玻璃粉對混凝土酸侵蝕性能的影響

倪成林譚紅琳楊應湘向 超陳志斌李選剛

（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南昆明650093；2.昆明恒安豐混凝土有限公司，云南昆明650200）

玻璃粉對混凝土酸侵蝕性能的影響

倪成林1，譚紅琳1，楊應湘1，向 超1，陳志斌1，李選剛2

（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南昆明650093；2.昆明恒安豐混凝土有限公司，云南昆明650200）

采用試驗方法，研究了玻璃粉替代膠凝材料在不同摻量（0、5%、8%、15%）時對混凝土抗壓強度和耐酸侵蝕性的影響。對比了各個試樣在5%H2SO4溶液和5%CH3COOH溶液中腐蝕28 d后的質(zhì)量虧損和抗壓強度損失，并采用SEM分析了試樣腐蝕后的表面形貌。結(jié)果表明，玻璃粉有利于提高混凝土的耐H2SO4和CH3COOH侵蝕性，耐CH3COOH侵蝕差于耐H2SO4腐蝕，H2SO4侵蝕后的試樣表面形成了大量石膏，CH3COOH侵蝕后試樣表面疏松并出現(xiàn)了大量孔洞和裂紋。當玻璃粉摻量為8%時，試樣的耐H2SO4和CH3COOH侵蝕性最佳。

玻璃粉；混凝土；CH3COOH侵蝕；H2SO4侵蝕；抗壓強度損失；質(zhì)量虧損；材料耐酸蝕性能

混凝土材料是重要的土木工程材料之一，它的發(fā)展影響著人們的生活條件。為了能更低成本地生產(chǎn)混凝土，人們在不斷地尋找來源豐富、價格低廉的原材料。近年來，工業(yè)廢料如粉煤灰［1］、天然沸石粉［2］、石灰石粉［3］、微硅粉［4］等被廣泛用于混凝土中。據(jù)報道，我國每年城市的廢玻璃超過450萬t，這些廢玻璃被重新利用的費用太高，于是廢玻璃的綜合利用問題被廣泛探索。目前，廢玻璃主要被用于替代混凝土的集料［5］，但其會引起混凝土的膨脹開裂問題，經(jīng)過數(shù)十年的研究，研究者們通過在混凝土中引入一定的空氣［6］、采用多孔玻璃［7］、摻入高爐礦渣、粉煤灰、偏高嶺［6］和頁巖［8］等方式來避免玻璃集料混凝土的膨脹開裂。然而，廢玻璃研磨成不同細度的玻璃粉用于替代水泥作為膠凝材料方面的研究還很有限［8］。水泥是混凝土的主要膠凝材料，據(jù)2011年的不完全統(tǒng)計，全球水泥年產(chǎn)量超過28億t，并且以每年4億t的量逐漸增加［9］。因此，若廢玻璃經(jīng)研磨后用于部分替代水泥，不僅可以降低水泥生產(chǎn)成本，還可以充分利用廢棄物。玻璃粉被用于部分替代水泥作為膠凝材料歸因于其含有SiO2、Al2O3和CaO等成分。玻璃粉用于生產(chǎn)水泥時，人們最關心的是玻璃中的堿金屬成分對水泥性能的影響，Xie等［10］發(fā)現(xiàn)加入玻璃粉能降低C3S成分，并形成NC8A3，從而減少混凝土凝結(jié)時間，并且堿金屬成分不會影響水泥的性能。因此，玻璃粉也能用于部分替代水泥作為膠凝材料用于混凝土中。據(jù)報道［11?12］，玻璃粉替代水泥用于混凝土中會降低混凝土的抗壓強度，尤其是早期抗壓強度。強度和耐久性能是混凝土的基本性能指標，目前，玻璃粉用于混凝土后的耐久性能研究主要集中在堿集料反應、抗凍性能及硫酸鹽侵蝕［9，13］，而酸侵蝕方面的研究有限。玻璃粉的活性能改變混凝土的密實性，從而影響混凝土的耐酸侵蝕性。在大氣、與建筑物接觸的土壤、污水和海洋等環(huán)境中，均存在無機酸和有機酸物質(zhì)，我國城市中90%以上的河流都受到嚴重的污染，所以關于混凝土腐蝕性能的研究也是有必要的。筆者試驗中采用了激光粒度儀分析了玻璃粉和水泥的粒徑分布，從腐蝕和未腐蝕的混凝土試樣塊表面取下砂漿，并采用SEM和EDS分析了樣品表面在酸蝕前后的微觀形貌和成分。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水泥級別為42.5R，采用拉法基瑞安水泥有限公司生產(chǎn)的水泥，水泥的比表面積為345m2／kg。采用的砂含水率在7%以下，細度模數(shù)為2.8。粗集料采用碎石，直徑為5～20 mm。玻璃粉采用玻璃回收研磨后制備成的粉體，比表面積為400m2／kg。膠凝材料的粒徑分布見圖1，主要成分（質(zhì)量分數(shù)）見表1。減水劑采用水劑萘系高效減水劑。

