粉煤灰摻量對(duì)引氣混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響*

王 森，王蒼麗

（北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100010）

0 前言

鹽漬地區(qū)在混凝土施工過(guò)程中，由于鹽類物質(zhì)的存在極易誘發(fā)嚴(yán)重的混凝土鹽類侵蝕損害現(xiàn)象，特別是我國(guó)西部的鹽堿地區(qū)以及沿海部分地區(qū)，關(guān)于混凝土鹽類物質(zhì)侵蝕損害的報(bào)道越來(lái)越多[1-3]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)新疆地區(qū)鹽漬土地的面積超過(guò)了15 萬(wàn)km2，大約可以占到總面積的10%左右，此類鹽漬地區(qū)存在著大量的鹽類侵蝕物質(zhì)，特別是硫酸鹽的含量較多，在硫酸鹽溶液浸泡環(huán)境下混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易受到侵蝕破壞，使混凝土試件的使用壽命大幅度降低，嚴(yán)重影響鹽漬地區(qū)混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全[4-7]。因此，研究如何提高此類環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕性能，顯得十分必要。

在混凝土中加入引氣劑能夠有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在鹽類物質(zhì)侵蝕環(huán)境下應(yīng)使用引氣混凝土，以延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，并規(guī)定引氣混凝土中的含氣量應(yīng)該大于4%[8]。另外，有研究結(jié)果表明，粉煤灰的摻入對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響比較大，由于粉煤灰特殊的活性結(jié)構(gòu)，其加入到混凝土中以后會(huì)與水泥膠凝材料產(chǎn)生反應(yīng)，生成新的物質(zhì)可以有效填充混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部孔隙，使混凝土試件的密實(shí)度增大，進(jìn)而增強(qiáng)其在硫酸鹽等鹽類物質(zhì)溶液中的抗侵蝕能力[9-13]。然而調(diào)研資料發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)粉煤灰對(duì)引氣混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力方面的研究還比較少。因此，本文以不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土為研究對(duì)象，在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了不同摻量的粉煤灰，對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)引氣混凝土試件質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度的影響，為提高鹽漬地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的抗硫酸鹽侵蝕性能提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥（P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥）的具體物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1；試驗(yàn)用粉煤灰（一級(jí)粉煤灰）的具體組成見(jiàn)表2；試驗(yàn)用粗骨料（普通碎石）的粒徑范圍為5～20 mm，表觀密度為2 692 kg/m3；試驗(yàn)用細(xì)骨料（普通河砂）的細(xì)度模數(shù)為2.75，表觀密度為2 746 kg/m3；試驗(yàn)用減水劑（高性能聚羧酸型減水劑MNF-1）的減水率為30%；試驗(yàn)用引氣劑（粉末狀引氣劑SY-2）的主要成分為陰離子型表面活性劑；試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)用水泥物理性能指標(biāo)Table 1 The physical property index of cement for test

表2 試驗(yàn)用粉煤灰組成Table 2 The composition of fly ash for test

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

采用等量的粉煤灰代替水泥，對(duì)試驗(yàn)用混凝土的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中C30 混凝土水膠比為0.38，砂率為34%；C35 混凝土水膠比為0.36，砂率為33%；C40 混凝土水膠比為0.34，砂率為32%。不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土具體配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 C30 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 The C30 concrete mix proportion design results

表4 C35 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 4 The C35 concrete mix proportion design results

表5 C40 混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 5 The C40 concrete mix proportion design results

1.3 試驗(yàn)方法

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)”部分的相關(guān)規(guī)定，在硫酸鹽溶液干濕循環(huán)試驗(yàn)環(huán)境中，評(píng)價(jià)了粉煤灰摻量對(duì)引氣混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響?；炷猎嚰某叽缇鶠?0 mm×40 mm×160 mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為均為28 d，試驗(yàn)用硫酸鹽溶液均為5%Na2SO4溶液，干濕循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)均為150 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰摻量對(duì)不同強(qiáng)度混凝土試件質(zhì)量損失率的影響

按照1.2 中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果和1.3 中的試驗(yàn)方法，考察了不同粉煤灰摻量時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)過(guò)150 次硫酸鹽干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土質(zhì)量損失率的影響Fig.1 The influence of fly ash content on the mass loss rate of concrete with different strength grades

由圖1 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土試件經(jīng)過(guò)150 次硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后，質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出“先減小后增大”的趨勢(shì)，并且引氣混凝土試件的強(qiáng)度等級(jí)越高，質(zhì)量損失率相對(duì)就越小。強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的空白引氣混凝土試件的質(zhì)量損失率分別為2.01%、1.84%和1.61%，當(dāng)摻入20%的粉煤灰后，不同強(qiáng)度等級(jí)引氣混凝土試件的質(zhì)量損失率均可以達(dá)到最小，質(zhì)量損失率可分別降低至1.23%、1.16%和1.05%，均明顯小于空白混凝土試件，并且混凝土試件的完整性較好。而當(dāng)粉煤灰的摻量繼續(xù)增大至40%以后，不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土試件的質(zhì)量損失率均又明顯升高，強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的混凝土試件的質(zhì)量損失率分別為2.54%、2.31%和1.94%，都明顯高于空白混凝土試件。綜合以上結(jié)果，說(shuō)明粉煤灰的摻入可以有效降低引氣混凝土試件在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率，但其添加量并非越大越好，從質(zhì)量損失率的角度考慮，粉煤灰的最佳摻量為20%。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)不同強(qiáng)度混凝土試件抗壓強(qiáng)度的影響

