二氧化硫腐蝕對混凝土性能影響試驗研究

牛建剛，胡偉勛，楊鵬飛

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，包頭　014010)

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二氧化硫腐蝕對混凝土性能影響試驗研究

牛建剛，胡偉勛，楊鵬飛

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，包頭014010)

通過研究不同水灰比的普通混凝土、不同摻量的粉煤灰混凝土和不同粗骨料類型混凝土在二氧化硫腐蝕下的質量變化率、強度、硫化深度，揭示了混凝土在二氧化硫環(huán)境中的腐蝕規(guī)律。結果表明：粉煤灰混凝土在抵抗二氧化硫腐蝕方面優(yōu)于普通混凝土，輕骨料混凝土僅僅在減輕硫化深度方面優(yōu)于普通混凝土。

混凝土； 二氧化硫； 腐蝕規(guī)律

1　引　言

由于我國的能源結構以煤炭為主，自燃煤和工業(yè)燃煤會產生大量的二氧化硫。在大氣中，二氧化硫會形成酸雨對建筑物進行腐蝕，造成建筑物耐久性降低。國內在這方面已經有了相當多的研究[1-4]。但由于大氣中的二氧化硫濃度相對較低，并不能反映出工業(yè)環(huán)境中高濃度二氧化硫對混凝土的破壞情況。

文獻[5]指出，長期暴露于工業(yè)廠區(qū)高濃度二氧化硫環(huán)境中的混凝土建筑物或構筑物，會與二氧化硫氣體發(fā)生一系列復雜的化學反應，最終導致混凝土結構產生不可逆的腐蝕破壞。方勝喬[6]通過對金昌冶煉廠調查，發(fā)現(xiàn)由于生產區(qū)內的二氧化硫煙氣和稀硫酸的腐蝕，混凝土柱身與地面接觸處、柱周邊表層混凝土被腐蝕成灰白色的酸泥，形成頸縮狀凹坑，損壞程度比上部結構更嚴重。通過在鋼鐵廠進行實地調研，發(fā)現(xiàn)在二氧化硫濃度較高的區(qū)域，混凝土結構長時間受到二氧化硫腐蝕，破壞較為嚴重，如圖1所示。

目前，有關工業(yè)環(huán)境中二氧化硫對混凝土的腐蝕研究，主要集中在火電廠混凝土煙囪和硫酸廠等方面。唐志永等[7]采用人工加速腐蝕試驗方法，研究了電站尾部煙氣中二氧化硫對煙囪混凝土的影響；司振朝[8]通過對南方某電廠升電站混凝土結構進行檢測，發(fā)現(xiàn)由于二氧化硫、二氧化碳等的侵蝕，該處梁、柱開裂、防護層剝落、鋼筋銹蝕現(xiàn)象嚴重，需要進行修補；李益民[9]通過對巨化硫酸廠調查，發(fā)現(xiàn)硫酸廠建筑物因腐蝕嚴重造成混凝土保護層剝落，主受力鋼筋變細或斷裂，以致柱、梁開裂,結構破壞，后雖經加固，但已很難維持安全生產。這些研究大多是通過檢測混凝土結構的損壞情況，給出合理的修復意見，并沒有反映出工業(yè)環(huán)境中二氧化硫對混凝土的腐蝕規(guī)律。針對這種情況，本文采用試驗室快速硫化試驗，來研究普通混凝土、粉煤灰混凝土和輕骨料混凝土在二氧化硫侵蝕下的質量變化率、強度、硫化深度，揭示三種混凝土在抵抗二氧化硫腐蝕方面的能力，進一步探討混凝土在二氧化硫環(huán)境中的腐蝕規(guī)律。

圖1　二氧化硫環(huán)境中混凝土結構破壞情況Fig.1　Damage of concrete structure in sulfur dioxide environment

2　試　驗

2.1原材料

水泥：包鋼綜合企業(yè)(集團)公司水泥廠生產的“草原牌”P·O42.5普通硅酸鹽水泥。細骨料：中砂粒徑小于5mm。普通粗骨料：碎石粒徑5～25mm。骨料堆積密度、細度模數(shù)、含泥量、表觀密度、級配等各項性能指標合格。粉煤灰：包頭市達旗電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，其各項性能指標如表1所示。

