硫酸鹽作用下粉煤灰輕骨料混凝土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

高英力， 龍 杰， 劉 赫， 張海倫， 李友云

（長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

輕骨料混凝土（LWAC）因其導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫性能好、耐腐蝕等優(yōu)點，現(xiàn)已越來越廣泛應(yīng)用在高層建筑、大跨徑橋梁等重大工程中.輕骨料混凝土在滿足強(qiáng)度及其他性能要求的同時，既能減輕自重，又能降低彈性模量，并使骨料與砂漿之間具有良好的黏結(jié)性能.

目前，已有一些關(guān)于輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能及其界面微觀結(jié)構(gòu)特征的研究報道，例如：Amir等［1］通過微觀試驗、導(dǎo)電試驗進(jìn)行了輕骨料砂漿微觀結(jié)構(gòu)和耐久性研究，結(jié)果表明輕骨料優(yōu)化了砂漿界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，并使砂漿SO3濃度在一定程度上有所降低.田耀剛等［2］進(jìn)行了輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能研究，結(jié)果表明輕骨料混凝土具有良好的抗硫酸鹽腐蝕性能，同時摻加粉煤灰或硅灰能優(yōu)化輕骨料混凝土內(nèi)部孔隙，提高輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力.董淑慧等［3］研究輕骨料－水泥石界面微觀結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明隨著輕骨料預(yù)飽和水程度的提高，輕骨料－水泥石界面厚度從30μm增加至60μm左右，同時在界面厚度大于20μm處，孔結(jié)構(gòu)呈細(xì)化趨勢，界面微觀結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化.胡曙光等［4］經(jīng)過對輕骨料與水泥石界面結(jié)構(gòu)的研究，指出摻加礦物外加劑能夠使輕集料原始缺陷得到有效彌補(bǔ)，優(yōu)化輕骨料與水泥石界面微觀結(jié)構(gòu).Irassar等［5］研究認(rèn)為礦物摻合料在對混凝土孔隙細(xì)化的同時，還引起硫酸鹽溶液毛細(xì)吸附高度升高，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的結(jié)晶破壞，這一觀點與當(dāng)前許多研究認(rèn)為礦物摻合料能提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性相矛盾.然而當(dāng)前對輕骨料混凝土的研究仍主要集中在對其早期力學(xué)性能［6］、抗碳化性能［7－8］、抗?jié)B性［9］、抗 凍性［10－13］、彈性模量［14］等方面的研究，因此有必要對輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能，特別是對不同礦物摻合料條件下輕骨料混凝土經(jīng)硫酸鹽腐蝕后其力學(xué)性能的演變規(guī)律及界面微觀結(jié)構(gòu)變化情況做進(jìn)一步的研究.

本文以圓球型頁巖陶粒為主要粗骨料，同時摻加15%1）文中涉及的摻量、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.的破碎型頁巖陶粒（以增加骨料間的摩擦力，減少骨料的相對滑動，抑制輕骨料在振搗過程中的上?。?，制備輕骨料混凝土.用一級粉煤灰（FA（I））等體積代替30%普通砂，制備粉煤灰輕骨料混凝土.以超細(xì)粉煤灰（UFA）、硅灰（SF）分別等量取代粉煤灰輕骨料混凝土10%～40%和5%～15%水泥，然后研究在硫酸鹽作用下礦物摻合料對粉煤灰輕骨料混凝土力學(xué)性能演變規(guī)律及微觀結(jié)構(gòu)變化的影響.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥（C）：湘鄉(xiāng)水泥廠產(chǎn)P·O42.5水泥，比表面積為325m2／kg.超細(xì)粉煤灰：湖南湘潭火電廠產(chǎn)超細(xì)粉煤灰，比表面積為550m2／kg；一級粉煤灰：湖南湘潭火電廠產(chǎn)一級粉煤灰，比表面積為425m2／kg.硅灰：挪威埃肯公司產(chǎn)硅灰，比表面積為18 000m2／kg.膠凝材料化學(xué)組成見表1.

細(xì)骨料：湘江河砂（連續(xù)級配），細(xì)度模數(shù)為2.75，表觀密度為2 650kg／m3，堆積密度為1 480kg／m3.粗（輕）骨料：5～20mm連續(xù)級配圓球型和破碎型頁巖陶粒（見圖1，2），其主要性能如表2所示.

