高鈣粉煤灰和硫酸鹽對混凝土力學與耐久性影響研究

摘 要：針對普通混凝土受硫酸鹽侵蝕出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能劣化的問題，提出通過高鈣粉煤灰增強混凝土的耐鹽性。試驗研究了硫酸鹽濃度對普通混凝土的影響規(guī)律，探究了粉煤灰摻量對混凝土耐鹽性的影響。試驗結(jié)果表明，硫酸鈉濃度越大，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越大。在硫酸鈉濃度為5%的條件下，10%摻量的粉煤灰混凝土耐久性最佳。經(jīng)過180 d干濕循環(huán)后，試件質(zhì)量比初始試件質(zhì)量降低約1.01%，抗壓強度約為初始抗壓強度的0.79倍，劈裂抗拉強度約為初始劈裂抗拉強度的0.67倍，對混凝土的耐鹽性起到很好的改善作用。

關(guān)鍵詞：粉煤灰混凝土；干濕循環(huán)；硫酸鹽侵蝕；耐久性評價

中圖分類號：TQ177.6 + 7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0073-04

Study on the influence of high-calcium fly ash and sulfate onthe mechanics and durability of concrete

ZHANG Chengxiang

（Gushi County Construction Engineering Quality and Safety Technology Station，Xinyang 465200，Henan China）

Abstract：In response to the problem of structural performance deterioration of ordinary concrete due to sulfate at?tack，it was proposed to enhance the salt resistance of concrete through high calcium fly ash. The influence of sul?fate concentration on ordinary concrete was studied，and the effect of fly ash content on the salt tolerance of concretewas explored. The experimental results indicated that the higher the concentration of sodium sulfate，the greater thedamage to the internal structure of concrete. Under the condition of 5% sodium sulfate concentration，the durabilityof fly ash concrete with a 10% dosage was the best. After 180 days of wet and dry cycling，the mass of the specimendecreased by about 1.01% compared to the initial specimen，and the compressive strength was about 0.79 times theinitial compressive strength. The splitting tensile strength was about 0.67 times the initial splitting tensile strength，which greatly improved the salt resistance of concrete.

Key words：fly ash concrete；dry wet cycle；sulfate erosion；durability evaluation

混凝土在使用過程中，易受硫酸鹽侵蝕，對其安全性產(chǎn)生較大的影響。對此，部分學者也進行了很多研究，如通過添加引氣劑和聚丙烯纖維對混凝土的耐久性進行增強 [1] 。以C30混凝土為再生粗骨料，采用鐵尾礦砂取代天然河砂，制備出再生混凝土，并對力學性能和耐久性進行研究 [2] 。通過混雜纖維和粉煤灰對輕骨料混凝土力學與耐久性能進行增強 [3] 。分析了混凝土粉煤灰對混凝土的力學性能和耐久性的影響 [4] 。

以上學者的研究為粉煤灰混凝土的耐久性的提升提供了參考，但在粉煤灰摻量和提升效果方面還有進一步研究的空間?；诖?，本試驗以文獻[5]方法為參考，通過高鈣粉煤灰增強混凝土的耐鹽性，并對其增強效果進行研究。

1 試驗部分

1. 1 材料與設(shè)備

主要材料：粉煤灰（I 級，海濱礦產(chǎn)品）；水泥（P·O42.5，眾鑫新型建筑材料）；河砂（I級，匯鑫礦業(yè)）；碎石（II級，永順礦產(chǎn)品）；減水劑（AR，鴻泉化工科技）；纖維（標準品，順通工程材料）。