表1　粉煤灰性能指標

粉煤灰陶粒：山西文峰有限公司生產的粉煤灰陶粒，主要性能指標見表2和表3。

表2　粉煤灰陶粒性能指標

表3　粉煤灰陶粒顆粒級配

2.2混凝土配合比

本試驗選用100mm×100mm×100mm的混凝土試塊，參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55-2011)、《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》(GB/T50146-2014)和《輕集料及其試驗方法》(GB/T17431.1-2010)等規(guī)范和標準所規(guī)定的內容，得到各組混凝土配合比及分組如表4所示。

表4　各組混凝土配合比及分組

2.3試驗方法

參照文獻[7]和文獻[10]中所選取的二氧化硫濃度值，確定本試驗二氧化硫濃度為3000ppm，硫化箱溫度(25±1) ℃，濕度80%±1%。試驗周期9d，每3d進行一次測試，共進行三次試驗循環(huán)。放入硫化箱之前，用于硫化深度測試的試件上下兩個面用加熱的石蠟密封，防止在硫化過程中，上下兩個面受到二氧化硫氣體的侵蝕而影響試驗結果。

3　結果與討論

3.1硫化作用對混凝土質量的影響

3.1.1硫化作用對普通混凝土質量的影響

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對普通混凝土質量的影響。試件在各硫化齡期的質量變化率如表5所示。

表5　不同水灰比的普通混凝土質量變化率試驗結果

通過表5中的數(shù)據，繪出不同水灰比的普通混凝土質量變化率如圖2所示。

圖2　不同水灰比的普通混凝土的質量變化率Fig.2　Quality rate of common concrete in different water cement ratio

由圖2可以看出，3組水灰比的混凝土試塊在腐蝕前期和中期質量變化率隨著水灰比增大而增加。在硫化反應前期，由于二氧化硫與混凝土內部堿性物質發(fā)生化學反應，使得混凝土孔隙中充滿了反應生成的化學產物，混凝土質量的增加。在腐蝕后期，各組試塊質量變化率均出現(xiàn)降低，水灰比越大，降低幅度越大。到了反應后期，反應生成的鈣礬石等膨脹性物質使得混凝土表層變得疏松，甚至出現(xiàn)剝落，引起混凝土試件質量的減??；水灰比越大，混凝土在硬化成型過程中形成的毛細孔和微小縫隙越多，二氧化硫的擴散與化學反應過程也越容易，硫化后期質量損失越大。

3.1.2硫化作用對粉煤灰混凝土質量的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對粉煤灰混凝土質量的影響，并以相同水灰比的普通混凝土質量變化率作為參照。試件在各硫化齡期的質量變化率如表6所示。

表6　不同摻量粉煤灰混凝土的質量變化率試驗結果

通過表6中的數(shù)據，繪出不同摻量的粉煤灰混凝土質量變化率如圖3所示。

由圖3可以看出，粉煤灰混凝土的質量變化率小于普通混凝土。摻入粉煤灰后，混凝土中的堿性物質含量減少，并且粉煤灰的二次水化反應會消耗一部分Ca(OH)2，進一步降低混凝土的堿含量，使得硫化反應的劇烈程度減弱，因此粉煤灰混凝土的質量變化率較小。在各腐蝕齡期內，粉煤灰摻量在10%和20%時的質量變化率波動較??；摻量在30%時，質量變化率與普通混凝土類似，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，波動較大。隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土的抗硫化儲備逐漸降低，因此摻量為30%時質量變化率波動較大。

圖3　不同摻量的粉煤灰混凝土的質量變化率Fig.3　Quality rate of fly ash concrete in different dosage

圖4　普通骨料與輕骨料混凝土的質量變化率Fig.4　Quality rate of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.1.3硫化作用對不同粗骨料混凝土質量的影響

通過同一水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用下不同粗骨料類型混凝土的質量變化規(guī)律。試件在各硫化齡期的質量變化率如表7所示。

表7　不同粗骨料類型混凝土的質量變化率試驗結果

通過表7中的數(shù)據，繪出不同粗骨料類型的混凝土質量變化率如圖4所示。

由圖4對比可以看出，輕骨料混凝土的質量變化率遠高于普通混凝土，說明輕骨料混凝土抵抗硫化的能力相對較差。普通骨料屬于致密材料，在硫化過程中可以在一定程度上阻止二氧化硫的侵入，降低硫化反應速度；粉煤灰陶粒屬于多孔材料，二氧化硫能輕易侵入到混凝土內部，影響混凝土質量。