1.2 配合比混凝土配合比（質(zhì)量濃度）見表2。玻璃粉替代水泥量為膠凝材料總質(zhì)量的5%、8%、15%，相應的試樣編號分別為G5、G8、G15。減水劑用量為膠凝材料質(zhì)量的2.5%到3.0%，減水劑含水率為75%，減水效果為18.5%。養(yǎng)護條件：溫度為（20±2）℃，相對濕度95%。

1.3 腐蝕試驗

在試驗中，混凝土試樣尺寸為 100 mm×100mm×100mm，抗壓強度的測試周期分別為7d、28d、56d。腐蝕試驗用的混凝土試樣在養(yǎng)護28 d后分別放入5%H2SO4溶液和5%CH3COOH溶液中腐蝕，每種試樣浸3個樣品，樣品被全部浸沒在酸溶液中，溶液與試塊的體積比為15∶8。酸浸周期為7d、14 d、28 d。酸溶液每7天更換1次，7 d內(nèi)5%H2SO4溶液的pH變化范圍為1.0～4.5，而5%CH3COOH溶液的pH變化范圍為2.5～5.5。樣品在放入酸溶液前，從養(yǎng)護室取出擦干表面水分，試塊內(nèi)部還處于水飽和狀態(tài)，此時稱其質(zhì)量（記為w1），達到酸浸周期后取出樣品用自來水沖洗并輕輕擦掉表面腐蝕物，并擦干表面水分后再稱其質(zhì)量（記為w2），然后根據(jù)式（1）計算不同腐蝕周期下試樣的質(zhì)量虧損（記為mloss）。

標準養(yǎng)護28d樣品的抗壓強度即為腐蝕前的抗壓強度（記為s1）。標準養(yǎng)護28d的樣品，在酸浸到28 d后，清洗擦掉表面腐蝕物，擦干后測抗壓強度，所得結(jié)果即為侵蝕后的抗壓強度（記為s2）。根據(jù)式（2）可計算樣品腐蝕28d后的抗壓強度損失sloss。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 混凝土抗壓強度

圖2表示玻璃粉對混凝土抗壓強度的影響，從圖2可以看出，加入玻璃粉不利于提高混凝土7 d早期強度，這與Schwarz等［11?12］的研究結(jié)果一致。與OPC相比，試樣G5、G8、G15的28 d抗壓強度分別提高了26.53%、23.79%、6.84%，56 d抗壓強度分別提高了 25.03%、14.44%、8.32%。以上結(jié)果歸因于玻璃粉的火山灰效應在28～56d之間［9］。從圖2還可以看出，在玻璃粉摻量為5%～15%范圍內(nèi)，混凝土28 d和56 d抗壓強度隨著玻璃粉含量的增加而降低［14］?？傊诒ＷC抗壓強度條件下，為了最大效率地利用玻璃粉，玻璃粉的摻量不宜超過膠凝材料總量的15%。

