔隙率。用k 值评定较高水胶比混凝土(W/B>014)的渗透性结果很好。当水胶比较低时,混凝土的毛细孔隙率低于临界值,毛细孔被切断,水必须透过凝胶孔渗透,此时凝胶孔控制着混凝土的渗透性,用该式预测的混凝土的渗透性误差可能较大。
混凝土孔结构状况也可用电导率的大小来反映,然而,不同混凝土孔溶液的化学成分不同,电导率测量结果并不能反映孔结构状况,必须同时单独测量孔溶液的电导率并对混凝土的实测电导率进行修正[2],用修正后的相对电导率来评定混凝土的渗透性高低,如下式:
K=R p /R =D p /D
(2)
式中,K 是一项反映混凝土孔结构的综合参数,D 和D p 分别为离子在混凝土和孔溶液中的扩散系数,R 和R p 分别为混凝土和孔溶液的电导率,两者的比值与混凝土孔结构参数的关系为:
R p /R =S /E
(3)
式中,S 是孔隙曲率(S =L p /L,L p 为沿电流流动方向孔的长度),它反映的是电流通过混凝土中孔隙的曲折程度;E 为孔隙率(E =A p /A,A p 为垂直于电流流动方向的孔面积,A 为垂直于电流流动方向的混凝土面积)。
从以上分析可以看出,Katz 和Thompson 方程描述了混凝土渗透系数与孔结构的关系,其值的大小由压汞试验获得的混凝土孔结构参数(l c ,a和ac)来确定。用修正后的电导率大小来评定其渗透性,同样基于孔结构参数(S 和E )与渗透性之间的对应关系。因此,两者都能定量确定混凝土的微观结构与渗透性的关系。2混凝土的微观结构试验分析2.1
原材料与配合比
采用32.5R 普通硅酸盐水泥,优质低钙粉煤灰。水泥和粉煤灰化学成分的X-射线荧光分析结果见表1。所用细骨料为中河砂,细度模数为2.4,属ó区。
试验共制作了3组砂浆试样,其中试样M1、M2的水胶比分别为0.45和0.55,试样M3掺入20%的粉煤灰等量替代水泥,其水胶比为0.45。试验配合比见表2。标准养护60d 后进行压汞试验和扫描电镜试验。2.2压汞试验结果及分析
压汞试验(MIP)可以测量混凝土中平均孔径为0115L m~100L m 的孔,试验结果的代表参数包括总孔
隙率、最可几孔径、临界孔径、平均孔径等孔结构参数。如前所述,混凝土的总孔隙率与渗透性没有直接的关系,能够反映混凝土孔隙连通性和孔径分布的分别是临界孔径和最可几孔径。试验所得各组混凝土试样的孔径分布微分曲线见图2。微分曲线与横轴包纳的面积表示总孔隙体积,在一定的孔径范围内,曲线峰值越高说明该区间内孔隙总体积越大。微分曲线峰值所对应的孔径即为最可几孔径,其物理意义为:混凝土中小于该孔径则不能形成连通的孔道,也即为出现几率最大的孔径。试样M1、M2和M3的最可几孔径分别为26nm 、40nm 和17nm 。可见混凝土的水胶比从0.45增加到0.55,混凝土的最可几孔径增大了54%,增幅相当明显。掺入20%粉煤灰后混凝土的最可几孔径减小35%,明显使浆体的孔结构网络的连通性变差,对降低混凝土的渗透性是有利的。
临界孔径是能够将较大的孔隙连通起来的各孔的最大孔级,为直方图上开始大量增加孔体积处所对应的孔径。图3为水胶比不同的混凝土试样M1和M2养护60d 的孔级分布。
从总孔隙率来看,水胶比分别为0.45和0.55的混凝土试样M1和M2的累积孔体积分别为0.131ml/g 和0.218ml/g ,后者的孔体积比前者提高了约70%。而且后者孔径大于100nm 的有害孔的数量明显增多。两
李淑进,赵铁军,吴科如混凝土渗透与微观结构关系的研究
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者的临界孔径分别为40nm 和121nm,根据本文前述式(1)的分析,混凝土的渗透系数由临界孔径决定,可见减小水灰比可明显改善混凝土的孔级配,有害孔数量减少,混凝土的孔径分布移向小孔径范围,因此,对混凝土渗透性的影响甚为显著。
图4为混凝土试样M1和M3的孔径分布图。由图可见,掺粉煤灰后,虽然总孔隙率降低的幅度不大(累计压入的汞体积从0.131ml/g 降至0.124ml /g ),但对孔径分布的影响较大,混凝土的临界孔径也减小了,孔径大于100nm 的有害孔的相对数量明显减少,孔径被有效的细化。因此,掺入粉煤灰能够显著的降低混凝土的渗透性并提高其耐久性。
2.3SEM 试验结果及分析
近年来,利用扫描电镜研究混凝土的微观形貌并
从微观结构层次揭示材料的性能已成为研究的热点之一。本试验中未掺粉煤灰的试样(M1)以及掺20%粉煤灰的试样(M3)养护60d 后的SEM 观察结果分别见图5和图6。由图可见,未掺粉煤灰的界面区的孔隙较多,孔径也较大,网络状的水化产物自由生长,结构较疏松[见图5(a)];在浆体-骨料的界面区针棒状的钙矾石(AFt)和片状的Ca(O H)2晶体含量较多,且Ca(OH)2的晶粒较为粗大,并可在图5(b)中的界面区看到尺度大于100nm 的毛细孔,这对于提高混凝土的抗渗性是不利的。
图6(a)为掺20%粉煤灰后的SEM 照片,由图可见,浆体微观结构均匀致密,大孔较少。而未完全水化的球形粉煤灰颗粒可能还具有阻止微裂缝生成的作用。图6(b)中可观察到鱼卵状的粉煤灰空心玻璃微珠,其周围有密实的二次水化产物CSH 凝胶生成,而浆体中的Ca(OH)
2
、AFt 和有害孔隙数量明显减少。
笔者认为,这是粉煤灰的加入使得试样的矿物组成和密实度得到明显的改善。粉煤灰作为微集料填充在水泥浆的孔结构中,可提高其均匀致密程度。同时,由于粉煤灰的火山灰反应消耗了浆体中易溶、强度低的Ca(O H)
2
组分,使微观结构变得均匀致密,消除了大
孔,尤其是界面区的孔隙数量减少,在宏观性能上显出试样渗透性的降低和耐久性的改善。3
结论
(1)混凝土的渗透性由其微观结构特征所决定,压汞试验所得的孔结构参数和混凝土的电导率修正值都能定量地评定混凝土的孔结构参数的作用和渗透性的大小。
(2)水胶比的变化对混凝土的孔结构的影响很大,减小水胶比使混凝土的临界孔径和最可几孔径均减小,且孔径分布移向小孔径范围;掺加20%的粉煤灰
后试样的总孔隙率减小,孔径明显细化。降低水胶比和掺入适量粉煤灰都有利于降低混凝土的渗透性。
(3)掺与不掺粉煤灰的试样的微观结构有较大差别,掺加20%的粉煤灰的试样的微观结构均匀密实,Ca(O H)2的晶粒含量较少。混凝土的微观结构的改善有效地降低了其渗透性。
参考文献
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[8]Katz A.Z.,Thom p son A.H.,Pred iction of rock electrical condu ctivit y .1998
收稿日期:2003-10-23
作者简介:李淑进(1975-),男,博士研究生。通讯地址:上海四平路1239号联系电话:021-********
2004年第2期混凝土与水泥制品总第136期