低碳型耐酸混凝土的試驗(yàn)研究

牛艷飛，劉玲玲，麻若楠

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)行動(dòng)方案的細(xì)化和進(jìn)一步實(shí)施，低碳已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)各行各業(yè)的發(fā)展方向。隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化的發(fā)展，工業(yè)固體廢棄物的種類和總量在持續(xù)增長(zhǎng)［1-2］，隨著這些固體廢棄物對(duì)環(huán)境的危害日益加劇，對(duì)工業(yè)固體廢棄物的資源化利用技術(shù)成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)［3-4］。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種酸性物質(zhì)會(huì)腐蝕混凝土，影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性［5-6］，耐酸混凝土是諸多應(yīng)對(duì)措施中的一種［7-10］。以往的研究成果中，耐酸混凝土主要分為水玻璃耐酸混凝土、樹(shù)脂類耐酸混凝土、瀝青耐酸混凝土、硫磺耐酸混凝土和高鋁水泥耐酸混凝土等［11］。

粉煤灰中除存在少量活潑金屬氧化物外，其主要組成為具有抗腐蝕能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好、高溫蠕變及熱膨脹系數(shù)小等特性的莫來(lái)石和耐酸性能良好的玻璃體、石英等物質(zhì)組成，通過(guò)選擇合適的膠黏劑，制作出耐腐蝕性能達(dá)標(biāo)的建筑材料具有一定的可行性，其來(lái)源主要為全國(guó)大量存在的火力發(fā)電廠等工業(yè)企業(yè)，來(lái)源廣泛，庫(kù)存充足，價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?？紤]到以上背景，本研究用礦粉和粉煤灰取代80%的水泥，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸溶液來(lái)模擬酸性腐蝕環(huán)境，嘗試研發(fā)出具有耐酸性能的低碳型混凝土。

1 試驗(yàn)方案

1.1 混凝土配合比

混凝土的設(shè)計(jì)配合比如表1所示。坍落度目標(biāo)值為15.0±2.0 cm，含氣量目標(biāo)值為4.5%±1.5%，通過(guò)調(diào)節(jié)外加劑的使用量來(lái)滿足目標(biāo)值。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Concrete （kg/m3）

設(shè)計(jì)水膠比為0.3；水泥使用的是普通硅酸鹽水泥；礦粉和超細(xì)礦粉的比表面積分別為400 m2/kg 和1 200 m2/kg；粉煤灰使用的是Ⅱ級(jí)粉煤灰；河砂使用的是Ⅱ級(jí)中砂，外加劑使用的是高性能減水引氣劑。利用外加劑跟粉料的質(zhì)量百分比來(lái)表示單位使用量。其中，各粉料的單位使用量后的括號(hào)里的數(shù)字表示該粉料占總粉料的質(zhì)量比，為滿足低碳型混凝土的目標(biāo)，普通硅酸鹽水泥的使用量?jī)H占粉料的20%。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本研究使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸溶液來(lái)模擬酸性腐蝕環(huán)境。

⑴抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：混凝土試塊成型后第1 d（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）拆掉模具，移至恒溫恒濕環(huán)境中在水中養(yǎng)護(hù)。在齡期7 d、28 d、91 d 測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

⑵質(zhì)量損失試驗(yàn)：混凝土試塊成型后第1 d（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）拆掉模具，移至恒溫恒濕環(huán)境中在水中養(yǎng)護(hù)。水中養(yǎng)護(hù)28 d之后取出，晾干稱重，將該質(zhì)量W0定為初始質(zhì)量。然后將試塊浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸溶液中，在浸泡之后第7 d、28 d、56 d、91 d取出試塊，用自來(lái)水沖洗1 min，晾干之后稱重。

