短齡期養(yǎng)護(hù)條件下不同混凝土長(zhǎng)期抗硫酸鹽侵蝕性能對(duì)比*

李方元，唐新軍，胡小虎

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，烏魯木齊830000;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052;3.新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

硫酸鹽侵蝕是混凝土耐久性重要內(nèi)容之一?；炷猎馐芰蛩猁}侵蝕破壞是我國(guó)西北高寒干旱區(qū)(如新疆)，尤其是鹽堿地地區(qū)普遍存在的混凝土病害問(wèn)題?；炷潦芰蛩猁}侵蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的較為復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，影響和評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的因素也較多，如水泥品種、養(yǎng)護(hù)制度、侵蝕溶液濃度、侵蝕齡期等。目前提高混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕能力的研究對(duì)象主要集中為抗硫水泥混凝土和摻超細(xì)摻合料(如粉煤灰、礦渣微粉等)的高性能混凝土[1]，筆者在前期也開(kāi)展過(guò)硫酸鹽水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的研究[2]，但多數(shù)侵蝕試驗(yàn)時(shí)間偏短，侵蝕的時(shí)間效應(yīng)得不到充分體現(xiàn)，從而對(duì)評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能產(chǎn)生不利影響。本文以實(shí)際工程會(huì)遇到基礎(chǔ)混凝土澆筑完成不久或得不到充分養(yǎng)護(hù)時(shí)就遭受硫酸鹽侵蝕的問(wèn)題為試驗(yàn)背景，通過(guò)以往長(zhǎng)達(dá)2年的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，對(duì)比研究了短齡期養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥混凝土、粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽性能的差異，希望能為有硫酸鹽侵蝕性能要求的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較為廣泛的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥:烏魯木齊市青松水泥廠(chǎng)產(chǎn)42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥;烏魯木齊市天山水泥廠(chǎng)產(chǎn)42.5級(jí)高抗硫硅酸鹽水泥;唐山六九水泥廠(chǎng)產(chǎn)42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥(各水泥各項(xiàng)物理指標(biāo)見(jiàn)表1，化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2)。(2)砂:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。(3)粉煤灰:新疆葦湖梁電廠(chǎng)晨科公司產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰(其化學(xué)成分見(jiàn)表2，物理指標(biāo)見(jiàn)表3)。(4)減水劑:FDN高效減水劑。(5)緩凝 劑:分析純硼酸。(6)水:實(shí)驗(yàn)室潔凈的自來(lái)水。

表1 水泥各項(xiàng)物理性能指標(biāo)

表2 水泥和粉煤灰化學(xué)成分及熟料礦物成分

表3 Ⅱ級(jí)粉煤灰物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參考GB/T 749－2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》和GB2420－1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》，制配水灰(膠)比均為0.4的硫鋁酸鹽水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱(chēng)SAC試件)、粉煤灰水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱(chēng)PFAC試件，有30%摻量粉煤灰試件和60%摻量粉煤灰試件)和高抗硫水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱(chēng)HSR試件)，試件配合比見(jiàn)表4，尺寸均為10mm×10mm×60mm。將試件浸泡在淡水、硫酸根離子濃度分別為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸鈉溶液中，進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。為模擬一些實(shí)際工程的基礎(chǔ)混凝土澆筑完成不久就遭受硫酸鹽侵蝕的工況，同時(shí)鑒于硫鋁酸鹽水泥混凝土快硬、早強(qiáng)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期僅為3d的特點(diǎn)，選取SAC試件經(jīng)8h帶模養(yǎng)護(hù)后，即刻拆模進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，而抗硫水泥混凝土和粉煤灰高性能混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期為28d的特點(diǎn)，選取HSR試件和PFAC試件拆模養(yǎng)護(hù)3d后即刻進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。試件經(jīng)浸泡1、2、4、6、8、10、12、18、24月后分別進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，并計(jì)算相應(yīng)的抗折抗蝕系數(shù)K蝕(當(dāng)K蝕≤0.8認(rèn)為試件抗蝕不合格，即試件遭受硫酸鹽侵蝕破壞)見(jiàn)式(1)。

式中K蝕——抗蝕系數(shù);R液——試件浸泡在侵蝕溶液一定齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa;R水——試件浸泡在淡水一定齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa。

表4 膠砂試件配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各水泥膠砂試件在不同濃度硫酸鹽溶液中的抗蝕系數(shù)K蝕隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖1～圖3。從圖中可以看出隨著侵蝕溶液濃度的增大，以及侵蝕齡期的延長(zhǎng)，抗硫水泥混凝土的抗蝕系數(shù)K蝕逐漸減小，且減小幅度要遠(yuǎn)大于SAC試件和PFAC試件。HSR試件浸泡在硫酸根離子濃度分別為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸鹽溶液中，在侵蝕時(shí)間分別達(dá)到10個(gè)月、6個(gè)月、6個(gè)月時(shí)，抗蝕系數(shù)K蝕降低到0.8以下，即認(rèn)為HSR試件遭到侵蝕破壞。說(shuō)明高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽溶液侵蝕的能力具有很大的局限性。以往工程界多習(xí)慣認(rèn)為中抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根離子濃度為2500mg/L的硫酸鹽侵蝕，高抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根離子濃度為8000mg/L的硫酸鹽侵蝕，但這種認(rèn)知存在誤區(qū)，忽略了侵蝕時(shí)間效應(yīng)的影響，不利于指導(dǎo)工程實(shí)踐。對(duì)于有弱硫酸鹽侵蝕的混凝土工程可采用抗硫水泥混凝土，但仍需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證抗侵蝕的可靠性。