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials %

圖1 圓球型頁巖陶粒Fig.1 Spherical shale haydite

圖2 破碎型頁巖陶粒Fig.2 Crushed shale haydite

表2 輕骨料主要性能Table 2 Main performances of lightweight aggregates

外加劑：聚羧酸高效減水劑，含固量為33%，減水率為30%.

1.2 試驗方法

（1）抗壓強(qiáng)度試驗.混凝土抗壓強(qiáng)度試驗按GBJ 81—85《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進(jìn)行.

（2）干濕循環(huán)試驗.混凝土干濕循環(huán)試驗按GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進(jìn)行，試件尺寸為100mm×100mm×100mm；試驗溶液為0%，5%，10%Na2SO4溶液；干濕循環(huán)制度為：在Na2SO4溶液中浸泡12h，再在65～76℃的烘箱中烘烤12h.當(dāng)干濕循環(huán)0，10，20，50次后，測試混凝土試件抗壓強(qiáng)度，分析試件破壞情況，并計算抗蝕系數(shù)K（K＝干濕循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度／干濕循環(huán)前試件抗壓強(qiáng)度）.

（3）工業(yè)CT試驗.采用德國YXLON工業(yè)CT層析掃描設(shè)備觀測混凝土試件斷面.

（4）壓汞試驗.采用美國 Micromeritics公司AutoPoreⅣ9500型壓汞測定儀測定混凝土孔隙率.

（5）動彈性模量試驗.采用動彈儀測定干濕循環(huán)前后混凝土試件（尺寸為100mm×100mm×300mm）的動彈性模量，并計算相對動彈性模量Er值.

1.3 混凝土配合比設(shè)計

普通混凝土（P0）配合比設(shè)計按JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行.輕骨料混凝土（Q0）按照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計，粗骨料主要為圓球型頁巖陶粒.整體用FA（I）等體積取代30%普通砂，制備粉煤灰輕骨料混凝土.用UFA等質(zhì)量取代水泥，取代率分別為10%，20%，30%，40%（試件編碼相應(yīng)為 F10，F(xiàn)20，F(xiàn)30，F(xiàn)40），或者用SF等質(zhì)量取代水泥，取代率分別為5%，8%，10%，15%（試件編碼相應(yīng)為S5，S8，S10，S15）.減水劑摻量以控制拌和物坍落度在（150±20）mm為準(zhǔn).陶粒預(yù)濕1h，砂率（體積分?jǐn)?shù)）為40%.混凝土配合比如表3所示.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

干濕循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖3（a）～（c）.由圖3（a）可知：當(dāng) Na2SO4溶液濃度為0%時，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度總體呈先上升而后下降趨勢.干濕循環(huán)50次后，P0試件的K值為94.3%，Q0試件的K值為97.1%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的K值為100.3%～104.0%，均大于100%，其中F30試件的K值最大，為104.0%；摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的K 值為99.1%～102.9%，其中S10試件的K 值最大，為102.9%.上述表明，在無硫酸鹽存在條件下，干濕循環(huán)50次后，摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高，而摻SF粉煤灰輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎不變.這是因為：摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土二次水化反應(yīng)遲緩，干濕循環(huán)及輕骨料返水作用為二次水化創(chuàng)造了條件，使試件越加密實，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高；摻SF粉煤灰輕骨料混凝土早期強(qiáng)度上升較快，在微集料作用下孔隙更加密實，阻斷了水分的侵蝕，因此其抗壓強(qiáng)度幾乎不受干濕循環(huán)的影響.

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

圖3 干濕循環(huán)后混凝土的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of concrete after drying－wetting cycle

由圖3（b）可知：當(dāng)Na2SO4溶液濃度為5%時，在干濕循環(huán)50次后，P0試件的K值為83.0%，Q0試件的K值為95.9%；摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土K 值基本大于96%；由圖3（c）可知，當(dāng)Na2SO4溶液濃度為10%時，在干濕循環(huán)50次后，混凝土抗壓強(qiáng)度下降較快，其中P0試件抗壓強(qiáng)度下降最為迅速，其K值為73.6%，小于破壞標(biāo)準(zhǔn)值75%［15］，表明其已經(jīng)破壞；Q0試件的K值為89.7%；摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土K 值均大于90%.隨UFA或SF取代率的提高，粉煤灰輕骨料混凝土K值呈先增加而后減少趨勢（見圖4），此時UFA，SF的最優(yōu)取代率分別為20%，10%，其K 值分別為94.4%，94.6%.

