粉煤灰和礦粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響研究

向小龍，彭超，曾敏，陳強(qiáng)，何正斌

（湖北中建亞東混凝土有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

混凝土因其不可取代的優(yōu)越性而成為用量最大的人造材料, 在各類建設(shè)施工工程中占主體地位。常見普通混凝土的主要缺點(diǎn)之一就是其耐久性不足，過早老化和損壞，現(xiàn)已成為困擾世界各國的普遍問題。

混凝土的耐久性是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)抵抗外部環(huán)境或內(nèi)部本身所產(chǎn)生的侵蝕破壞的能力[1]?？沽蛩猁}性能是混凝土耐久性的一項重要內(nèi)容，在隧道、鐵路、海岸、港口等工程中，由于某些地下水和海水硫酸鹽含量較高，容易造成混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞而達(dá)不到設(shè)計年限。

因此研究混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能是很有現(xiàn)實(shí)意義的，我們在混凝土中摻入粉煤灰和礦粉，通過對比試驗來研究分析粉煤灰和礦粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：采用洋房牌 P·O 42.5 級水泥。該水泥質(zhì)量穩(wěn)定，主要物理力學(xué)性能如表 1 所示。

表 1 水泥主要物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）礦物摻合料。粉煤灰使用的是電廠Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度為 8.8%，需水量比為 88.6%，燒失量為 0.8%；礦粉使用的是 S95 級礦粉，比表面積為 376cm2/g，28d 活性為 98%，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）集料。細(xì)集料為河砂，細(xì)度模數(shù) 2.6，含泥量1.2%，泥塊含量 0.2%；粗集料為 5～31.5 連續(xù)級配碎石，含泥量 0.8%，泥塊含量 0.2%，壓碎指標(biāo) 14%，針片狀含量4%。

（4）減水劑。外加劑選用普通聚羧酸減水劑，固含量11.6%，減水率 26.4%。

（5）水。采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的自來水，各項指標(biāo)均滿足 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

另外根據(jù) TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》要求，我們將所有的原材料進(jìn)行了堿含量和 Cl-含量的檢驗，結(jié)果如表 2 所示。

表 2 原材料堿含量和 Cl- 含量 %

1.2 實(shí)驗方案設(shè)計

1.2.1 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)試配、調(diào)整確定出普通 C35 混凝土配合比（C0 系列），再以普通混凝土為基礎(chǔ)，分別摻 30% 粉煤灰和 30% 礦粉，以及“雙摻”設(shè)計出三組配合比（C1、C2、C3系列）。詳細(xì)設(shè)計結(jié)果見表 3。

表 3 混凝土配合比 kg/m3

根據(jù)表 2 和表 3，可以計算出 4 組配合比每組的總堿含量和氯離子含量，結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體情況如表 4 所示。

表 4 配合比堿含量和 Cl- 含量 kg/m3

1.2.2 試驗方案內(nèi)容

（1）混凝土常規(guī)抗壓檢測試驗：根據(jù) GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測各組混凝土試件的 7d 抗壓強(qiáng)度和 28d 抗壓強(qiáng)度，判斷混凝土試件是否滿足強(qiáng)度要求。

（2）混凝土抗水滲透性能：根據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用逐級加壓法，通過逐級施加水壓力來測定以抗?jié)B等級來表示混凝土的抗水滲透性能。

（3）混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗：根據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，將100mm×100mm×100mm 的混凝土試件在 (80±5)℃和 5%Na2SO4溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)驗步驟，每個干濕循環(huán)總時間為 (24±2)h。當(dāng)抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)（N 次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的混凝土試件抗壓強(qiáng)度及其同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度的比值）達(dá)到 75% 或達(dá)到設(shè)計抗硫酸鹽等級的 120 次干濕循環(huán)，停止試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測和抗?jié)B性能檢測結(jié)果及分析

C0～C3 四組試件經(jīng)過抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B試驗，結(jié)果如表 5所示。

表 5 混凝土抗壓抗?jié)B試驗結(jié)果

根據(jù)表 5 得出混凝土抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖 1。

圖 1 混凝土強(qiáng)度試驗結(jié)果

從圖 1 可以看出，C0～C3 四組試件 28d 抗壓強(qiáng)度均大于35MPa，滿足 C35 混凝土抗壓強(qiáng)度要求。同時 4 組混凝土試件的抗?jié)B等級均在 P10 以上，抗水滲透性能良好。

2.2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕檢測結(jié)果及分析

在抗硫酸鹽侵蝕試驗中，混凝土試件經(jīng)歷 120 次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)見表 6。

表 6 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果

根據(jù)表 6 繪制混凝土干濕循環(huán) N 次后的抗壓強(qiáng)度曲線圖如圖 2，抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)曲線圖如圖 3。