圖1 浸泡在SO4 2－濃度為2500mg/L溶液中各類(lèi)型試件抗蝕系數(shù)變化曲線(xiàn)

圖2 浸泡在SO42－濃度為8000mg/L溶液中各類(lèi)型試件抗蝕系數(shù)變化曲線(xiàn)

圖3 浸泡在SO42－濃度為20250mg/L溶液中各類(lèi)型試件抗蝕系數(shù)變化曲線(xiàn)

30%PFAC試件浸泡在在硫酸根離子濃度為2500mg/L的硫酸鹽溶液中長(zhǎng)達(dá)24個(gè)月時(shí)抗蝕系數(shù)K蝕仍在 0.9左右;浸泡在在硫酸根離子濃度為8000mg/L硫酸鹽溶液中達(dá)24個(gè)月時(shí)抗蝕系數(shù)K蝕降至0.8，達(dá)到臨界破壞點(diǎn);浸泡在在硫酸根離子濃度為20250mg/L硫酸鹽溶液中達(dá)12個(gè)月時(shí)，抗蝕系數(shù)K蝕將至0.8以下，即認(rèn)為試件遭受侵蝕破壞。從中可以看出相同條件下PFAC試件的長(zhǎng)期抗硫酸鹽侵蝕能力要高于HSR試件，已有研究[3，4]表明這歸因于粉煤灰的微集料填充效應(yīng)、替代作用和二次水化效應(yīng)顯著地改善了混凝土的空隙結(jié)構(gòu)和砂石骨料界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度，同時(shí)減低了化學(xué)侵蝕內(nèi)因的減少。但試驗(yàn)結(jié)果也可以看出隨著侵蝕溶液濃度的增大及侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，30%PFAC試件也在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)遭受侵蝕破壞，說(shuō)明小摻量的粉煤灰高性能混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力還是有一定的局限性。但60%PFAC試件在各濃度硫酸侵蝕溶液中侵蝕達(dá)到24個(gè)月時(shí)，試件抗抗蝕系數(shù)K蝕仍大于1.0，說(shuō)明大摻量的粉煤灰高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力得到顯著地改善，可以較好地抵抗高濃度硫酸鹽溶液的長(zhǎng)期侵蝕。但大摻量的粉煤灰也易導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度普遍偏低[5]，不適宜用于有快硬、早強(qiáng)要求的混凝土工程;有弱硫酸鹽侵蝕的混凝土工程可采用小摻量的粉煤灰高性能混凝土，但需通過(guò)具體的試驗(yàn)論證。

SAC試件浸泡在在硫酸根離子濃度為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L硫酸鹽溶液中24個(gè)月時(shí)K蝕均大于1.0。說(shuō)明硫鋁酸鹽水泥混凝土具有長(zhǎng)期抗硫酸鹽侵蝕的優(yōu)越性能，這主要?dú)w因于其特殊的微膨脹性的水化進(jìn)程使得混凝土具有高密實(shí)度以及化學(xué)侵蝕內(nèi)因的減少[2]。加之硫鋁酸鹽水泥混凝土是一種低燒成溫度、低碳排放的綠色水泥，以及快硬、早強(qiáng)、負(fù)溫工作性能好的特點(diǎn)[6]，使其在我國(guó)西北高寒干旱區(qū)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。建議對(duì)于即有快硬、早強(qiáng)要求，又有較高抗硫酸鹽侵蝕性能要求的混凝土工程優(yōu)先使用硫鋁酸鹽水泥混凝土。

3 結(jié)論

(1)硫鋁酸鹽水泥混凝土和大摻量(60%)粉煤灰高性能混凝土具有長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力，小摻量(30%)粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力具有局限性。

(2)齡期養(yǎng)護(hù)條件下各種混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕性能的優(yōu)劣順序表現(xiàn)為:硫鋁酸鹽水泥混凝土(SAC混凝土)＞大摻量粉煤灰高性能混凝土(60%PFAC混凝土)＞小摻量粉煤灰高性能混凝土(30%PFAC混凝土)＞高抗硫水泥混凝土(HSR混凝土)。

(3)評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力應(yīng)充分重視侵蝕的時(shí)間效應(yīng)，短時(shí)間段(如6個(gè)月或12個(gè)月)的侵蝕試驗(yàn)并不能充分反映出混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。對(duì)此還應(yīng)開(kāi)展建立混凝土抗侵蝕能力與混凝土設(shè)計(jì)使用壽命的關(guān)系研究。

[1]韓宇棟，張君，高原混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究評(píng)書(shū)[J].混凝土，2011(1):52～55.

[2]李方元，唐新軍，胡全，等.硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能[J].混凝土與水泥制品，2012(10):1－6.

[3]梁詠寧，王佳，林旭健.摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J].混凝土，2011(2):63 ～65.

[4]李鵬，胡新麗，李雙喜等.粉煤灰高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕研究[J].粉煤灰綜合利用，2006(6):43 －46.

[5]李雙喜，唐新軍，孫兆雄.摻II級(jí)粉煤灰高性能混凝土的力學(xué)性能研究[J].混凝土，2011(4):86～88.

[6]吳兆奇，劉克忠.我國(guó)特種水泥的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1992，20(4):365 －373.