礦物摻合料提升高強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的試驗研究

祝苗苗， 劉世明，， 任治國， 趙順波

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045； 2.株洲中鐵電氣物資有限公司，湖南 株洲 412001；3.華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450045)

本文通過改變礦物摻合料的摻加方式和摻量，配制了不同水膠比的高強混凝土，并對其在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕的能力進行了試驗研究，對多種礦物摻合料影響高強混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力進行了綜合評價。

1 高性能混凝土的制備

1.1 原材料

水泥采用華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料采用Ⅱ級粉煤灰、S95級礦粉和硅灰，其物理性能指標見表1和表2，其化學成分見表3。原材料的性能指標均滿足規(guī)范要求[6-9]。細骨料為河砂，細度模數2.86，屬于Ⅱ區(qū)中砂，密度2 640 kg/m3。粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑25 mm，密度2 730 kg/m3。粗、細骨料級配曲線如圖1所示，骨料級配滿足規(guī)范要求[10-11]。

表1 礦物摻合料物理力學性能

表2 水泥物理力學性能

表3 水泥和礦物摻合料化學成分含量 %

圖1 粗、細骨料的級配曲線

減水劑為聚羧酸高效減水劑，固體含量23%，減水率27%；拌和用水為城市自來水。

1.2 配合比設計

混凝土配合比采用JGJ 55—2011[12]規(guī)定的絕對體積法進行設計。混凝土的設計強度等級為C80，共設計6組混凝土，水膠比w/b=0.25～0.32，砂率為0.35。減水劑用量(質量占總膠凝材料的百分比)通過試拌，按照混凝土拌合物坍落度70 mm±20 mm進行調整后確定。經過試拌調整后的混凝土配合比見表4，其中,A、B、C代表水膠比w/b分別為0.32、0.29、0.25的混凝土。

表4 高強混凝土的配合比

1.3 試驗方法

混凝土力學性能和抗硫酸鹽侵蝕能力試驗依據標準規(guī)定進行[13-14]。采用尺寸為100 mm的混凝土立方體試塊。試塊澆筑成型后以不透水薄膜覆蓋表面24 h后脫模。脫模后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗要求齡期56 d。將進行抗硫酸鹽侵蝕試驗的試件分為兩部分：一部分作為對比組試件，繼續(xù)保持標準養(yǎng)護條件；另一部分為侵蝕組試件，置于硫酸鹽環(huán)境中進行干濕循環(huán)試驗。按GB 50082—2009[14]的規(guī)定進行烘干，試件冷卻后，立即放入硫酸鹽試驗箱中，分別進行120次和150次干濕循環(huán)。一個干濕循環(huán)包括：在5%的硫酸鈉溶液中浸泡15 h，排干溶液后升溫至80 ℃，在80 ℃±5 ℃下保持5 h；烘干結束后，對試件進行冷卻；每個干濕循環(huán)的總時間為24 h±2 h。將保持標準養(yǎng)護條件的對比組試件與完成干濕循環(huán)的侵蝕組試件同時進行抗壓強度試驗，按式(1)計算出混凝土抗壓強度的耐蝕系數Kf，

(1)

式中：fcn為n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的一組混凝土試件的抗壓強度測定值，MPa；fc0為與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的一組標準養(yǎng)護混凝土試件(對比組試件)的抗壓強度測定值，MPa。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

表4中的6組高強混凝土的抗壓強度試驗結果如圖2所示。

圖2 混凝土56 d齡期的抗壓強度

由圖2可知，混凝土的抗壓強度既隨其水膠比的降低而增加，又受到摻合料種類和摻量的不同程度影響。具體分析如下：

1)A-1、B-1、C-1這3組混凝土的水泥用量相同，通過增加摻合料的量和降低水膠比來研究混凝土的性能變化。與A-1組比較，B-1組按約為1∶1的比例摻加粉煤灰和硅灰，C-1組按約1∶2的比例摻加粉煤灰和硅灰。結果發(fā)現，B-1組和C-1組的混凝土強度分別比A-1組的增長了2.5%和30.4%，可見，相對于粉煤灰，硅灰對混凝土抗壓強度具有更顯著的增強作用。原因是，粉煤灰中的晶態(tài)鋁硅酸鹽活性比較低，在堿性激發(fā)的作用下，只有部分二氧化硅溶出發(fā)生火山灰水化反應；硅灰的主要化學成分為非晶態(tài)的無定型SiO2，該SiO2具有較高的火山灰活性，能迅速與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，并加速水泥水化[15-17]。在短齡期內，粉煤灰會降低混凝土的抗壓強度，硅灰能夠增加混凝土的抗壓強度，兩者共同作用對混凝土抗壓強度的影響有所抵消。B-1組的混凝土的抗壓強度增加較小，粉煤灰和硅粉對混凝土抗壓強度此消彼長的調節(jié)效應在C-1組混凝土試樣中得到更加明顯的呈現。當同時采用粉煤灰和硅灰作為混凝土摻合料時，可通過改變兩者的摻入比值達到調節(jié)混凝土強度的目的。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

