礦物摻合料對腐蝕混凝土強(qiáng)度影響及關(guān)聯(lián)分析

彭　劍,鄧通發(fā),朱南海,易道新

(1.江西理工大學(xué) a.建筑與測繪工程學(xué)院；b.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州　341000；2.中鼎國際工程有限責(zé)任公司，南昌　330000)

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礦物摻合料對腐蝕混凝土強(qiáng)度影響及關(guān)聯(lián)分析

彭劍1a,1b,鄧通發(fā)1a,1b,朱南海1a,易道新2

(1.江西理工大學(xué) a.建筑與測繪工程學(xué)院；b.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000；2.中鼎國際工程有限責(zé)任公司，南昌330000)

結(jié)合贛南區(qū)域稀土開采殘留硫酸銨的環(huán)境問題,在后期土地開發(fā)的背景下,通過對粉煤灰混凝土、礦渣混凝土、雙摻混凝土受硫酸銨腐蝕的試驗(yàn)，測定受腐蝕混凝土的力學(xué)性能，分析受腐蝕混凝土強(qiáng)度劣化的規(guī)律，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析理論對不同摻量礦物摻合料混凝土強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。結(jié)果表明：混凝土中摻入粉煤灰和礦渣等量替換水泥能顯著提高混凝土抗硫酸銨腐蝕性能；大摻量礦物摻合料的混凝土強(qiáng)度增長較慢，但抗硫酸銨腐蝕能力較好；礦物摻合料對受腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度衰減有較好延緩效果，但對抗折強(qiáng)度的延緩衰減的效果較差；通過灰色相關(guān)理論得粉煤灰摻量10%，礦渣摻量40%和50%腐蝕混凝土的總體強(qiáng)度與未腐蝕混凝土強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度達(dá)到80%，抗硫酸銨腐蝕效果最佳，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

混凝土；硫酸銨；粉煤灰；礦渣；雙摻；關(guān)聯(lián)度

1　研究背景

贛南是南方離子型稀土的主產(chǎn)區(qū)，其儲量占江西全省稀土儲量的 90%左右[1]。硫酸銨是稀土開采必不可少的化學(xué)藥劑，然而硫酸銨溶液容易滯留土中造成土壤酸化，同時(shí)對礦區(qū)內(nèi)的混凝土建筑物造成腐蝕，在生成硫酸銨晶體的廠房、運(yùn)輸硫酸銨母液的泵送基礎(chǔ)等混凝土構(gòu)筑物中[2]，也有類似混凝土腐蝕劣化的現(xiàn)象。當(dāng)前，國內(nèi)外對混凝土硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象及其機(jī)理研究做了較多的探索，也取得了較大的成就[3-6]，但多以硫酸鈉、硫酸鎂作為腐蝕因素進(jìn)行研究，忽略了不同的硫酸鹽對混凝土的腐蝕機(jī)理?；炷潦芰蛩徜@腐蝕劣化規(guī)律及其機(jī)理的相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)前較少[7-10]，對混凝土中摻入礦物摻合料抗硫酸銨腐蝕效果的影響研究更少。硫酸銨溶液作為一種弱堿強(qiáng)酸性溶液，SO42-和 NH4+對混凝土侵蝕破壞的耦合作用與其他的硫酸鹽對混凝土破壞規(guī)律和程度不同，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)[11]中，將腐蝕液體中陽離子的腐蝕性分級為NH4+>Mg2+>Na+。因此，研究混凝土摻入礦物摻合料后在硫酸銨的侵蝕環(huán)境作用下的力學(xué)性能具有研究價(jià)值。

本文將研究不同比例的粉煤灰、不同比例的礦渣及不同比例的雙摻粉煤灰、礦渣等量替換水泥后，對混凝土抗硫酸銨溶液腐蝕影響及其力學(xué)性能進(jìn)行研究,并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論探索哪種摻合料及其最佳比例對提高抗硫酸銨腐蝕效果最佳，以求試驗(yàn)結(jié)果對混凝土在原地浸礦后稀土礦區(qū)殘留的硫酸銨及相關(guān)侵蝕環(huán)境地區(qū)的應(yīng)用具有一定的工程參考價(jià)值。