圖4 摻合料對粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕性能的影響Fig.4 Effect of admixture on the corrosion resistance of LWAC with fly ash

摻加UFA，SF后，粉煤灰輕骨料混凝土K值較大.這是因為：首先，礦物摻合料等量取代水泥，減少了水泥水化時產(chǎn)生CH的數(shù)量，同時活性礦物摻合料通過水化反應(yīng)，消耗了部分CH，較大程度地降低了CH含量，延緩了鈣礬石和石膏的形成.其次，UFA，SF的微集料效應(yīng)，阻斷了混凝土中的毛細(xì)管通道，填充了因硫酸鹽膨脹腐蝕引起的裂縫，提高了混凝土的密實性，有效緩解了硫酸鹽對粉煤灰輕骨料混凝土的進(jìn)一步腐蝕，同時，礦物顆粒的微骨架作用使粉煤灰輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)體得到更有力的支撐.因此，適量的UFA，SF能在一定程度上有效緩解硫酸鹽對粉煤灰輕骨料混凝土的侵蝕影響.

圖5，6分別為硫酸鹽作用下普通混凝土和輕骨料混凝土破壞斷面的CT圖.對比圖5，6可知：在干濕循環(huán)為50次時，與5%Na2SO4溶液相比，10%Na2SO4溶液對試件的腐蝕更為明顯；在相同干濕循環(huán)條件下，普通混凝土骨料明顯分離，邊角脫落嚴(yán)重，而輕骨料混凝土骨料界面則得到了明顯優(yōu)化.

圖5 硫酸鹽作用下普通混凝土（P0）破壞斷面CT圖（干濕循環(huán)50次）Fig.5 CT of fracture section in ordinary concrete（P0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

圖6 硫酸鹽作用下輕骨料混凝土（Q0）破壞斷面CT圖（干濕循環(huán)50次）Fig.6 CT of fracture section in LWAC（Q0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

2.2 孔隙率

混凝土中的孔隙結(jié)構(gòu)將直接影響腐蝕性介質(zhì)入侵時的難易程度.筆者采用工業(yè)CT透視觀察標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的普通混凝土和輕骨料混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖7，8.比較圖7，8可知，普通混凝土基體內(nèi)部孔隙較大，而且分布密集，這使得腐蝕性介質(zhì)較易進(jìn)入普通混凝土內(nèi)部產(chǎn)生破壞；輕骨料混凝土基體內(nèi)部孔徑明顯較小，孔密度大幅度減少，孔隙主要分布在輕骨料內(nèi)部.

筆者進(jìn)一步通過壓汞試驗測得標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d混凝土的總孔隙率及各孔徑孔所占的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表4所示.由表4可見：相比普通混凝土，各組試樣的總孔隙率普遍降低，大于100nm的有害孔明顯減少；混凝土＜100nm孔所占體積分?jǐn)?shù)的大小順序為：S10，S8，F(xiàn)20，S15，S5，F(xiàn)10，F(xiàn)30，F(xiàn)40，Q0，P0.