高強混凝土在硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的試驗結果見表5。表5中，“對比”指對比組混凝土，指同一組混凝土中與硫酸鹽侵蝕環(huán)境條件下的混凝土同齡期的標準養(yǎng)護環(huán)境中的混凝土?！扒治g”指侵蝕組混凝土，是指硫酸鹽侵蝕環(huán)境條件下的混凝土，下文同。

表5 硫酸鹽侵蝕環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的混凝土抗壓強度和耐蝕系數測試結果

分析上述各組混凝土的試驗結果知，各種礦物摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響具有一定的差異，復合摻加各種礦物時對混凝土抗壓強度的提升效應較復雜。摻加14 kg/m3硅灰的A-1組混凝土，在硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)150次后的抗壓強度降低。這表明，單摻硅灰時因摻量僅為膠凝材料總用量的3.2%，硅灰的火山灰活性對水泥水化反應和混凝土內部結構致密性的改善作用未能得到有效發(fā)揮。

由表5中A-2、B-2和C-2這3組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗結果可知，采用40 kg/m3礦粉等量替代水泥時，由于粉煤灰和硅灰摻量的不同，礦粉替代水泥的作用效果也不相同。本試驗采用的礦粉復摻粉煤灰和硅灰，對A組和C組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能影響不大，對B組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有不利的影響，B-2組混凝土的抗蝕系數與B-1組混凝土的相比降低了9.2%。

值得注意的是，硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的混凝土的抗壓強度分別與210 d和240 d標準養(yǎng)護的混凝土(對比組混凝土)的抗壓強度相差不大。比較圖2中標準養(yǎng)護56 d的混凝土抗壓強度與表5中對比組混凝土的抗壓強度可知：在標準養(yǎng)護下，礦物摻合料摻量較高的高強混凝土存在長期抗壓強度倒縮現象；B-1組和C-1組混凝土標準養(yǎng)護56～210 d齡期時其抗壓強度分別降低了4.1%和3.0%，從210 d到240 d齡期，B-1組和C-1組混凝土的抗壓強度仍在降低；B-2組和C-2組混凝土標準養(yǎng)護56～210 d齡期時的抗壓強度分別降低2.7%和3.0%，從210 d到240 d齡期，B-2組和C-2組混凝土的抗壓強度有所增加；從膠凝材料組成及其摻加比例來看，主要原因是粉煤灰摻入的影響[23-24]。

圖3為特征較為明顯的2個試塊的局部截圖。由圖3可以看出：在標準養(yǎng)護條件下，水霧在混凝土表面凝成的水珠沿表面流動稀釋了表層孔隙中的溶液，水泥漿體被逐漸水解造成細骨料外露；硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的混凝土試塊無此明顯現象。這種局部持續(xù)的水解反應對小尺寸混凝土試塊抗壓強度將產生不利影響[15,25]。因此，在計算高強混凝土耐蝕系數時，需綜合考慮強度倒縮的影響。

圖3 不同環(huán)境對試件外表面的影響

3 結語

1)很小摻量的硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力無明顯改善效果。粉煤灰和硅灰復摻有利于提高混凝土的抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕能力，提升效果隨硅灰摻量的增加而增強。

2)在復合摻加粉煤灰和硅灰的混凝土基礎上，礦粉等量替代水泥，對混凝土的抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕能力均存在不利影響。對于粉煤灰和硅灰復合摻量較大的C組混凝土，其抗壓強度下降19.5%；對于粉煤灰和硅灰復合摻量居中的B組混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕能力下降9.2%。

3)混凝土的配合比可根據實際工程要求的混凝土強度等級和抗硫酸鹽耐蝕系數，并結合水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉的市場價格，經綜合技術經濟分析加以確定。

4)高強混凝土在長期標準養(yǎng)護條件下存在強度倒縮的現象，需要在后續(xù)的混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究中加以重視。