3.2硫化作用對混凝土強度的影響

3.2.1硫化作用對普通混凝土強度的影響

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對普通混凝土強度的影響。試件在各硫化齡期的強度如表8所示。

表8　不同水灰比的普通混凝土硫化強度

通過表8數(shù)據，繪出不同水灰比的普通混凝土強度如圖5所示。

由圖5可以看出，3組水灰比的普通混凝土在二氧化硫侵蝕下強度表現(xiàn)為先增長后降低；各腐蝕齡期內，混凝土強度隨著水灰比的增大而降低。在腐蝕前期，混凝土孔隙中充滿了水泥與二氧化硫的水化產物，混凝土結構變得緊密，所以強度會有所提高。腐蝕中后期，隨著水化反應的不斷進行，在混凝土內部產生極大的膨脹應力，表層混凝土出現(xiàn)剝落，混凝土的強度也開始降低。

圖5　不同水灰比(W/C)的普通混凝土硫化強度變化曲線Fig.5　Change curve of sulfide intensity of ordinary concrete in different water cement ratio(W/C)

圖6　不同摻量(f)的粉煤灰混凝土硫化強度變化曲線Fig.6　Change curve of sulfide intensity of fly ash concrete with different dosage(f)

3.2.2硫化作用對粉煤灰混凝土強度的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對粉煤灰混凝土抗壓強度的影響，并以相同水灰比的普通混凝土強度作為參照。試件在各硫化齡期的強度如表9所示。

表9　不同摻量的粉煤灰混凝土硫化強度

通過表9數(shù)據，繪出不同摻量的粉煤灰混凝土強度如圖6所示。

由圖6中可以看出，摻粉煤灰的混凝土在硫化早期和中期強度有所提高，在硫化后期強度降低；粉煤灰混凝土抗壓強度出現(xiàn)降低的時間比普通混凝土晚。這是由于粉煤灰具有活性效應、形態(tài)效應和微集料效應[11]，摻加一定量的粉煤灰，使得混凝土的堿性儲備有所下降，所以硫化反應的程度比普通混凝土小。粉煤灰的二次水化會使混凝土強度有一定的提高，這樣可減輕硫化反應對混凝土強度的影響，使得粉煤灰混凝土的強度出現(xiàn)降低的時間比普通混凝土晚。

3.2.3硫化作用對不同粗骨料類型混凝土強度的影響

通過同一種水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用對不同粗骨料類型混凝土強度的影響。試件在各硫化齡期的強度如表10所示。

表10　不同粗骨料類型的混凝土硫化強度

通過表10數(shù)據，繪出不同粗骨料類型的混凝土強度如圖7所示。

通過圖7中普通骨料混凝土與輕骨料混凝土強度之間的對比可以發(fā)現(xiàn)，普通骨料混凝土試件強度先增長后降低，而輕骨料混凝土試件強度則表現(xiàn)為持續(xù)地增長。輕骨料混凝土硫化后強度比普通骨料混凝土低。普通混凝土在養(yǎng)護過程中由于失水收縮會產生較多的微裂縫，二氧化硫會通過這些裂縫進入混凝土內，會導致混凝土強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。輕骨料混凝土由于制備時骨料需要預濕，使得內部孔隙會比較均勻，能夠更好的抵抗二氧化硫進入混凝土內部，所以在二氧化硫侵蝕過程中其強度發(fā)展比較緩慢。

圖7　普通骨料與輕骨料混凝土硫化強度變化曲線Fig.7　Change curve of sulfide intensity of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

圖8　不同水灰比(W/C)的混凝土硫化深度Fig.8　Sulfide depth of concrete with different water cement ratio

3.3硫化作用對混凝土硫化深度的影響

3.3.1普通混凝土硫化深度的研究

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對普通混凝土硫化深度的影響。試件在各硫化齡期的硫化深度如表11所示。

表11　不同水灰比的普通混凝土硫化深度

通過表11中的數(shù)據，繪出不同水灰比的普通混凝土硫化深度如圖8所示。

由圖8可以看出，在腐蝕前期，3組水灰比的混凝土硫化深度差別不大。在腐蝕中后期，硫化深度隨著水灰比的增大而增加。水灰比越大，在混凝土制作過程中越容易留下孔隙，二氧化硫氣體更容易向進入混凝土內部，所以水灰比越大，硫化深度越大。

