干濕循環(huán)條件下超細粉煤灰混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究

邵陽，張凱峰，何志旗

（1. 機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043；2. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063；3. 陜西旅游集團有限公司，陜西 西安 710100）

0 前言

粉煤灰是火力發(fā)電廠的工業(yè)廢棄物，對于粉煤灰的利用目前主要是Ⅱ級粉煤灰和Ⅰ級粉煤灰的利用。粉煤灰原灰由于顆粒較粗，作為混凝土摻合料使用效果不佳，因而對于粉煤灰原灰利用非常有限。本文將粉煤灰原灰進行超細粉磨后作為摻合料配制混凝土，探索粉煤灰原灰利用的新途徑。

遭受環(huán)境因素的侵蝕是導致混凝土材料與結(jié)構(gòu)性能退化和服役壽命縮短的直接原因之一，硫酸鹽侵蝕是混凝土材料與結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素作用而發(fā)生損傷累積破壞的重要形式[1]。在我國沿海地區(qū)和西部鹽湖地區(qū)的混凝土，無時不遭受干濕交替和硫酸鹽、氯鹽等腐蝕介質(zhì)的耦合破壞作用，混凝土的壽命大大低于設(shè)計壽命，因此，開展對干濕交替和硫酸鹽溶液耦合作用下混凝土的損傷過程和機理研究工作顯得尤為重要和緊迫。反映混凝土在硫酸鹽作用下?lián)p傷程度的指標主要有表面形態(tài)破壞程度、抗壓抗折強度衰減程度、吸水率、重量損失率和混凝土膨脹率等[2]。

本文以超細粉磨至不同粒徑的粉煤灰為混凝土摻合料配制超細粉煤灰混凝土。主要以測量抗壓抗折強度衰減程度來表征超細粉煤灰混凝土內(nèi)部的損傷程度，并通過 SEM 分析混凝土的微觀結(jié)構(gòu)以期探明干濕交替與硫酸鹽溶液耦合作用下混凝土的損傷規(guī)律，為沿?；螓}湖地區(qū)混凝土的壽命預測提供重要依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 試驗原材料

（1）水泥：陜西堯柏水泥廠 P·I52.5 級水泥。

（2）粉煤灰：將粉煤灰原灰粉磨成 A、B、C、D四種不同細度的粉煤灰。A 灰平均粒徑 22.1μm，B 灰平均粒徑 15.03μm，C 灰平均粒徑 7.48μm，D 灰平均粒徑 4.0μm。粉煤灰的化學組成見表 1，四種灰的粒度分析見表 2。

（3）砂：中砂，細度模數(shù) 2.6。

（4）石子：5～10mm 單級配石灰石碎石。

（5）水：自來水。

表 2 四種不同細度粉煤灰粒度分析 %

1.1.2 混凝土配合比

試驗用混凝土配合比如表 3 所示，四種粉煤灰摻合料等量取代水泥，取代率分別為 20% 和 40%，配制成40mm×40mm×160mm 的細碎石混凝土。

表 1 粉煤灰化學多元素分析 %

1.2 試驗方案

1.2.1 干濕循環(huán)方案

試件養(yǎng)至 28d 齡期的前兩天時，在 (80±5)℃ 的烘箱中烘 48h 后，冷卻至室溫再放入 5% 的硫酸鈉溶液中浸泡 15h，然后再放入 (80±5)℃ 的烘箱烘 6h，每個干濕循環(huán)的總時間為 (24±2)h，每 15 個干濕交替周期進行一次數(shù)據(jù)測量。

1.2.2 試驗檢測指標

通過測量不同細度、不同摻量粉煤灰的混凝土強度，比較粉煤灰混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)?？箟耗臀g系數(shù)是指 5% 硫酸鹽溶液中試塊的抗壓強度與在自來水中相同循環(huán)次數(shù)試件的抗壓強度的比值。

表 3 混凝土配合比 kg/m3

J 450 0 733 1099 225 0.5 A2 360 90 733 1099 225 0.5 B2 360 90 733 1099 225 0.5 C2 360 90 733 1099 225 0.5 D2 360 90 733 1099 225 0.5 A4 270 180 733 1099 225 0.5 B4 270 180 733 1099 225 0.5 C4 270 180 733 1099 225 0.5 D4 270 180 733 1099 225 0.5

2 試驗結(jié)果及分析

不同種類混凝土干濕循環(huán)條件下不同齡期的抗壓強度見表 4 和圖 1（注：以下齡期均指，混凝土經(jīng) 28d 標準養(yǎng)護后，重新開始計算齡期，從 0d 計起。）

表 4 不同種類混凝土干濕循環(huán)條件下不同齡期的抗壓強度 MPa

2.1 粉煤灰細度對混凝土抗壓強度的影響

從圖 1 可知，隨干濕循環(huán)齡期增加，摻量為 40%的粉煤灰混凝土強度先緩慢增大后減小。特別是在干濕循環(huán) 90d 后混凝土強度迅速降低。J 組混凝土在侵蝕90d 之前強度變化不大，90d 以后強度迅速降低。在同齡期內(nèi)，D4 試塊強度最高，即使在侵蝕 90d 后，D4 試塊強度損失也較其他試塊要小。這可能是由于超細粉煤灰能使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，從而其強度也較高。加入粉煤灰的混凝土總體上都比基準混凝土在干濕循環(huán) 90d后強度高，說明加入不同細度的粉煤灰可改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，粉煤灰越細，強度越高。

圖 1 不同種類混凝土干濕循環(huán)條件下不同齡期混凝土抗壓強度

2.2 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響

從圖 1 可知，總體趨勢是在干濕循環(huán)條件下，同種細度的粉煤灰混凝土，40% 摻量的強度高于 20% 摻量的。這可能是由于粉磨后的粉煤灰粒徑細化，可以更好地起到密實填充效應，并且磨細之后粉煤灰內(nèi)部的活性成分被更大程度的釋放出來，從而增加了粉煤灰的活性效應，所以在干濕循環(huán)條件下，同種細度的粉煤灰混凝土，40% 摻量的強度高于 20% 摻量的粉煤灰混凝土。

2.3 干濕循環(huán)條件下混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

從 SEM 圖像（圖 2～5）可見，D4 組混凝土相對于 A2、A4、D2 組來說更加密實，幾乎無毛細孔。其原因主要是采用了超細粉磨的粉煤灰，增大了粉煤灰的火山灰效應和顆粒密實效應。能將混凝土中尤其是漿體與集料界面處大量的 CH 晶體消耗，轉(zhuǎn)化成對強度及致密性更有利的 C-S-H 凝膠，該反應產(chǎn)物有效填充了大的毛細孔，細化了混凝土中的孔結(jié)構(gòu)，改善了界面缺陷，同時其微細顆?？商畛涞剿囝w粒填充不到的孔隙中，使混凝土內(nèi)部的缺陷減少，致密性也得到提高[4]。

圖 2 A2 組 SEM 圖

圖 3 A4 組 SEM 圖

圖 4 D2 組 SEM 圖

圖 5 D4 組 SEM 圖

3 結(jié)論

（1）隨著干濕循環(huán)齡期增長，粉煤灰混凝土強度先緩慢增大后減小；粉煤灰越細，混凝土強度越高。

（2）隨著干濕循環(huán)齡期進行，在同一齡期，40%摻量的粉煤灰混凝土強度高于 20% 摻量的粉煤灰混凝土。

（3）超細粉煤灰的加入明顯改善了混凝土的密實度，從而提高了該混凝土在干濕循環(huán)作用下的強度。