含不同礦物摻合料混凝土的硫酸鹽腐蝕試驗研究

劉文斌

(中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400）

1 前言

近年來，隨著國家綜合實力的增強以及城市地下空間開發(fā)利用的需要，各種大跨橋梁、跨海工程、地下混凝土結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)進入了高速發(fā)展時期[1-2]。與此同時，對于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也提出了更高的要求?；炷恋哪途眯灾饕芴蓟⒘蛩猁}侵蝕、加熱冷卻和凍融循環(huán)等環(huán)境因素的影響[3-5]。其中，硫酸鹽侵蝕是最常見和最嚴(yán)重的因素之一。在全球范圍內(nèi)(如美國、日本、阿拉伯灣地區(qū)、我國西部等）均報道了硫酸鹽侵蝕造成混凝土性能失效的案例。對于混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的腐蝕行為研究，已經(jīng)成為一個備受關(guān)注的研究熱點。

關(guān)于硫酸鹽腐蝕的研究，過去的部分學(xué)者圍繞影響混凝土腐蝕性能的因素，如水泥的種類、硫酸鹽類型、濃度、溫度等進行了研究，對于不同因素的作用機理有了一定的理解。與此同時，另外部分學(xué)者研究如何通過外加摻合料來提高混凝土的抗侵蝕能力。Uysal等[6]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在所使用的礦物摻合料中，粉煤灰和礦粉顯著提高了混凝土工作性和抗壓強度。40%礦粉對抗硫酸鎂性能最好。Irassar等[7]對摻加粉煤灰、天然火山灰和礦渣的混凝土進行了半埋于硫酸鹽土中5年的現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明由于硫酸鹽結(jié)晶作用，含較多摻合料的混凝土表面結(jié)垢程度較高。Wang等[8]研究了在凍融循環(huán)-硫酸鹽耦合作用下，摻粉煤灰(10%、15%、25%）和硅灰(5%、8%、11%）混凝土的腐蝕行為，對混凝土在硫酸鈉溶液中的抗壓強度、相對動態(tài)彈性模量和微觀結(jié)構(gòu)等性能進行了評價，結(jié)果表明在5%硫酸鈉溶液中，摻合料的作用使得混凝土的硫酸鹽抗性提高。Wang等[9]的研究表明，增加硅灰用量可以降低侵蝕硫酸鹽環(huán)境下含硅灰砂漿的變質(zhì)程度，而且當(dāng)硅灰含量大于6%時，水泥砂漿混合料在宏觀和微觀測試和表征上僅表現(xiàn)出輕微的退化。Lee等[10]研究了表明了在硫酸鹽環(huán)境下，隨著水灰比(0.35、0.45和0.55）增加，摻硅粉的砂漿試樣中的總強度損失較低于不摻硅粉的混凝土。

綜上所述，目前學(xué)者們對于粉煤灰以及其他摻合料對混凝土硫酸鹽抗性的研究，尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論。本文以含煤灰、硅灰和礦粉的混凝土為研究對象，在相同摻量條件下，對比分析了三種混凝土在硫酸鹽中浸泡60 d后的腐蝕深度和抗壓強度，并且討論比較了三種混凝土性能變化的規(guī)律。通過本文的研究，旨在揭示摻合料對混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的作用機理，為工程實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

2 試驗方案

2.1 試件設(shè)計

混凝土試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體。混凝土水膠比為0.43，具體配合比如表1所示。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；采用的河砂模數(shù)為2.7；粗骨料為粒徑5～15 mm碎石；粉煤灰、硅灰和礦粉的摻量為10%。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 試驗方法

2.2.1 硫酸鹽腐蝕試驗

混凝土試件脫模后養(yǎng)護28 d。養(yǎng)護環(huán)境的溫度設(shè)定為20±3℃，濕度值≥90%。養(yǎng)護完成后，將混凝土分別浸泡于兩種溶液中，即清水、15%硫酸鈉溶液。硫酸鹽腐蝕是一個長期過程，在本試驗中為了加速混凝土的腐蝕，使得試驗現(xiàn)象更加明顯，將溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為15%[11]。試件分為兩大組，一組浸泡在清水中(即硫酸鹽濃度為零），另一組浸泡在硫酸鹽溶液中。硫酸鹽采用硫酸鈉(Na2SO4），濃度為15%。浸泡試驗齡期確定為60 d。試驗每進行一個月定期更換溶液。在硫酸鹽溶液中腐蝕的混凝土試件分組如表2所示。