3.3.2硫化作用對粉煤灰混凝土硫化深度的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對粉煤灰混凝土硫化深度的影響，并以相同水灰比的普通混凝土硫化深度進作為參照。試件在不同硫化齡期的硫化深度如表12所示。

表12　不同摻量的粉煤灰混凝土硫化深度

通過表12中的數(shù)據，繪出不同粉煤灰摻量的混凝土硫化深度如圖9所示。

由圖9可以看出，不同摻量的粉煤灰混凝土硫化深度均比普通混凝土硫化深度小。在腐蝕前期，粉煤灰各摻量的硫化深度曲線與普通混凝土的硫化深度變化曲線基本類似；在腐蝕后期，隨著粉煤灰摻量的增加，硫化深度增長速度逐漸減小。說明粉煤灰只要摻量在合理的范圍內，不但不會影響混凝土抵抗中性化的效果，相反還會使混凝土在酸性環(huán)境中表現(xiàn)出更優(yōu)的抗中性化效果[12]。

圖9　不同粉煤灰摻量(f)的混凝土硫化深度Fig.9　Sulfide depth in different fly ash replacement

圖10　普通骨料與輕骨料混凝土硫化深度Fig.10　Sulfide depth of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.3.3硫化作用對不同粗骨料類型的凝土硫化深度的影響

用同一種水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用對不同粗骨料類型混凝土硫化深度的影響。試件在各硫化齡期的硫化深度如表13所示。

表13　不同粗骨料類型的混凝土硫化深度

通過表13中的數(shù)據，繪出不同粗骨料類型的混凝土硫化深度如圖10所示。

由圖10可以看出，輕骨料混凝土硫化深度在腐蝕前期高于普通混凝土硫化深度，在腐蝕中期與普通混凝土硫化深度持平，在腐蝕后期低于普通混凝土硫化深度。由于輕骨料的孔隙較大，在腐蝕前期二氧化硫進入速度較快，使得輕骨料混凝土硫化深度高于普通混凝土硫化深度。隨著反應生成的產物不斷填充在混凝土孔隙中，阻止了二氧化硫的繼續(xù)進入，使得腐蝕后期的硫化深度比普通混凝土硫化深度低。

4　結　論

(1)混凝土在硫化后的質量變化率先增加后減少，水灰比越大，質量變化越明顯。粉煤灰混凝土質量變化率小于普通混凝土。輕骨料混凝土的質量變化率遠高于普通混凝土；

(2)普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗壓強度變化曲線呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，并隨著水灰比增大而減??；在混凝土中摻入適量的粉煤灰，可以提高硫化后混凝土強度。輕骨料混凝土抗壓強度變化曲線相比普通混凝土更加平穩(wěn)，呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，但整體強度低于普通混凝土；

(3)普通混凝土的硫化深度隨著水灰比的增大而增加。摻加粉煤灰的混凝土硫化深度比普通混凝土小，在合理范圍內摻量越大，腐蝕后期硫化深度增長越慢。輕骨料混凝土抗硫化能力小于普通混凝土。

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ExperimentalInvestigationontheInfluenceofSulfurDioxidetoConcretePerformance

NIU Jian-gang，HU Wei-xun，YANG Peng-fei

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Throughresearchthequalityrate,strengthandsulfidedepthunderthecorrosionofsulfurdioxidewithdifferentwatercementratioofordinaryconcrete、differentreplacementofflyashconcreteanddifferentkindsofcoarseaggregateconcrete,thecorrosionlawabouttheconcreteinsulfurdioxideenvironmenthavebeenrevealed.Theresultsshowedthatflyashconcreteisbetterthanordinaryconcreteintermsofcorrosionresistancetosulfurdioxideandlightweightaggregateconcreteisbetterthanordinaryconcreteonlyintheaspectofreducingsulfidedepth.

concrete;sulfurdioxide;corrosionlaw

國家自然科學基金(50908112)；內蒙古科技大學青年骨干基金(2014QNGG03)

牛建剛(1976-)，男，工學博士，教授，碩導.主要從事結構可靠度和混凝土結構耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0044-08