按照1.2 中配合比設(shè)計(jì)結(jié)果和1.3 中的試驗(yàn)方法，考察了不同粉煤灰摻量時(shí)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土經(jīng)過(guò)150 次硫酸鹽干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The influence of fly ash content on the compressive strength of concrete with different strength grades

由圖2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量的不斷增大，不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土試件經(jīng)過(guò)150 次硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，并且引氣混凝土試件的強(qiáng)度等級(jí)越高，抗壓強(qiáng)度值相對(duì)就越高。強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的空白混凝土試件經(jīng)過(guò)150 次干濕循環(huán)試驗(yàn)后的抗壓強(qiáng)度分別降低至32.9 MPa、38.7 MPa 和42.6 MPa，而摻入20%粉煤灰的混凝土試件抗壓強(qiáng)度值則可以分別升高至45.8 MPa、50.6 MPa 和61.8 MPa，抗壓強(qiáng)度均得到大幅度的提升。繼續(xù)提高粉煤灰的摻量，不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土試件抗壓強(qiáng)度值又會(huì)出現(xiàn)明顯下降，當(dāng)粉煤灰的摻量增大至40%后，強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度則分別降低至29.4 MPa、37.5 MPa 和42.6 MPa，抗壓強(qiáng)度值均低于空白混凝土試件。單獨(dú)從抗壓強(qiáng)度的角度考慮，粉煤灰的最佳摻量同樣為20%。

綜上所述，在相同的試驗(yàn)條件下，粉煤灰的摻量越大，不同強(qiáng)度等級(jí)（C30、C35 和C40）的引氣混凝土試件的質(zhì)量損失率均呈現(xiàn)出“先減小后增大”的趨勢(shì)，而抗壓強(qiáng)度值則均呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，存在一個(gè)最佳的粉煤灰摻量（20%），使不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土試件的質(zhì)量損失率達(dá)到最低，而使抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大。表明粉煤灰的摻入能夠有效提高不同強(qiáng)度等級(jí)引氣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，但并非粉煤灰的摻量越大越好。這是由于粉煤灰中含有的活性氧化硅和氧化鋁等成分可以與水泥中的氫氧化鈣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成含水硅酸鈣以及鋁酸鈣等物質(zhì)，可以起到降低混凝土中氫氧化鈣含量的作用，從而使鈣礬石以及石膏等成分的含量有所降低，在鹽類物質(zhì)浸泡過(guò)程中可以緩解鹽類結(jié)晶膨脹；另外，粉煤灰的摻入還能有效降低引氣混凝土內(nèi)部的孔隙率，增大了混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度。但當(dāng)粉煤灰的摻量增大到一定程度時(shí)，又會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。因此，綜合考慮引氣混凝土的抗壓強(qiáng)度以及質(zhì)量損失率等因素，在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)條件下，為了最大限度地提高其抗硫酸鹽侵蝕的能力，推薦三種不同強(qiáng)度等級(jí)（C30、C35 和C40）的引氣混凝土中粉煤灰的最佳摻量為20%。

3 結(jié)論及建議

（1）粉煤灰的摻入能夠有效降低三種不同強(qiáng)度等級(jí)引氣混凝土試件在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后的質(zhì)量損失率，粉煤灰的摻量達(dá)到20%時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的混凝土試件的質(zhì)量損失率分別為1.23%、1.16%和1.05%，明顯低于空白混凝土試件的2.01%、1.84%和1.61%，而粉煤灰的摻量過(guò)大時(shí)，又會(huì)使混凝土試件的質(zhì)量損失率增大。

（2）三種不同強(qiáng)度等級(jí)的引氣混凝土中摻入粉煤灰后均可以有效提高其抗壓強(qiáng)度值，經(jīng)過(guò)150 次硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)后，摻入20%粉煤灰的混凝土試件抗壓強(qiáng)度值最大，強(qiáng)度等級(jí)為C30、C35 和C40 的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別為45.8 MPa、50.6 MPa 和61.8 MPa，明顯高于空白混凝土試件的32.9 MPa、38.7 MPa 和42.6 MPa，而粉煤灰的摻量過(guò)大時(shí)，又會(huì)降低混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值。

（3）綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，建議在硫酸鹽溶液侵蝕條件下可以適當(dāng)摻入一定量的粉煤灰，但應(yīng)注意控制粉煤灰的摻量，使其能夠最大限度地提高引氣混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕能力，確保混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命得到延長(zhǎng)。