大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性研究

陳茜

（廈門(mén)市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建　廈門(mén)　361100）

大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性研究

陳茜

（廈門(mén)市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建廈門(mén)361100）

本文研究不同礦粉和粉煤灰摻量的膠砂和混凝土在長(zhǎng)期浸泡或干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕性能，以及配制的C50大摻量礦物摻合料混凝土在干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕性能和試塊破壞截面特殊的顏色現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)螕降V粉易引起膨脹破壞；復(fù)摻粉煤灰后配制的混凝土的抗蝕性能較好；大摻量礦物摻合料的C50混凝土可達(dá)到KS90級(jí)抗硫酸鹽侵蝕性能，且其破壞后截面顏色可在一定程度上反映其受侵蝕情況。

大摻量礦物摻合料混凝土；抗硫酸鹽侵蝕；礦粉

0　前言

常用的抗硫酸鹽侵蝕的措施主要有使用抗硫酸鹽水泥，使用防腐劑，使用大摻量礦物摻合料混凝土，以及在混凝土構(gòu)件表面涂上有機(jī)防腐材料等。抗硫酸鹽水泥在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，因其采購(gòu)困難，成本較高，福建地區(qū)更無(wú)廠商生產(chǎn)。近年來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)的混凝土防腐劑，有的成分復(fù)雜，制作工藝較復(fù)雜及使用條件苛刻，成本較高，有的只注重市場(chǎng)，技術(shù)性不強(qiáng)，防腐效果差，未能真正解決問(wèn)題。而大摻量礦物摻合料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究資料也相對(duì)較少。因此，本文使用攪拌站常用配合比和原材料對(duì)大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性進(jìn)行研究，以期為實(shí)際工程提供數(shù)據(jù)參考。

1　原材料

水泥，潤(rùn)豐 P·I42.5 水泥，詳細(xì)性能指標(biāo)見(jiàn)表 1；粉煤灰，后石 F 類Ⅱ級(jí)，詳細(xì)性能指標(biāo)見(jiàn)表 2；礦粉，S95 級(jí)，詳細(xì)性能指標(biāo)見(jiàn)表 3；砂，河砂，細(xì)度模數(shù) 2.9，表觀密度為 2500kg/m3；石，碎石，顆粒級(jí)配 5～20mm，表觀密度為 2720kg/m3；外加劑，科之杰新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的Point-S 混凝土減水劑。

表1　水泥性能指標(biāo)

表2　粉煤灰性能指標(biāo)　　　　　　　%

表3　礦粉性能指標(biāo)

2　試驗(yàn)方案

首先進(jìn)行膠砂試塊抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，即使用不同組分的礦粉和粉煤灰代替部分水泥，放入水箱長(zhǎng)期浸泡；其次在粉煤灰摻量一定的條件下，改變礦粉摻量，分別在干濕循環(huán)與長(zhǎng)期浸泡條件下進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中保持溶液 pH值為 6～8，并根據(jù)硫酸鹽含量快速測(cè)定結(jié)果定期增加硫酸鈉；最后配制大摻量礦物摻合料混凝土，使用干濕循環(huán)試驗(yàn)方法測(cè)試其能達(dá)到的抗蝕等級(jí)。

試驗(yàn)所用設(shè)備有：混凝土抗硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)箱和硫酸鹽含量快速測(cè)定儀。試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》 ，以及 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

3　礦粉與粉煤灰復(fù)摻膠砂試驗(yàn)

膠砂試塊的膠凝材料組分如表 4 所示，試塊成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，并將完整試塊放入濃度為 10%的硫酸鹽侵蝕溶液中長(zhǎng)期浸泡，觀察膠砂試塊形態(tài)變化。圖 1為膠砂試塊膨脹破壞圖。

表4　膠砂試驗(yàn)配比與試驗(yàn)結(jié)果

圖1　膠砂試塊膨脹破壞

隨著浸泡的進(jìn)行，試塊的棱角處開(kāi)始發(fā)生損壞，由圖 1a)可見(jiàn)，單獨(dú)加入礦粉的 4、5 組的膠砂試塊有明顯的膨脹破壞，而前三組試塊則無(wú)明顯變化。

已知在水泥基材料孔隙中硫酸鈉濃度足夠高時(shí)，可發(fā)生堿金屬硫酸鹽腐蝕。鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）在石膏（CaSO4·2H2O）充足時(shí)可穩(wěn)定存在，二者是典型的硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物。這些石膏會(huì)與單硫型水化硫鋁酸鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣，因含有大量的結(jié)晶水，其體積比原來(lái)增加 1.5 倍以上，這將使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生局部膨脹壓力，水泥石內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的脹裂，造成水泥基材料的破碎和分裂破壞。特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)物的一部分浸入鹽液中，另一部分暴露在干燥空氣中時(shí)，鹽液在毛細(xì)管抽吸作用下上升至液相線以上后蒸發(fā)，致使鹽液濃縮，則很容易引起水泥基材料發(fā)生此類結(jié)晶破壞。

因此，出現(xiàn)圖 1 情況的原因可能是由于經(jīng) 28d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，試塊表面水化已基本完成，而內(nèi)部礦粉水化較慢，隨著硫酸鈉溶液的逐漸滲入，對(duì)內(nèi)部的礦粉產(chǎn)生了一定的激發(fā)作用，生成高硫型鈣礬石，體積膨脹，而外表面強(qiáng)度抵抗不了內(nèi)部的膨脹應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。

4　不同礦粉摻量的影響試驗(yàn)