主要設(shè)備：WAW型微機伺服萬能試驗機（文騰試驗儀器）；SNJ-3型攪拌機（盛世慧科）。

1. 2 試驗方法

（1）按照表1配比依次將水泥、粉煤灰、粗細骨料和纖維放入混凝土攪拌機內(nèi)進行干拌，干拌試件時間為120 s；

（2）將水與減水劑提前混合，然后放入攪拌機內(nèi)攪拌5 min，得到纖維粉煤灰混凝土；

（3）將制備的混凝土倒入模具中，常溫養(yǎng)護1 d后脫模，標準養(yǎng)護30 d進行測試。

1. 3 性能測試

干濕循環(huán)試驗：參照GB/T 50082—2009中的方法進行干濕循環(huán)試驗 [6-7] 。

力學性能測試：通過萬能試驗機對干濕循環(huán)前后材料的力學性能進行測試。

2 結(jié)果與討論

2. 1 硫酸鈉質(zhì)量濃度的影響

2. 1. 1 表觀變化分析

圖1為經(jīng)過不同質(zhì)量濃度硫酸鈉干濕循環(huán)后混凝土表觀情況。

由圖1可觀察到，經(jīng)過180d循環(huán)后，混凝土試件呈現(xiàn)出不同程度的損傷。硫酸鈉溶液濃度越大，試件破壞的越厲害。當硫酸鈉質(zhì)量濃度增加至10%時，混凝土邊緣部分骨料脫落，在周圍還出現(xiàn)了較大較明顯的裂縫。這就說明在該硫酸鈉濃度下，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到了嚴重的破壞。以上變化就說明了硫酸鈉溶液對混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴重的腐蝕，對混凝土的強度產(chǎn)生影響。

圖2為質(zhì)量變化曲線。

由圖2可知，在硫酸鈉質(zhì)量濃度為2%時，混凝土質(zhì)量隨干濕循環(huán)周期的增加而增加，直至150 d循環(huán)周期才開始下降。180 d時，質(zhì)量仍高于初始質(zhì)量。而在硫酸鈉質(zhì)量濃度為5%和10%時，隨干濕循環(huán)周期的增加，試件質(zhì)量明顯下降。其中，試件在硫酸鈉溶液質(zhì)量濃度為5%時質(zhì)量峰值出現(xiàn)在循環(huán)周期為105d，經(jīng)過 180 d 循環(huán)后，試件質(zhì)量較初始質(zhì)量降低約1.18%。而試件在硫酸鈉溶液質(zhì)量濃度10%時質(zhì)量峰值出現(xiàn)在循環(huán)周期為75 d，經(jīng)過180 d循環(huán)后，試件質(zhì)量較初始質(zhì)量降低約2.96%。以上數(shù)據(jù)變化說明，2%質(zhì)量濃度的硫酸鈉對混凝土試件侵蝕較為緩慢，經(jīng)過180 d循環(huán)后，不能使混凝土試件出現(xiàn)質(zhì)量損失。

質(zhì)量濃度10%硫酸鈉會快速侵蝕混凝土內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。

2. 1. 2 抗壓強度變化

圖3為混凝土抗壓強度變化結(jié)果。

由圖3可觀察到，硫酸鈉質(zhì)量濃度不同，抗壓強度峰值出現(xiàn)的時間點也有較大差異。其中質(zhì)量濃度為10%的硫酸鈉溶解，試件抗壓強度峰值在第 30 d 循環(huán)中出現(xiàn)，而質(zhì)量濃度 5%硫酸鈉試件抗壓強度峰值出現(xiàn)在第60 d循環(huán)，質(zhì)量濃度2%硫酸鈉峰值出現(xiàn)在 90 d 循環(huán)。同時還能從圖 3 中觀察到，在初始抗壓強度相同的情況下，在不同質(zhì)量濃度硫酸鈉溶液中循環(huán)180 d后，混凝土抗壓強度大小分別為2%、5%、10%。該結(jié)論與質(zhì)量損失結(jié)果一致。

2. 1. 3 劈裂抗拉強度

圖4為劈裂抗拉強度變化。

由圖4可知，試件劈拉強度變化與抗壓強度變化趨勢相近，均為10%硫酸鈉溶液中的試件先達到峰值，然后是5%，最后為2%。同樣的，當循環(huán)周期進行至180 d后，試件劈拉強度大小則隨硫酸鈉溶液質(zhì)量濃度增加而降低。

2. 2 粉煤灰摻量優(yōu)化

2. 2. 1 表觀及質(zhì)量變化

圖5為粉煤灰表觀情況變化。

由圖5可知，隨混凝土內(nèi)粉煤灰摻量的增加，混凝土破壞情況先變好再變差。其中粉煤灰摻量為20%的試件表觀狀態(tài)最好，表面只有少量的孔隙和沙化，裂縫數(shù)量和棱角混凝土的脫落均相對較少。FA10試件雖然有孔洞，但并未出現(xiàn)大面積脫落。