2　試驗(yàn)概況

2.1混凝土原材料與配合比

試驗(yàn)用水泥采用江西萬年青水泥股份有限公司生產(chǎn)的萬年青牌42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為F類Ⅰ級粉煤灰；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為3.3的贛州章江河沙；粗骨料采用2.5～9.5 mm級配的石灰?guī)r碎石，其中粒徑為2.5～5 mm的碎石占15%，粒徑為5～9.5 mm的碎石占85%；減水劑采用SX-C18緩凝型聚羧酸高性能減水劑；硫酸銨：化學(xué)試劑，國藥準(zhǔn)字，分析純；混凝土的水灰比為0.5，配合比見表1。

2.2試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)[12]規(guī)范進(jìn)行混凝土配比及成型，試驗(yàn)采用160 mm×40 mm×40 mm(長×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)試件，一次性加滿試模，然后開始啟動振動臺進(jìn)行振實(shí)，直到表面泛漿為止，將高出試模的部分刮去，并用抹刀抹平。試件在室內(nèi)靜停24 h后拆模，成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，然后放置于硫酸銨溶液中進(jìn)行長期浸泡，硫酸銨溶液濃度為溶質(zhì)質(zhì)量比5%，為保持硫酸銨溶液的相對穩(wěn)定，本次試驗(yàn)采用帶蓋容器箱，并每隔30 d更換溶液。在侵蝕齡期為0，30，60，90 d進(jìn)行試塊強(qiáng)度測試試驗(yàn)。

表1　不同類型混凝土配合比

本試驗(yàn)是依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)[13]與《水泥硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》(GB/T 749—2008)[14]的混凝土基本性能試驗(yàn)方法中的抗折及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。抗折強(qiáng)度測試采用山東榮成石島試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的KZJ5000-1型水泥電動抗折機(jī)；抗壓強(qiáng)度測試采用山東威海市試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的WDW-500C型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。抗折試驗(yàn)后得到的斷塊再進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。抗壓試驗(yàn)需用抗壓夾具進(jìn)行，抗壓夾具采用北京中科路達(dá)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的40 mm×40 mm水泥抗壓夾具。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

受腐蝕混凝土強(qiáng)度變化分別采用相對抗壓強(qiáng)度系數(shù)Rcc和相對抗折強(qiáng)度系數(shù)Rcs來表征，即：

(1)

(2)

普通混凝土、礦物摻合料混凝土經(jīng)5%硫酸銨溶液腐蝕后，其強(qiáng)度隨齡期的變化如表2所示。

由表2的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)粉煤灰和礦渣等量替代水泥的摻量時(shí)，標(biāo)養(yǎng)28 d條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度均低于未摻混凝土強(qiáng)度；同時(shí)，粉煤灰和礦渣隨著摻量增大，單軸抗壓強(qiáng)度值越低。混凝土受侵蝕以后，不同摻量粉煤灰和礦渣的混凝土強(qiáng)度變化不同：在腐蝕30 d時(shí)，C1組(摻量10%粉煤灰)、C4組(摻量40%礦渣)的受腐蝕混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度增長較大，之后隨腐蝕時(shí)間的增長強(qiáng)度不斷降低，但降幅較??；C2組(摻量20%粉煤灰)、C3(摻量30%粉煤灰)組和C5(摻量50%礦渣)、C6(摻量60%礦渣)的混凝土隨腐蝕齡期增長抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度不斷降低，但C5組強(qiáng)度下降較少且隨齡期增長降幅?。籗1組(摻量10%粉煤灰+50%礦渣)的混凝土在標(biāo)養(yǎng)28 d時(shí)強(qiáng)度最大，隨后受腐蝕時(shí)隨齡期增加強(qiáng)度下降，但下降值較小；S2組(摻量30%粉煤灰+30%礦渣)在腐蝕30 d強(qiáng)度最高，但隨齡期增加下降幅度較大；從強(qiáng)度極限值來看，C1，C4，C5組強(qiáng)度下降較少，抗硫酸鹽侵蝕能力較好。

表2　不同摻合料及不同摻量比的混凝土強(qiáng)度極限值

圖1　受腐蝕混凝土相關(guān)抗壓強(qiáng)度系數(shù)隨腐蝕齡期變化Fig.1　Variation of compressive strength coefficient of corroded concrete with corrosion age

受腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度系數(shù)和抗折強(qiáng)度系數(shù)隨腐蝕齡期的變化如圖1、圖2所示。

圖2　受腐蝕混凝土相關(guān)抗折強(qiáng)度系數(shù)隨腐蝕齡期的變化Fig.2　Variation of flexural strength coefficient of corroded concrete with corrosion age

從圖1可知，總體趨勢上，受腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度系數(shù)隨齡期的增長而下降。將同齡期J1(普通混凝土)的抗蝕系數(shù)作為對比參考項(xiàng)可知，在30～90d的腐蝕齡期內(nèi)，圖1(a)中C1組(摻入10%粉煤灰)混凝土和圖1(b)中C4組和C5組(摻入40%和50%礦渣)混凝土相對抗壓強(qiáng)度系數(shù)大于J1組的抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)，且在同種礦物摻量下抗蝕系數(shù)最高；C3組(大摻量30%粉煤灰)和C6組(大摻量60%礦渣)混凝土在整個(gè)齡期相對J1組抗壓強(qiáng)度系數(shù)較小，且隨齡期增長其強(qiáng)度系數(shù)降幅較大。圖1(c)中S1組(摻量10%粉煤灰+50%礦渣)、S2組(摻量30%粉煤灰+30%礦渣)的雙摻混凝土相對抗壓強(qiáng)度系數(shù)低于0.9，相對于C6組受腐蝕混凝土強(qiáng)度系數(shù)，在同齡期條件下，S1組的受腐蝕混凝土強(qiáng)度系數(shù)更大，且在整個(gè)齡期段的降幅更小。

分析原因，在硫酸銨溶液中NH4+的溶解性腐蝕減弱了水泥膠凝體的粘結(jié)力，加上SO42-與混凝土中的鋁相物質(zhì)結(jié)合，生成膨脹物質(zhì)——鈣礬石和石膏，使得試塊體積膨脹形成裂縫，裂縫區(qū)域形成新的反應(yīng)界面和通道，加速混凝土的侵蝕，導(dǎo)致普通混凝土J1強(qiáng)度迅速下降，但粉煤灰和礦渣具有較高的潛在活性及對混凝土的改性作用，表現(xiàn)為粉煤灰和礦渣加入到混凝土中，本身微細(xì)顆粒能夠填充孔隙，堵塞連通孔，混凝土密實(shí)對其抗壓強(qiáng)度保障及提高有利，粉煤灰和礦渣能降低氫氧化鈣的含量，能夠減輕腐蝕，如在試驗(yàn)中受腐蝕混凝土C1，C4，C5組對比J1強(qiáng)度下降較小，即是粉煤灰對混凝土的微集料作用，在水化過程中釋放熱較容易，減少了溫度造成的裂縫；由于粉煤灰、礦渣等量替換水泥，相應(yīng)降低了氯酸鈣含量，減少了生成鈣礬石的反應(yīng)物，從而減少鈣礬石等膨脹物的產(chǎn)生；在腐蝕齡期90 d，已摻入摻合料混凝土的表觀較為完整，裂縫較少。

從圖2可知，總體趨勢上，受腐蝕混凝土的抗折強(qiáng)度系數(shù)表現(xiàn)為隨齡期的增長先上升后下降。在整個(gè)腐蝕齡期內(nèi)，混凝土中摻有礦物摻合料的抗折強(qiáng)度系數(shù)相對未摻混凝土要小，且隨摻量增大，強(qiáng)度系數(shù)相對J1更低，但受腐蝕混凝土C1組(摻量10%粉煤灰)、C2組(摻量20%粉煤灰)、C4組(摻量40%礦渣)、C5組(摻量50%礦渣)及未摻混凝土的抗折強(qiáng)度系數(shù)高于0.8，且各組混凝土的強(qiáng)度系數(shù)下降幅度大致相同；與抗壓強(qiáng)度走勢相似，C3組(大摻量30%粉煤灰)和C6組(大摻量60%礦渣)混凝土在整個(gè)齡期強(qiáng)度系數(shù)較小，隨齡期增長其強(qiáng)度系數(shù)降幅較大；S1組(摻量10%粉煤灰+50%礦渣)混凝土的抗折強(qiáng)度系數(shù)折線圖總體走勢與J1相似，但強(qiáng)度系數(shù)較J1相差0.15。由此說明混凝土中摻有一定比例粉煤灰和礦渣對受腐蝕混凝土抗折強(qiáng)度損失的抑制不明顯，但強(qiáng)度差別不大，如本試驗(yàn)中C1，C4，C5組受腐蝕混凝土。但單摻量過大，對混凝土的強(qiáng)度生成及抗硫酸鹽腐蝕不利，例如本試驗(yàn)中C3，C6組受腐蝕混凝土。