2.2 酸侵蝕

2.2.1 H2SO4和CH3COOH侵蝕后試樣的質(zhì)量虧損

圖3是不同替代量的玻璃粉混凝土在5%H2SO4溶液中被侵蝕7d、14d、28 d后的質(zhì)量虧損情況。從圖3中可以看出，玻璃粉替代膠凝材料總量的5%和8%時，試樣質(zhì)量虧損都比OPC的小。這是因為水泥用量少，降低了水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣含量，并且玻璃粉的火山灰反應會消耗掉部分氫氧化鈣，減少了被侵蝕的氫氧化鈣含量［13］。15%玻璃粉摻量時，在14d和28d侵蝕期后，其質(zhì)量虧損略小于OPC試樣。這可能是因為摻入過量的玻璃粉導致了混凝土中小孔隙的粗化。從圖3中還可以看出，玻璃粉替代膠凝材料總量的8%時，混凝土在5% H2SO4侵蝕下質(zhì)量虧損最小。僅從混凝土質(zhì)量虧損來看，玻璃粉摻量為8%時，其耐硫酸侵蝕性最好。

圖4是玻璃粉摻量對混凝土在5%CH3COOH侵蝕后的影響。從圖4可以看出，在7d、14d、28d侵蝕周期下，相比于基準試樣OPC，摻入玻璃粉降低了混凝土的質(zhì)量虧損，而且其質(zhì)量虧損隨著玻璃粉摻量的增加而降低，僅僅從質(zhì)量虧損方面來看，說明玻璃粉能提高混凝土的耐醋酸侵蝕性，而且這種提高作用在28d酸浸周期時更明顯。這是因為在14d后玻璃粉的火山灰反應開始了［10］，消耗了水化產(chǎn)物氫氧化鈣，形成水化硅酸鈣。

對比圖3和圖4可以看出，相同侵蝕周期下，玻璃粉混凝土在H2SO4侵蝕后的質(zhì)量虧損比在CH3COOH侵蝕后小，而且質(zhì)量虧損值的差距在28d酸浸期時更大。從質(zhì)量虧損比較，說明相同質(zhì)量濃度條件下，對玻璃粉混凝土而言，醋酸侵蝕程度比硫酸侵蝕大。

2.2.2 H2SO4和CH3COOH腐蝕后試樣的抗壓強度損失

試驗結(jié)果表明，OPC、G5、G8、G15在5%H2SO4溶液中酸浸28 d后的抗壓強度分別損失了16.60%、15.70%、2.84%、4.26%?？梢钥闯觯ＡХ蹞搅繛?%時，與OPC相比，試樣的抗壓強度損失降低得不明顯；玻璃粉摻量超過8%后，混凝土被侵蝕28d后的強度是侵蝕前的90%以上，此時強度損失最小。試驗結(jié)果還表明，玻璃粉摻量為8%時，其質(zhì)量虧損最小，所以玻璃粉摻量為8%時混凝土的耐硫酸侵蝕性能最佳。

試驗結(jié)果表明，OPC、G5、G8、G15在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后的抗壓強度損失分別為 52.9%、41.94%、33.12%、34.58%?？梢钥闯?，摻入玻璃粉后混凝土強度損失比較大，但相比于OPC，其強度損失有所降低，說明摻入玻璃粉能在一定程度上提高混凝土的耐醋酸侵蝕性。試驗結(jié)果還表明：玻璃粉摻量為8%時混凝土的強度損失最??；混凝土質(zhì)量虧損隨著玻璃粉摻量的增加而降低，要提高混凝土耐醋酸腐蝕性，其玻璃粉摻量不應低于8%。為了保證混凝土的強度和耐醋酸侵蝕性，玻璃粉摻量8%較適宜。

通過對比摻玻璃粉后混凝土的抗壓強度、質(zhì)量虧損和抗壓強度損失情況，表明玻璃粉摻量為8%時混凝土的耐硫酸和醋酸侵蝕性都最佳，且混凝土抗壓強度也得到了提高，所以8%摻量為最佳摻量。