表2 腐蝕混凝土的試件分組

2.2.2 腐蝕深度的測量

試驗采用超聲無損檢測方法確定混凝土的腐蝕深度。與傳統(tǒng)方法相比，超聲法的優(yōu)點表現(xiàn)為:具有非破壞性、經(jīng)濟型、易于操作性等[12]。超聲方法的設(shè)備通常由電脈沖發(fā)生器、一對換能器、一個放大器和一個電子計時裝置組成，電子計時裝置用于測量發(fā)射換能器產(chǎn)生的脈沖到達(dá)接收換能器的時間。本試驗采用的設(shè)備是Ultracon-150混凝土超聲波測試儀。換能器直徑40 mm，工作頻率52 kHz；聲時測量范圍為0.1 ～1 999.9 μs，檢讀精度為0.1 μs；超聲耦合劑采用凡士林。

混凝土超聲波檢測具體可以分為兩種方式:一種是超聲儀的換能器放置于混凝土試件的兩個相對的面，簡稱為“對測法”；另一種是兩個換能器位于混凝土試件的同一表面，簡稱為“平測法”。在實際工程應(yīng)用中，考慮到其可操作性，超聲波平測法的應(yīng)用更為廣泛。試驗采用平測法原理去計算腐蝕深度，試驗原理如圖1所示，隨著測距的增加，混凝土的超聲波速將會發(fā)生一個轉(zhuǎn)折，這就表明混凝土由于受到腐蝕，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)了密實度分界層。

圖1 超聲波檢測距離隨透射時間的變化

平測法測量腐蝕層厚度的基本原理為:當(dāng)兩個超聲探頭之間的距離達(dá)到圖1所示的l0時候，從發(fā)射探頭發(fā)出的聲波在損傷層和為損傷層的傳播時間一樣，同時到達(dá)接收探頭，從而可以得到腐蝕深度的計算公式如下[13]:

式中，d為混凝土損傷層厚度(mm）:v2和v1分別為混凝土未損傷層和損傷層的超聲波速(m/s）；l0是與超聲波速度突變點對應(yīng)的換能器距離(mm）。

2.2.3 混凝土抗壓強度的測量

凝土試件的硫酸鹽腐蝕深度檢測完成后，為了進一步評估硫酸鹽侵蝕對混凝土力學(xué)性能的影響，開展了混凝土試件的抗壓試驗，抗壓試驗利用萬能試驗機進行。為了后面分析混凝土彈性模型Ec，試驗過程中，在混凝土試塊表面粘貼應(yīng)變片，并通過應(yīng)變采集儀監(jiān)測混凝土應(yīng)變的變化；而混凝土的應(yīng)力變化可由加載系統(tǒng)控制電腦記錄的荷載計算得到，其中峰值應(yīng)力就是混凝土試塊的抗壓強度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 粉煤灰、硅灰和礦粉混凝土腐蝕深度

硫酸鹽浸泡試驗完成后，將試塊從溶液中取出晾干，然后利用超聲波平測法測量混凝土的硫酸鹽腐蝕深度。為了盡量降低測量誤差，同時基于對稱性原則，對同一試塊進行兩個面的超聲波平測。

60 d腐蝕齡期時三種不同礦物摻合料混凝土的腐蝕深度結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在本試驗的10%摻量條件下，摻礦粉混凝土的硫酸鹽腐蝕深度最小，其次是粉煤灰混凝土，而摻硅灰混凝土的腐蝕深度最大。換句話說，礦粉對混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力的提升效果最顯著，其次是粉煤灰。

圖2 不同摻合料混凝土的腐蝕深度

摻合料在混凝土中發(fā)揮的作用主要包括幾個方面:一是摻合料的加入降低了膠凝材料里的C3A含量，從而降低了其水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣的濃度，減少了鈣礬石的生成；二是摻合料發(fā)生火山灰效應(yīng)，消耗了Ca(OH）2和C3A含量，一方面降低了試件的膠凝材料中的C3A含量，且提高了試件的密實度，另一方面，水化硅酸鈣凝膠在易于被侵蝕的含鋁化合物表面形成一層保護層，從而減少硫酸鹽侵蝕的程度，有效地延緩了硫酸鹽的腐蝕作用；三是填充密實效應(yīng)，粉煤灰、硅灰及礦粉的顆粒較小，細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，會成為大量水化物沉積的核摻入后填充了混凝土內(nèi)部孔隙，使得混凝土內(nèi)部更加密實，抗壓防止侵蝕性介質(zhì)侵入。

