鐵路工程混凝土膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能研究

湯玉勇

（中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海 200070）

在土壤和水環(huán)境中，有不同程度的硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)侵蝕水泥水化產(chǎn)物，對(duì)于這種環(huán)境條件可以將其統(tǒng)稱為硫酸鹽侵蝕環(huán)境。鐵路工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較高，為提高鐵路工程的應(yīng)用壽命和應(yīng)用質(zhì)量，就必須對(duì)鐵路混凝土工程的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行充分考慮。鑒于此，本文采用礦渣粉、粉煤灰兩種摻和料，設(shè)計(jì)相關(guān)配比，對(duì)摻和料類(lèi)型以及摻量對(duì)膠凝材料的抗硫酸侵蝕性能的影響進(jìn)行深入研究，以期為硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的礦物摻和料的合理應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)，為提高鐵路建設(shè)的質(zhì)量提供保證。

1 硫酸鹽侵蝕類(lèi)型

當(dāng)硫酸鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)之后，多數(shù)情況下會(huì)產(chǎn)生體積膨脹、表面開(kāi)裂、剝落等問(wèn)題，國(guó)外有研究表明混凝土工程在被硫酸鹽侵蝕之后，硬化后的水機(jī)漿體會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的軟化問(wèn)題而降低強(qiáng)度，失去膠結(jié)能力[1]。

1.1 TSA 侵蝕

TSA 侵蝕即碳硫硅鈣石侵蝕。在國(guó)外，對(duì)于CaCO3·CaSiO3·CaSO4·15H2O 的工程破壞報(bào)道大量存在。近年來(lái)，TSA 已經(jīng)成為研究硫酸鹽侵蝕的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。TSA 侵蝕過(guò)程可分為四個(gè)階段：離子遷移期、鈣礬石生成期、石膏生成期、碳硫酸鈣生成期。一般來(lái)說(shuō)，硫酸鹽侵蝕主要是使混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，然后開(kāi)裂破壞。TSA 是將C-S-H 凝膠直接分解，然后由外向內(nèi)逐漸分解，使混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。變成無(wú)粘結(jié)力的砂石混合物，其破壞性比傳統(tǒng)硫酸鹽更大。TSA 通常發(fā)生在混凝土與石灰石骨料的混合過(guò)程中，隨著石灰石粉含量的增加，混凝土的劣化程度會(huì)增加[3]。

1.2 硫酸鹽結(jié)晶物理侵蝕

當(dāng)混凝土孔隙液中的硫酸鹽濃度滿足結(jié)晶條件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，NaSO4結(jié)晶為 NaSO4·10H2O，MgSO4結(jié)晶為 MgSO4·7H2O，混凝土的體積會(huì)顯著增大，在結(jié)晶壓力影響下，混凝土就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。在溫度較低的情況下硫酸鹽的結(jié)晶能力會(huì)達(dá)到甚至超過(guò)7MPa，能夠大大超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度[3]。

1.3 硫酸鎂侵蝕

當(dāng)鎂離子和硫離子呈現(xiàn)出共存的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)硫酸和鎂的雙侵蝕型破壞，其原因是鎂離子和硫離子都是侵蝕源，當(dāng)二者共同存在時(shí)，就會(huì)在相互疊加的效應(yīng)下，產(chǎn)生更加嚴(yán)重的復(fù)合型侵蝕[4]。鎂離子能夠?qū)⑺嗍闹饕獜?qiáng)度組分C-S-H 分解為沒(méi)有膠結(jié)性能的硅膠或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硅酸鎂，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度損失，粘結(jié)性下降，實(shí)際工程中嚴(yán)重的硫酸鎂侵蝕甚至將混凝土變成完全沒(méi)有膠結(jié)性能的糊狀物。

2 硫酸鹽對(duì)混凝土侵蝕的內(nèi)外部影響因素分析

如圖1 所示，可以將混凝土被硫酸鹽侵蝕的影響因素分為外部和內(nèi)部?jī)煞N，內(nèi)部影響因素就是混凝土本身的性質(zhì)條件，外部影響因素則是在試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行研究所提出的混凝土硫酸鹽侵蝕條件，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行研究時(shí)則取決于混凝土工程的建設(shè)環(huán)境。無(wú)論是外部影響因素還是內(nèi)部影響因素，他們都對(duì)混凝土的侵蝕速度會(huì)造成極大影響[5]。

圖1 混凝土硫酸鹽侵蝕的影響因素概括

3 試驗(yàn)原料和試驗(yàn)方法概述

3.1 試驗(yàn)材料

水泥：P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰：F 類(lèi)Ⅰ級(jí)灰；

礦渣粉：S95；

標(biāo)準(zhǔn)砂：產(chǎn)地來(lái)自廈門(mén)艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。以上原料的性能成分如表1 所示。