分析其原因在于受腐蝕混凝土的抗折強(qiáng)度系數(shù)表現(xiàn)為隨齡期的增長而先上升后下降。主要是SO42-與混凝土中的鋁相物質(zhì)結(jié)合，生成的鈣礬石和石膏在腐蝕初期密實(shí)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度，但在腐蝕后期隨著混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)張，NH4+和SO42-進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使其強(qiáng)度降低；由于腐蝕時(shí)間較短，腐蝕層較薄，因而抗折強(qiáng)度下降較少。相比未摻混凝土的抗折強(qiáng)度，摻入礦物摻合料的混凝土的抗折強(qiáng)度更小，主要原因在于摻合料等量替換水泥，在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，水化速度慢，生成的C-S-H(凝膠)較少，由于粉煤灰粉末比表面積大，C-S-H(凝膠)膠結(jié)的固相物被粉煤灰替代，粉煤灰本身不能提高混凝土強(qiáng)度，因而其抗折能力差，且隨著摻量的增大，生成的凝膠更低，加上硫酸銨溶液中NH4+的溶解性腐蝕減弱了水泥膠凝體的粘結(jié)力；相對粉煤灰而言，礦渣的比表面積小，且礦渣的化學(xué)成分中生成C-S-H(凝膠)膠結(jié)的固相物相對粉煤灰混凝土更高，因此，在大比例摻量下其抗折能力較強(qiáng)；粉煤灰摻量10%、礦渣摻量40%和50%的混凝土與未腐蝕混凝土關(guān)聯(lián)度達(dá)到80%，對混凝土抗彎抗壓強(qiáng)度影響不大。

4　灰色相關(guān)分析

灰色相關(guān)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要分支，主要用于解決灰色系統(tǒng)中不同事物間的相關(guān)分析。且根據(jù)相關(guān)因素發(fā)展趨勢的相似或者相異程度，衡量因素之間的關(guān)聯(lián)程度[15-17]。關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算步驟如下。

(1)求各序列的初始值。即將原始數(shù)據(jù)消除量綱轉(zhuǎn)換成能夠比較的數(shù)列，本文采用：

(3)

(2)求差序列：

(4)

表4　礦物摻合料因素影響下的受腐蝕混凝土灰色關(guān)聯(lián)度

(3)求相關(guān)系數(shù)：

(5)

(6)

根據(jù)上文的數(shù)據(jù)，選擇在清水養(yǎng)護(hù)下各齡期混凝土的強(qiáng)度作為主序列，用x0表示；未摻摻合料混凝土J1、摻量10%粉煤灰混凝土C1、摻量20%粉煤灰混凝土C2、摻量30%粉煤灰混凝土C3、摻量40%礦渣混凝土C4、摻量50%礦渣混凝土C5、摻量60%礦渣混凝土C6、摻量10%粉煤灰+50%礦渣的雙摻混凝土S1、摻量30%粉煤灰+30%礦渣混凝土S2受硫酸銨溶液腐蝕后各齡期的強(qiáng)度值作為影響因素序列，分別以x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9表示。具體的強(qiáng)度原始值序列、回歸初值化序列及相關(guān)系數(shù)值序列如表3所示。

表3　受腐蝕混凝土強(qiáng)度原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)、初值化及相關(guān)系數(shù)序列