2.3 SEM和EDS分析

圖5是試樣G8在酸浸前后的SEM形貌。圖5（a）是試樣在酸浸前表面比較密實的形貌。圖5（b）是試樣在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后的表面形貌，混凝土表面疏松而且存在大的孔洞和裂紋，這是因為水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2與CH3COOH反應生成易溶于水的Ca（CH3COO）2，導致腐蝕孔越來越大。圖5（c）是試樣在5%H2SO4溶液中酸浸28 d后的表面形貌，無大的孔隙且比較密實，表面形成一層白色硫酸鹽覆蓋層，成分為石膏。

3 結(jié) 論

a.摻入玻璃粉不能提高混凝土早期強度，但能提高其后期強度，玻璃粉的替代量為膠凝材料質(zhì)量的5%、8%、15%時，混凝土抗壓強度隨著玻璃粉摻量的增加而降低。

b.在5%H2SO4溶液中酸浸28d后，玻璃粉替代膠凝材料總量超過8%后，混凝土被侵蝕28 d后的強度是侵蝕前的90%以上，而且玻璃粉替代膠凝材料總量的8%時，混凝土在5%H2SO4侵蝕下質(zhì)量虧損和抗壓強度損失最小。摻入玻璃粉能提高混凝土的耐5%H2SO4侵蝕性，8%摻量時耐硫酸侵蝕性最好。

c.在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后，摻入玻璃粉降低了混凝土的質(zhì)量虧損，而且其質(zhì)量虧損隨著玻璃粉摻量的增加而降低。摻入玻璃粉后混凝土強度損失仍比較大，但相比于OPC，其強度損失卻降低了，且8%摻量時混凝土的強度損失最小。摻入玻璃粉能在一定程度上提高混凝土的耐醋酸侵蝕性。

d.玻璃粉替代膠凝材料總量的8%時是最佳摻量，此摻量下混凝土的耐硫酸和醋酸侵蝕性都最佳，而且抗壓強度也比較理想。醋酸侵蝕程度比硫酸侵蝕大。醋酸是溶出性侵蝕，侵蝕后生成了可溶性鹽Ca（CH3COO）2而流失，導致腐蝕孔越來越大，而強酸硫酸侵蝕形成了微溶物CaSO4，堵住了腐蝕孔。

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Influence of glass powder on acid corrosion resistance of concrete

NI Chenglin1，TAN Honglin1，YANG Yingxiang1，XIANG Chao1，CHEN Zhibin1，LI Xuangang2
（1.Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；2.Kunming Henganfeng Concrete Co.，Ltd.，Kunming 650200，China）

The influence of different amounts of glass powder substituting for cementitious materials（0，5%，8%，and 15%by weight）on the compressive strength and acid corrosion resistance of concrete was studied through experiments.The mass loss and compressive strength loss of various specimens were compared after corrosion in 5% H2SO4solution and 5%CH3COOH solution for 28d.The morphology of the specimens after corrosion was analyzed using SEM.The results show that the addition of glass powder can improve the corrosion resistance of concrete to H2SO4and CH3COOH，and the resistance of concrete to CH3COOH was worse than the resistance to H2SO4.A great deal of gypsum formed on the surface of the specimens corroded by H2SO4.The surface of specimens corroded by CH3COOH became loose，with a large amount of pores and cracks.When the substitution amount of glass powder was 8%，the specimens showed the best corrosion resistance to H2SO4and CH3COOH.

glass powder；concrete；CH3COOH corrosion；H2SO4corrosion；compressive strength loss；mass loss；acid corrosion resistance of materials

TU528.46

A

1000-1980（2015）04-0341-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.011

2014-0926

國家自然科學基金（51262016）

倪成林（1988—），男，江西南昌人，碩士，主要從事混凝土材料研究。E?mail：ncl2011＠163.com

譚紅琳，副教授。E?mail：tanhlkm911＠gmail.com