通過測試干濕循環(huán)周期中混凝土質(zhì)量變化對混凝土在循環(huán)過程中的脫落情況進行表征，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，隨干濕循環(huán)周期的增加，所有混凝土質(zhì)量峰值出現(xiàn)時間基本一致，均在105～120 d。當干濕循環(huán)周期增加至150 d時，混凝土試件質(zhì)量均明顯高于初始質(zhì)量，說明循環(huán)至該周期時，混凝土試件并未出現(xiàn)成分脫落的情況。當循環(huán)周期提升至165 d時，各組試件質(zhì)量已經(jīng)明顯低于初始質(zhì)量，這就說明當干濕循環(huán)進行至該周期時，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始出現(xiàn)了嚴重的破壞，此時混凝土表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯脫落現(xiàn)象。當循環(huán)周期進行至180 d時，F(xiàn)A20混凝土試件質(zhì)量損失最小，僅比初始質(zhì)量降低了0.787%。其次為FA10試件，比初始試件質(zhì)量降低約1.01%。出現(xiàn)這個變化的主要原因在于，在干濕循環(huán)剛開始進行的階段，硫酸鈉溶液滲透進混凝土內(nèi)部，硫酸根離子與混凝土內(nèi)成分生反應(yīng)生產(chǎn)鈣礬石。再加上硫酸鈉進入混凝土內(nèi)，生成硫酸鈉結(jié)晶水，使得混凝土質(zhì)量有所增加 [8-9] 。隨干濕循環(huán)的進行，硫酸根離子對混凝土內(nèi)部的C—S—H凝膠有消耗作用，這就降低了混凝土的粘接性能 [10-11] 。

2. 2. 2 抗壓強度變化

圖7為抗壓強度變化。

由圖7可觀察到，粉煤灰摻量越大，干濕循環(huán)前混凝土試件的抗壓強度越低。隨干濕循環(huán)的進行，混凝土抗壓強度在60 d左右達到峰值。當干濕循環(huán)周期達到180 d時，F(xiàn)A10試件抗壓強度降低最少，約為初始抗壓強度的0.79倍。而隨著干濕循環(huán)周期的增加，混凝土內(nèi)部的孔隙逐漸被填滿，但內(nèi)部還在不斷發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物，在膨脹應(yīng)力的作用下試件出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，這就增加了硫酸鹽與混凝土試件的接觸面積，使其快速生成侵蝕產(chǎn)物 [12-13] 。再加上隨反應(yīng)的進行，混凝土內(nèi)部的C-S-H 凝膠不斷被消耗，降低了混凝土內(nèi)部骨料的粘接性能，使得混凝土抗壓強度明顯降低 [14-15] 。

結(jié)合質(zhì)量變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，混凝土試件抗壓強度峰值時間要早于質(zhì)量峰值出現(xiàn)的時間，這就說明在混凝土質(zhì)量增長時期，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)了一定的損傷，在該階段，混凝土質(zhì)量雖然在不斷增加，但抗壓強度不斷下降 [16-17] 。這是因為在該階段內(nèi)，混凝土的質(zhì)量損失小于結(jié)晶水停留在混凝土內(nèi)部帶來的質(zhì)量增加。

2. 2. 3 劈裂抗拉強度

圖8為混凝土劈裂抗壓強度變化。

由圖8可知，混凝土劈裂抗拉強度變化較為接近。FA10混凝土試件劈裂抗拉強度約為初始劈裂抗拉強度的0.67倍，這就說明摻入粉煤灰后，混凝土的韌性和強度均受到一定影響 [18-20] 。

綜上，10%摻量的粉煤灰混凝土對質(zhì)量濃度5%的硫酸鈉的耐性最好。在經(jīng)過180 d循環(huán)后，試件質(zhì)量比初始試件質(zhì)量降低約1.01%，抗壓強度約為初始抗壓強度的0.79倍，劈裂抗拉強度約為初始劈裂抗拉強度的0.67倍。

3 結(jié)語

（1）不同質(zhì)量濃度的硫酸鈉對混凝土的腐蝕效果也有差異，硫酸鈉質(zhì)量濃度越大，對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞越大；

（2）在硫酸鈉質(zhì)量濃度為5%的條件下，10%摻量的粉煤灰混凝土耐久性最佳。經(jīng)過180 d干濕循環(huán)后，試件質(zhì)量比初始試件質(zhì)量降低約1.01%，抗壓強度約為初始抗壓強度的0.79倍，劈裂抗拉強度約為初始劈裂抗拉強度的0.67倍。

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