表1 各類(lèi)摻和料的性能及結(jié)構(gòu)組成

3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《鐵路混凝土》（TB/T 3275—2018）附錄M 膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能快速試驗(yàn)方法。采用規(guī)定的膠凝材料：標(biāo)準(zhǔn)砂=1:2.5（質(zhì)量比）、水膠比固定0.50 的膠砂，成型10mm×10mm×60mm 的棱柱體試件兩組，每組9 個(gè)。脫模后將兩組試件放入50±1℃水中養(yǎng)護(hù) 7d。7d 后，一組 9 塊放入溫度為 20±3℃飲用水中浸泡28d、56d，另一組9 塊放入溫度為20±3℃、3%硫酸鈉溶液中浸泡28d、56d。整個(gè)侵蝕期間開(kāi)始的56d 內(nèi)，每天用濃度1mol/L的硫酸溶液滴定中和試件溶出的氫氧化鈣，使溶液的pH 保持在7.0 左右[6]。

抗蝕系數(shù)是指分別在硫酸鈉溶液中浸泡和在飲用水中養(yǎng)護(hù)的同齡期、同組成膠砂試件的抗折強(qiáng)度之比，按下式計(jì)算，精確至0.01：

式中：k-抗蝕系數(shù)，無(wú)量綱；RS-試件在硫酸鈉溶液中浸泡28d、56d 時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa；RW-試件在飲用水中浸泡 28d、56d 時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa。

3.3 試驗(yàn)方案

選取試驗(yàn)的膠凝材料包括普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣粉。參考《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10005—2010）中5.2.2 不同環(huán)境下混凝土摻和料的摻量要求，設(shè)計(jì)如表2 所示11 種不同膠凝材料配比。

表2 各種膠砂摻配組分用量

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試件 56d 抗折強(qiáng)度（見(jiàn)表3）

膠凝材料體系對(duì)膠砂試件56d 抗折強(qiáng)度的影響如圖2 所示。從圖2 中可以看出，礦物摻和料的種類(lèi)和摻量對(duì)膠砂試件56d的抗折強(qiáng)度有顯著的影響。隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂試件抗折強(qiáng)度明顯降低。這主要是由于粉煤灰活性指數(shù)相對(duì)較低，對(duì)56d 抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小造成的。礦渣粉的活性略優(yōu)于粉煤灰。對(duì)于相同的外摻料摻量，摻和料雙摻比單摻的56d 抗折強(qiáng)度高，主要是因?yàn)槟z凝材料體系包含水泥、粉煤灰、礦渣粉3 種粉料，平均粒徑處于3 個(gè)不同的粒徑分布范圍，優(yōu)化膠凝材料組分顆粒級(jí)配，同時(shí)由于礦物摻合料的火山灰效應(yīng)、填充效應(yīng)及二次水化作用，可填充水泥石的毛細(xì)孔，降低水泥石的孔隙率，增大水泥石的密實(shí)性。

表3 試件56d 抗折強(qiáng)度

圖2 試件56d 抗折強(qiáng)度

4.2 不同膠凝材料的抗侵蝕系數(shù)

表4 試件28d、56d 抗侵蝕系數(shù)

圖3 試件56d 抗侵蝕系數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著侵蝕齡期從28d 增加到56d，膠凝材料的抗腐蝕系數(shù)逐漸降低。由于各種摻和料的化學(xué)組成、相組成、結(jié)構(gòu)等不同，它們的摻量對(duì)膠凝材料抗侵蝕性能的影響存在很大的差異。粉煤灰的摻入對(duì)水泥膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響較大，而礦渣粉的影響相對(duì)較小。隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂試件的抗蝕系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。主要是因?yàn)榉勖夯以缙诨钚暂^低，能夠使硫酸鹽侵蝕水泥基材料時(shí)的誘導(dǎo)期延長(zhǎng)，當(dāng)粉煤灰摻量大于10%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，這種作用越明顯。礦渣粉對(duì)膠凝材料抗侵蝕作用較差，隨著摻量的增加，水泥膠凝材料56d 抗侵蝕系數(shù)逐漸降低。

5 總結(jié)

（1）粉煤灰的摻入會(huì)降低水泥膠凝材料56d 抗折強(qiáng)度，隨著摻量增加強(qiáng)度降低幅度增大。礦渣粉對(duì)水泥膠凝材料的抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率大于粉煤灰。

（2）粉煤灰對(duì)改善水泥膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于礦渣粉，多元膠凝材料體系的抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于單一的膠凝材料。

（3）礦物摻合料有利于提高膠凝材料的抗侵蝕性能，但隨著齡期的延長(zhǎng)和摻量的增加，抗侵蝕能力逐步減弱。