表4為各個(gè)粉煤灰摻量、礦渣摻量，及雙摻混凝土與未受侵蝕混凝土強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度。從表中可以得知：摻入礦物摻合料的混凝土相比未摻混凝土的抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度更大，意味著混凝土摻入礦渣摻合料后，對延緩混凝土受腐蝕后強(qiáng)度降低有明顯效果，其中，混凝土中摻入摻量10%粉煤灰、粉煤灰摻量10%+礦渣50%對抗硫酸銨腐蝕效果最好，這與上文試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論相吻合。

從總體看，粉煤灰摻量10%、礦渣摻量40%和50%的混凝土受硫酸銨腐蝕的總體強(qiáng)度相對未摻受腐蝕混凝土相關(guān)度更高，且與未腐蝕混凝土的總體強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度達(dá)到80%，這表示其抗硫酸銨腐蝕效果最佳，與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)一致。

5　結(jié)　論

(1)混凝土中摻入粉煤灰和礦渣等量替換水泥能顯著提高混凝土抗硫酸銨腐蝕性能，粉煤灰摻量10%、礦渣摻量40%和50%的受腐蝕混凝土抗壓強(qiáng)度隨腐蝕齡期降幅最?。环勖夯覔搅?0%、礦渣摻量60%和雙摻的混凝土在初期強(qiáng)度生成較緩慢，強(qiáng)度最低，但隨腐蝕齡期的增長強(qiáng)度的降幅較小。

(2)混凝土中摻入粉煤灰、礦渣對延緩受腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)的衰退有較明顯的效果，但延緩其抗折強(qiáng)度抗蝕系數(shù)的衰退效果較差；粉煤灰、礦渣摻量越多，對受腐蝕混凝土的強(qiáng)度生成有較大影響；雙摻混凝土在整個(gè)腐蝕階段抗硫酸鹽腐蝕效果較好，由受腐蝕混凝土抗硫酸銨腐蝕效果對比得知雙摻S1(摻量粉煤灰10%+礦渣50%)對抗硫酸銨腐蝕效果最佳。

(3)通過灰色相關(guān)理論分析得知，粉煤灰摻量10%、礦渣摻量40%和50%腐蝕混凝土的總體強(qiáng)度與未腐蝕混凝土強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度在本文擴(kuò)物摻合量配比中最高，表明硫酸銨腐蝕效果最好，且與試驗(yàn)結(jié)果一致。

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(編輯：陳敏)

strength deterioration of corroded concrete through tests of corrosion (by ammonium sulfate solution)on concretes mixed with fly ash,slag,and both fly ash and slag,respectively.Furthermore,we employed the theory of gray correlation to analyze the correlation between strength and mineral admixtures of concrete.Results show that the concrete mixed with fly ash and slag replacing cement in equal amount could significantly increase the resistance of concrete to ammonium sulfate corrosion; the strength of concrete with high content of mineral admixtures grows slowly,but the resistance to ammonium sulfate corrosion is better; mineral admixtures have good effect in delaying the decline of compressive strength of corroded concrete,but shows worse effect for flexural strength.The results of grey analysis reveal that concretes C1 (10% dosage of fly ash),C4 (40% dosage of slag),and C5 (50% dosage of slag)have the best performances in resisting ammonium sulfate corrosion.

Influences of Mineral Admixtures on the Strengths of CorrodedConcrete and Corresponding Correlation Analysis

PENG Jian1,2,DENG Tong-fa1,2，ZHU Nan-hai1,YI Dao-xin3

(1.School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou341000,China; 2.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering and Environmental Disaster Control,Ganzhou341000,China; 3.Zhongding International Construction Group Co.Ltd.,Nanchang330000,China)

In view of the environmental problem of ammonium sulfate residue caused by rare earth mining in thesouthern part of Jiangxi,we tested the mechanical properties of corroded concrete and analyzed the regularity of

concrete; ammonium sulfate; fly ash; slag; double mixing; correlation

2015-04-08；

2015-04-26

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015BAB206054);江西省交通廳科技項(xiàng)目(2014C007)

彭劍(1989-)，男，江西宜春人，碩士研究生，主要從事混凝土耐久性方面的研究，(電話)13177760946(電子信箱)995354559@qq.com。

10.11988/ckyyb.201502822016,33(08):120-124，129

TG172.4；TU528.2

A

1001-5485(2016)08-0120-05