圖7 普通混凝土28dCT透視圖Fig.7 CT perspective of ordinary concrete at 28d（size：mm）

圖8 輕骨料混凝土28dCT透視圖Fig.8 CT perspective of LWAC at 28d（size：mm）

表4 不同混凝土28d孔隙率Table 4 Porosities of different kinds of concrete at 28d

摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土總孔隙率明顯減小，＜100nm孔的體積分?jǐn)?shù)明顯增多，例如F20試件為P0試件的1.39倍，S10試件為P0試件的1.46倍.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是：首先，礦物摻合料使水泥石孔隙結(jié)構(gòu)得到有效改善，基體愈加致密，同時礦物摻合料還可封堵400～150nm的孔隙，形成“梯級封堵”［16］.并在此基礎(chǔ)上，通過火山灰作用以及輕骨料特有的返水內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，疊加礦物摻合料的微集料作用，降低了水泥石中有害孔的數(shù)量，提高了無害孔（＜20nm）和少害孔（20～50nm）所占比例，增強(qiáng)了混凝土的抗蝕性.其次，礦物摻合料不僅減小了混凝土因膨脹而產(chǎn)生內(nèi)部裂縫的幾率，還抑制了輕骨料－砂漿界面區(qū)CH完整晶體的定向排列［3］，提高了輕骨料－砂漿界面的黏結(jié)性能，優(yōu)化了輕骨料－砂漿界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu).因此，適量摻加礦物摻合料是改善粉煤灰輕骨料混凝土界面過渡區(qū)缺陷，降低孔隙率，提高抵抗一定濃度硫酸鹽侵蝕能力的一項有效技術(shù)手段.

2.3 動彈性模量

在Na2SO4溶液濃度為5%和10%條件下，干濕循環(huán)50次后，混凝土相對動彈性模量Er5，Er10分別見圖9，10.由圖9可知，在Na2SO4溶液濃度為5%條件下，干濕循環(huán)50次后，普通混凝土（P0）的Er5值為62.3%，接近破壞標(biāo)準(zhǔn)值（標(biāo)準(zhǔn)值為60%［15］）；輕骨料混凝土（Q0）的Er5值為78.1%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的Er5值為87.5%～94.9%，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的Er5值為90.3%～95.3%，相比之下，摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土比摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的動彈性模量損失更大.由圖10可知，在Na2SO4溶液濃度為10%條件下，干濕循環(huán)50次后，普通混凝土的Er10值為57.2%，表明該試樣已經(jīng)破壞，這與混凝土抗蝕系數(shù)試驗結(jié)果相一致；輕骨料混凝土的Er10值為70.2%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的Er10值為84.1%～90.3%，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的Er10值為84.5%～89.2%，即摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土和摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失較為接近.上述表明，在Na2SO4溶液濃度較低環(huán)境中，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失低于摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土；隨著Na2SO4溶液濃度進(jìn)一步提高，粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失明顯加快，礦物摻合料對混凝土結(jié)構(gòu)基體抗蝕性影響減弱.

圖9 Na2SO4溶液濃度為5%時干濕循環(huán)50次的Er5值Fig.9 Er5after 50drying－wetting cycles in 5%Na2SO4solution

圖10 Na2SO4溶液濃度為10%時干濕循環(huán)50次的Er10值Fig.10 Er10after 50drying－wetting cycles in 10%Na2SO4solution

3 結(jié)論

（1）當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0%～10%時，混凝土抗壓強(qiáng)度在干濕循環(huán)20次時達(dá)到最高值，超過20次后抗壓強(qiáng)度下降較快.

（2）在10%Na2SO4溶液中干濕循環(huán)50次，摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕系數(shù)有較大提高.當(dāng)UFA，SF取代率分別為20%，10%時，粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕系數(shù)達(dá)到最高值.

（3）摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土孔徑明顯減小，50～100nm孔體積分?jǐn)?shù)明顯增多.摻20%UFA和摻10%SF粉煤灰輕骨料混凝土＜100nm孔體積分?jǐn)?shù)分別為普通混凝土的1.39，1.46倍.

（4）適量摻加UFA或者SF，能減少粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失，優(yōu)化輕骨料－砂漿界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)輕骨料－砂漿界面黏結(jié)性能，延緩硫酸鹽對混凝土結(jié)構(gòu)基體的進(jìn)一步侵蝕.

（5）在Na2SO4溶液濃度較低環(huán)境中，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失小于摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土.隨著Na2SO4溶液濃度進(jìn)一步提高，2種粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失都明顯加快.

［1］ AMIR E，MENASHI D C，JAN O.Influence of lightweight aggregate on the microstructure and durability of mortar［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（7）：1368－1376.