從試驗結(jié)果可以看出，不摻粉煤灰和礦粉的 C0 組混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕性能最差，抗硫酸鹽侵蝕等級只有KS30，在單獨(dú)摻粉煤灰和單獨(dú)摻礦粉測 C1 和 C2 組混凝土的抗硫酸鹽等級為 KS60，但是 C1 組混凝土比 C2 組混凝土強(qiáng)度下降的頻率要低，說明摻粉煤灰比摻礦粉對提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能更有效果，而“雙摻”粉煤灰和礦粉的 C3組混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕等級達(dá)到 KS90，效果最好。

混凝土的硫酸鹽侵蝕主要影響因素有兩個方面，一是混凝土自身的抗硫酸鹽侵蝕性能，二是外界因素的影響。外界因素主要是混凝土澆筑部位所處的環(huán)境情況，是我們無法控制的，因此我們以混凝土自身的抗硫酸鹽侵蝕性能來做主要研究分析?；炷恋目沽蛩猁}侵蝕性能取決于兩個方面，膠凝材料的礦物組成和混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)[2]。

混凝土出現(xiàn)硫酸鹽侵蝕主要是由于硫酸根離子與水泥石中的礦物（主要是鋁酸鹽礦物）發(fā)生物理化學(xué)作用。硫酸鹽腐蝕的實(shí)質(zhì)是膨脹性化學(xué)腐蝕，硫酸鹽與水泥石結(jié)構(gòu)中的氫氧化鈣起置換反應(yīng)，生成硫酸鈣。在經(jīng)過一系列的水化反應(yīng)后，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，造成固相的體積膨脹。當(dāng)硫酸鹽濃度較高時，硫酸鈣會在孔隙中直接結(jié)晶生成二水石膏，造成膨脹壓力。當(dāng)膨脹內(nèi)壓力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時引起混凝土破壞，最終影響到其強(qiáng)度。混凝土的強(qiáng)度在開始時由于微結(jié)構(gòu)的密實(shí)而提高，但由于硫酸鹽反應(yīng)的發(fā)展，又不斷下降[3]。

因此，水泥的化學(xué)成分和礦物組成是影響硫酸鹽侵蝕程度和速度的重要因素，其中 C3A 的含量則是決定性因素；而 C3S 水化會生成 CSH，也會影響混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。因此控制膠凝材料中 C3A 和 C3S 的含量有助于增強(qiáng)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，配制混凝土?xí)r摻入適量的粉煤灰和礦粉，取代一部分水泥，可以相對減少膠凝材料中 C3A 和C3S 的含量，因此混凝土的抗硫酸鹽性能相應(yīng)得以提升[4]。

圖 2 干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖 3 抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)曲線圖

混凝土的孔隙系統(tǒng)也是混凝土抗硫酸鹽侵蝕的重要影響因素，混凝土出現(xiàn)硫酸鹽侵蝕破壞現(xiàn)象主要是由于外部環(huán)境中的硫酸根離子通過與外界連通的孔道進(jìn)入混凝土并與水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)或結(jié)晶出現(xiàn)結(jié)晶應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力或結(jié)晶應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時就會引起破壞。致密性好，孔隙含量少且連通孔少的混凝土可以較好地抵抗硫酸鹽侵蝕。而混凝土的孔隙率及孔分布又與混凝土各原材料及其配比、混凝土密實(shí)成型工藝、養(yǎng)護(hù)制度等多種因素有關(guān)。摻入適量的粉煤灰和礦粉，優(yōu)化了膠凝材料的微級配，同時粉煤灰的微集料效應(yīng)得以顯現(xiàn)，粉煤灰的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥漿體內(nèi)，填充孔隙和毛細(xì)孔，大大改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，增大了混凝土的密實(shí)度，使得外界的硫酸鹽進(jìn)入混凝土內(nèi)部的速度大大降低，從而增加了混凝土的抗硫酸鹽性能，這一點(diǎn)也是粉煤灰比礦粉更能夠提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的原因。

3 結(jié)論

（1）通過摻入粉煤灰和礦粉取代部分水泥來配制混凝土，有助于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

（2）摻入粉煤灰比摻入礦粉對提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的效果更為明顯。

（3）“雙摻”粉煤灰和礦粉比單獨(dú)摻入粉煤灰或者礦粉，對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的提升作用更為明顯。

[1] 黃其秀.復(fù)合水泥混合材組合方法的研究[J].水泥技術(shù)，2001(5): 61-64.

[2] 盛三湘.混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的機(jī)理及其影響因素[J].黑龍江交通科技，2010(7): 61-62.

[3] 周俊龍，楊德斌.粉煤灰水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕的研究[J].粉煤灰綜合利用，2002(3): 18-20.

[4] 陶嵐，邵繼新，侯文虎.“雙摻”磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響[J].粉煤灰綜合利用，

2009(3): 10-13.