不同礦粉摻量的影響試驗(yàn)中混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表 5 和圖 2 所示。配合比的水膠比相同，膠凝材料總量相同，調(diào)整礦粉與粉煤灰之間的比例，研究礦物摻合料對(duì)混凝土抗蝕性能的影響。礦粉取代水泥的比率分別為 0、20%、10%、30%，所得試塊分別置于三種養(yǎng)護(hù)條件下：干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)箱（干濕循環(huán)）、水槽（5% 的硫酸鈉溶液長(zhǎng)期浸泡）；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（標(biāo)養(yǎng)）。測(cè)其長(zhǎng)期浸泡 40d 與干濕循環(huán) 40 次后各組的抗壓強(qiáng)度與抗蝕系數(shù)。

從圖 2 中可見(jiàn)：K2 和 K3 組中，混凝土的抗蝕系數(shù)大于1，且強(qiáng)度較高，K2 和 K3 組在長(zhǎng)期浸泡條件下，其強(qiáng)度與抗蝕系數(shù)顯著高于其他兩組，說(shuō)明礦粉摻量在 10% 至 20% 時(shí)，有利于混凝土的抗硫酸鹽侵蝕；在干濕循環(huán)條件下此規(guī)律則不明顯，這可能是由于短期內(nèi)干濕循環(huán)的溫度變化等影響因素導(dǎo)致的。

表5　混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2　不同礦粉摻量混凝土的抗蝕系數(shù)

5　C50 混凝土抗侵蝕試驗(yàn)

本文針對(duì)嚴(yán)重化學(xué)腐蝕環(huán)境，配制了 C50 混凝土，并測(cè)試其抗蝕性能，配合比見(jiàn)表 6。測(cè)得該配比混凝土在干濕循環(huán) 90 次后，其抗蝕系數(shù)降為 0.88；在干濕循環(huán) 120 次后，降為 0.74，根據(jù) JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定抗硫酸鹽侵蝕性能，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)為 KS90，屬于抗蝕性能較好的混凝土。

圖 3 為試塊受壓破壞后的截面對(duì)比圖。

表6　C50 混凝土配合比　kg/m3

圖3　試塊受壓破壞后截面對(duì)比

C50 配合比中使用了大摻量的礦粉和粉煤灰，由于礦粉中含氧化鐵類物質(zhì)，在參與水化過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槎r(jià)鐵，使混凝土膠材部分顏色呈現(xiàn)二價(jià)鐵特有的藍(lán)綠色。一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)也可證明藍(lán)綠色是礦粉水化引起，即在礦粉中加入氫氧化鈣，加水后進(jìn)行加熱，可明顯觀察到下沉粉末的顏色變化。

藍(lán)綠色消失是否是因其與硫酸鹽或其產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)還需試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但對(duì)于礦粉產(chǎn)物量較多的混凝土，存在一種普遍現(xiàn)象，即與空氣接觸的混凝土表面在一段時(shí)間后也可由藍(lán)綠色變回正?；炷恋念伾?。而在干濕循環(huán)中的烘干期間，混凝土與熱風(fēng)接觸，其顏色編號(hào)深度各異，或是由于混凝土表面硫酸鹽侵蝕后導(dǎo)致微裂縫增大，不同程度地加速了這種反應(yīng)，即截面灰白色部分越多，試塊受硫酸鹽侵蝕深度越大。

從圖 4 可見(jiàn)，圖中下半部分是標(biāo)養(yǎng)的混凝土截面，與受侵蝕環(huán)境下的混凝土受壓破壞后的截面的顏色分布有顯著差異，混凝土產(chǎn)生類似碳化試驗(yàn)的效果（即被碳化的表層的混凝土噴撒酚酞后不變紅）。

圖4　受侵蝕試塊與標(biāo)養(yǎng)試塊截面顏色對(duì)比

圖5　C30 試塊表面

分別取邊緣白色部分和中間藍(lán)綠色部分的試樣，進(jìn)行掃描電鏡分析。在白色部分發(fā)現(xiàn)了大量棒狀的鈣礬石晶體，如圖 7 所示，尤其是在圖 8 所示的孔中。而在藍(lán)綠色部分所取試樣的微觀圖中，可觀察到向不同方向生長(zhǎng)的氫氧化鈣晶體、無(wú)定形的 C-S-H，以及未水化的膠材顆粒，但極少見(jiàn)硫酸鹽侵蝕的產(chǎn)物。

由此可見(jiàn)，摻入大量礦粉的混凝土的破壞試塊的顏色在一定程度上反映出其受硫酸鹽侵蝕的情況，但具體水化反應(yīng)過(guò)程還需進(jìn)一步研究加以證實(shí)。

圖6　試塊表面白色部分微觀結(jié)構(gòu)

圖7　孔中散落的大量棒狀晶體

圖8　試塊截面藍(lán)綠色部分微觀結(jié)構(gòu)

圖9　內(nèi)部存在未水化顆粒

6　小結(jié)

（1）礦粉與粉煤灰復(fù)摻，可達(dá)到較好的抗硫酸鹽侵蝕作用；而單摻時(shí)或更易導(dǎo)致膨脹破壞。

（2）大摻量礦粉的混凝土內(nèi)部在水化后呈現(xiàn)特殊藍(lán)綠顏色，受硫酸鹽侵蝕的外部則呈灰白色，顏色深度與硫酸鹽侵蝕有一定關(guān)系。

[1] 胡曙光，覃立香，等．礦渣對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的影響[J]．武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(3): 1-3．

[2] 高禮雄，姚燕，王玲，等．水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法的探討[J]．混凝土，2004(10): 12-14．

[3] 廉慧珍，童良，陳恩義．建筑材料物象研究基礎(chǔ)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，106-143．

［通訊地址］廈門(mén)市同安區(qū)新民鎮(zhèn)鳳嶺路 760 號(hào)（361100）

陳茜（1987—），女，工程師。