［2］ 田耀剛，胡曙光，丁慶軍，等.輕骨料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究［J］.新型建筑材料，2006（5）：61－63.TIAN Yaogang，HU Shuguang，DING Qingjun，et al.Study on the resistance of sulfate attack of lightweight aggregate concrete［J］.New Building Materials，2006（5）：61－63.（in Chinese）

［3］ 董淑慧，張寶生，葛勇，等.輕骨料－水泥石界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)特征［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12（6）：737－741.DONG Shuhui，ZHANG Baosheng，GE Yong，et al.Micro－structure characteristics of interfacial transition zone（ITZ）between lightweight aggregate and cement paste［J］.Journal of Building Materials，2009，12（6）：737－741.（in Chinese）

［4］ 胡曙光，王發(fā)洲，丁慶軍.輕骨料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)［J］.硅酸鹽學(xué)報，2005，33（6）：713－717.HU Shuguang，WANG Fazhou，DING Qingjun.Interface structure between lightweight aggregate and cement paste［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（6）：713－717.（in Chinese）

［5］ IRASSAR E F，MAIO A D，BATIC O R.Sulfate attack on concrete with mineral admixtures［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（1）：113－123.

［6］ 韓俊濤，申向東.外摻粉煤灰輕骨料混凝土早期力學(xué)性能研究［J］.硅酸鹽通報，2012，31（4）：847－851.HAN Juntao，SHEN Xiangdong.Experimental study on early mechanical properties of natural ligheweight aggregate concrete with external mixing fly ash［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2012，31（4）：847－851.（in Chinese）

［7］ 高英力，程領(lǐng)，李柯，等.碳化作用下骨料混凝土干縮變形及影響規(guī)律［J］.硅酸鹽通報，2012，31（2）：440－463.GAO Yingli，CHENG Ling，LI Ke，et al.Influence laws and dry shrinkage of lightweight aggregate concrete under the carbonization［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2012，31（2）：440－463.（in Chinese）

［8］ LO T Y，NADEEM A，TANG W C P，et al.The effect of high temperature curing on the strength and carbonation of pozzolanic structural lightweight concretes［J］.Construction and Building Materials，2009，23（3）：1306－1310.

［9］ CHIA K S，ZHANG M H.Water permeability and chloride penetrability of high strength lightweight aggregate［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（4）：639－645.

［10］ 王立成，劉漢勇，HIWADA K.硅灰對輕骨料混凝土抗海水凍融性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2005，8（4）：349－355.WANG Licheng，LIU Hanyong，HIWADA K.Influences ofsilica fume on the property of lightweight aggregate concrete with resistance to freezing and thawing cycles in seawater［J］.Journal of Building Materials，2005，8（4）：349－355.（in Chinese）

［11］ GAO X F，LO Y T，TAM C M.Investigation of micro－cracks and microstructure of high performance lightweight aggregate［J］.Concrete Building and Environment，2002，37（5）：485－489.

［12］ JOZ D，WIEDZKA N.Scaling resistance of high performance concretes containing a small portion of pre－wetted lightweight fine aggregate［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（6）：709－715.

［13］ 毛繼澤，齊輝，鲇田耕一.輕骨料含水率對混凝土吸水性及抗凍性的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2009，12（4）：473－477.MAO Jize，QI Hui，AYUTA Koichi.Effects of water content in lightweight aggregate on water－absorbing property and freeze－thaw resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2009，12（4）：473－477.（in Chinese）

［14］ 孔麗娟.陶?；旌狭匣炷两Y(jié)構(gòu)與性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.KONG Lijuan.Research on structure and performance of ceramsite combined aggregate concrete［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2008.（in Chinese）

［15］ 喬宏霞，朱彥鵬，周茗如，等.參數(shù)評價粉煤灰混凝土抗硫酸鹽腐蝕性［J］.建筑科學(xué)，2009，25（5）：41－44.QIAO Hongxia，ZHU Yanpeng，ZHOU Mingru，et al.The parameter assessment of the performance of anti－sulfate erosion for concrete containing fly ash［J］.Building Science，2009，25（5）：41－44.（in Chinese）

［16］ 張光輝.混凝土結(jié)構(gòu)硫酸鹽腐蝕研究綜述［J］.混凝土，2012（1）：49－56.ZHANG Guanghui.Sulfate corrosion of concrete structure review［J］.Concrete，2012（1）：49－56.（in Chinese）