由圖2可知，硅灰混凝土的腐蝕深度最大，根據(jù)Ji等[14]的研究，摻硅灰混凝土拌和時，硅粉容易發(fā)生團聚效應(yīng)。硅灰團聚形成大于10 μm的顆粒，降低了填充效應(yīng)和火山灰活性，也使得混凝土沒有形成良好級配，密實性差，從而硫酸根離子更易進入混凝土內(nèi)部。相比之下，粉煤灰和礦粉沒有發(fā)生團聚效應(yīng)，其在混凝土內(nèi)抵抗腐蝕的作用可以得到充分發(fā)揮。礦粉火山灰效應(yīng)優(yōu)于粉煤灰，使得混凝土的腐蝕深度最低。因此，在10%摻量下，三種摻合料混凝土抵抗腐蝕能力依次為礦粉＞粉煤灰＞硅灰。

3.2 粉煤灰、硅灰和礦粉混凝土腐蝕深度抗壓強度

圖3為不同礦物摻合料混凝土的抗壓強度，顯示了三種不同礦物摻合料混凝土腐蝕前后的抗壓強度變化。從圖3中可以看出，對于10%的摻量，摻粉煤灰混凝土的抗壓強度明顯高于摻硅灰、礦粉的混凝土；在60 d腐蝕齡期，摻硅灰、礦粉混凝土腐蝕前后的抗壓強度變化較小，而摻粉煤灰混凝土腐蝕前后的抗壓強度有較明顯的變化，表現(xiàn)出腐蝕后強度有所提高。

圖3 不同礦物摻合料混凝土的抗壓強度

粉煤灰中的CaO含量較多而SiO2較少，因此由于水化反應(yīng)產(chǎn)生的硬化產(chǎn)物較多，致使混凝土的強度較高。硅灰發(fā)生團聚，弱化了對混凝土的改善效果。礦粉中的CaO和SiO2的含量均較多，因此，礦粉混凝土既發(fā)生水化反應(yīng)生成水硬性產(chǎn)物，也通過火山灰反應(yīng)生成了早期強度較低的硅酸鹽。所以，其未腐蝕前的強度介于粉煤灰混凝土與硅灰混凝土之間。

對于經(jīng)過60 d腐蝕的混凝土，抗壓強度大小為粉煤灰＞硅灰＞礦粉。與清水中的混凝土的強度相比，粉煤灰混凝土強度有所提高，而硅灰混凝土則基本不變，礦粉混凝土則略有下降。在硫酸鹽侵腐蝕早期，混凝土受硫酸鹽腐蝕產(chǎn)生鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，會使抗壓強度提高[15]。粉煤灰混凝土中含有較多Ca(OH）2，腐蝕生成了較多鈣礬石，因此腐蝕后強度提高明顯。硅灰混凝土的Ca(OH）2含量不如粉煤灰混凝土，腐蝕后強度的變化不明顯。摻礦粉混凝土抵抗侵蝕效果最好，腐蝕深度最小，受硫酸鹽腐蝕產(chǎn)生的鈣礬石產(chǎn)物最少，只有少部分孔隙被腐蝕產(chǎn)物填充，腐蝕后的抗壓強度最小。

4 結(jié)束語

(1）在本試驗10%摻量條件下，三種混凝土的腐蝕深度大小依次為硅灰＞粉煤灰＞礦粉，因此，三種摻合料混凝土抵抗腐蝕能力依次為礦粉＞粉煤灰＞硅灰。

(2）對于清水組，60 d的抗壓強度依次為粉煤灰＞礦粉＞硅灰，摻粉煤灰的試塊抗壓強度明顯較高。

(3）硫酸鹽腐蝕60 d后，在硫酸鹽侵腐蝕早期，混凝土受腐蝕產(chǎn)生膨脹性產(chǎn)物使抗壓強度提高。與清水中的混凝土的強度相比，粉煤灰混凝土強度有所提高，而硅灰混凝土則基本不變，礦粉混凝土則略有下降。