⑶ 硫酸中性化試驗(yàn)：混凝土試塊成型后第1 d（從混凝土攪拌加水時(shí)算起）拆掉模具，移至恒溫恒濕環(huán)境中在水中養(yǎng)護(hù)。水中養(yǎng)護(hù)28 d 之后取出，浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的稀硫酸溶液中，在浸泡之后第7 d、28 d、56 d、91 d 取出試塊，將試塊沿長(zhǎng)度方向切成兩塊，在斷面處噴涂酚酞溶液，觀察并測(cè)量中性化深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，與摻了超細(xì)礦粉的K系列相比，摻了粉煤灰的F系列第7 d的抗壓強(qiáng)度較低，但28 d和91 d的抗壓強(qiáng)度更大。礦粉的化學(xué)成分能夠發(fā)生如式⑴、式⑵所示的火山灰反應(yīng)，且超細(xì)礦粉的比表面積較大，與Ca（OH）2的反應(yīng)速率更快，所以早期強(qiáng)度比F 系列更高。但粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量更高，能夠與更多Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，所以在第28 d和第91 d，F(xiàn)系列的抗壓強(qiáng)度反而更高。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive Strength of Concrete

質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，與同系列其他兩組相比，F(xiàn)1 和K1 在硫酸溶液中浸泡28 d 后的質(zhì)量有所增加，但在浸泡91 d 后的質(zhì)量相比于浸泡前的質(zhì)量有所減小。這可能是因?yàn)镕1 和K1 中礦粉的摻量最高，礦粉的比表面積僅為400 m2/kg，火山灰反應(yīng)速率較慢，消耗Ca（OH）2的量較少。浸泡初期，硫酸與Ca（OH）2發(fā)生如式⑶所示的反應(yīng)，生成二水石膏附著在試塊表面，所以質(zhì)量增加。而長(zhǎng)期浸泡的情況下，考慮到可能發(fā)生如式⑷所示的反應(yīng)，混凝土發(fā)生膨脹使表面附著的物質(zhì)剝落，所以91 d的質(zhì)量大幅減少。

圖2 混凝土質(zhì)量損失率Fig.2 Mass Loss Rate of Concrete

硫酸溶液浸泡0～56 d 的過(guò)程中，F(xiàn) 系列質(zhì)量變化率隨著粉煤灰摻量的增加而減小。

硫酸溶液浸泡0～28 d 的過(guò)程中，K 系列質(zhì)量變化率隨著超細(xì)礦粉摻量的增加而減小。這主要是因?yàn)榉勖夯液统?xì)礦粉與Ca（OH）2發(fā)生了火山灰反應(yīng)，不僅消耗了大量Ca（OH）2，也使混凝土內(nèi)部變得致密，抑制了硫酸的侵入與化學(xué)反應(yīng)。

硫酸中性化試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，硫酸溶液浸泡過(guò)程中，F(xiàn) 系列硫酸中性化深度隨著粉煤灰摻量的增加而減小，K 系列硫酸中性化深度也隨著超細(xì)礦粉摻量的增加而減小，跟質(zhì)量損失試驗(yàn)相同，這也是因?yàn)榉勖夯液统?xì)礦粉的火山灰反應(yīng)使混凝土內(nèi)部變得致密，抑制了硫酸的侵入與化學(xué)反應(yīng)。

圖3 混凝土硫酸中性化深度Fig.3 Depth of Neutralization of Sulfuric Acid

觀察硫酸溶液長(zhǎng)期（91 d）浸泡之后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn) 系列的硫酸中性深度比K 系列要小，這可能是因?yàn)橄啾扔诔?xì)礦粉，粉煤灰的火山灰反應(yīng)更為緩慢，但持續(xù)性較好。所以齡期越長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部越致密，有長(zhǎng)期耐酸的潛在優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

關(guān)于低碳型的耐酸混凝土的試驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

⑴大量摻入礦粉和粉煤灰的混凝土的早期強(qiáng)度雖然不高，但長(zhǎng)期強(qiáng)度發(fā)展較好。

⑵大量摻入粉煤灰和超細(xì)礦粉可以使混凝土內(nèi)部變得更加致密，抑制硫酸的侵入與化學(xué)反應(yīng)，有利于控制混凝土因硫酸侵蝕而發(fā)生的質(zhì)量變化，也可以有效減小硫酸中性化深度。本試驗(yàn)所研發(fā)的低碳型耐酸混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有可行性。