摻Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究

張瑞佳，朱永斌，李雙喜，魏 娟，李 濤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，830052)

混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是耐久性中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。研究表明，抗硫酸鹽水泥混凝土其抵抗硫酸鹽侵蝕的能力有一定局限性，提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。在普通水泥拌制混凝土?xí)r摻入一定量的超細(xì)摻合料，可有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性，效果良好?，F(xiàn)以Ⅱ級(jí)粉煤灰為超細(xì)摻合料，研究用其提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能[1]。

1 材料和方法

1.1 材料

(1)水泥:采用新疆青松水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通水泥，3d抗壓強(qiáng)度為 25.3MPa，28d抗壓強(qiáng)度為49.7MPa，C3S55.09%，C3A6.57%，安定性合格;(2)粉煤灰:新疆烏市葦湖梁華電電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量4.0%，需水量比 87.3%，細(xì)度 17.2%。(3)砂:符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》要求的標(biāo)準(zhǔn)砂;(4)減水劑:新疆中材精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的FDN萘系高效減水劑，最佳摻量為 1.0%

1.2 方法

參照GB/T749-2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》中K法，即“浸泡抗蝕性能試驗(yàn)方法”，將制備好的膠砂試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，浸泡在不同的侵蝕溶液中進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，到規(guī)定侵蝕齡期后測(cè)定試件抗蝕系數(shù)，以此來評(píng)定抗侵蝕性能力，見式(1)。

式中:f侵蝕溶液為膠砂試件浸泡在侵蝕溶液中規(guī)定齡期的抗折強(qiáng)度(MPa);f淡水為膠砂試件浸泡在淡水中與侵蝕溶液中試件同齡期的抗折強(qiáng)度(MPa)。

當(dāng)K≤0.8時(shí)，認(rèn)為試件抗侵蝕不合格，即試件遭受侵蝕破壞。

2 試驗(yàn)方案

為分析Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量及水膠比對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，本試驗(yàn)制作了水膠比分別為0.40、0.35，Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量分別為0、30%和40%的膠砂試件。上述膠砂試件的配合比見表1。由于時(shí)間有限，在確定侵蝕時(shí)間時(shí)，總的試驗(yàn)時(shí)間確定為10個(gè)月，因此，浸泡時(shí)間取1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月，10個(gè)月。

表1 膠砂試件的配合比

參照中抗硫水泥、高抗硫水泥的適用范圍以及水泥抗硫酸鹽侵蝕測(cè)試方法，初步選用硫酸根離子濃度分別為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸鈉溶液作為模擬侵蝕溶液。通過硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，測(cè)試不同浸泡時(shí)間試件的抗折強(qiáng)度，計(jì)算抗折系數(shù)，分析Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量、水膠比等因素對(duì)混凝土抗侵蝕性能的影響及侵蝕破壞與時(shí)間的效應(yīng)關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同水膠比(0.40、0.35)、不同粉煤灰摻量(30%、40%)的粉煤灰混凝土的膠砂試件在不同濃度硫酸鹽侵液中侵蝕28d、2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月、10個(gè)月齡期的抗折強(qiáng)度、抗蝕系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2。

以各侵蝕齡期的抗蝕系數(shù)K≥0.8為抗侵蝕合格標(biāo)準(zhǔn)。分析侵蝕試驗(yàn)結(jié)果，并以10個(gè)月抗蝕齡期和其相應(yīng)能抵抗侵蝕的最大硫酸鹽侵蝕溶液濃度值判別抗蝕能力，可得到如下規(guī)律性的結(jié)果。

表2 養(yǎng)護(hù)28d試件在4種侵蝕溶液中不同浸泡時(shí)間的抗折強(qiáng)度與抗蝕系數(shù)

(1)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能主要受粉煤灰摻量、水膠比的影響，其中，Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響更為顯著。在水膠比一定情況下，隨Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增大，試件的抗蝕系數(shù)增大;在Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量一定下，隨水膠比的降低，試件的抗蝕系數(shù)逐漸增大。說明采用較大的粉煤灰摻量并控制較小的水膠比有利于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

(2)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為30%，水膠比為0.40、0.35兩種試件在硫酸根離子濃度為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L溶液中經(jīng)過10個(gè)月的浸泡，各水膠比試件的抗蝕系數(shù)在各侵蝕齡期一直保持較高的水平。

(3)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為40%，水膠比為0.4、0.35 兩種試件在硫酸根離子濃度為2500 mg/L、8000 mg/L、20250mg/L溶液中經(jīng)過10個(gè)月的浸泡，各水膠比試件的抗蝕系數(shù)在各侵蝕齡期一直保持較高的水平。

(4)水灰比0.40純水泥普通混凝土膠砂試件，其抗蝕能力總水平較差，抵抗不了濃度2500mg/L硫酸鹽環(huán)境水侵蝕。這告訴我們，在工程建設(shè)中，要提高混凝土的抗蝕能力，僅提高混凝土的強(qiáng)度是抵抗不了硫酸鹽侵蝕的，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，盡可能多摻加超細(xì)摻合料。

上述結(jié)果表明:當(dāng)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量提高至30%以上時(shí)，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力有明顯的提高，特別當(dāng)水膠比控制在0.4時(shí)，其抗硫酸鹽侵蝕能力得到大幅度提高，可以抵抗硫酸根離子濃度小于等于20250 mg/L溶液的侵蝕。

3.2 侵蝕破壞的微觀試驗(yàn)結(jié)果

硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕基本機(jī)理是隨環(huán)境水侵入水泥石中的硫酸鹽與水泥石結(jié)構(gòu)內(nèi)的正常水化產(chǎn)物Ca(OH)2、水化鋁酸鈣CAH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物石膏CaSO4·2H2O和鈣礬石Aft[3]。

在侵蝕情況下，混凝土發(fā)生侵蝕的微觀特征究竟是什么樣?讓我們仔細(xì)、認(rèn)真觀察本項(xiàng)目微觀試驗(yàn)研究中所獲取的侵蝕水泥石微觀電鏡掃描圖，得出一些結(jié)論:

(1)水灰比為0.40的普通混凝土，無法抵抗硫酸根離子濃度2500～20250mg/L硫酸鹽溶液侵蝕，其水泥石孔隙中侵蝕產(chǎn)物以石膏為主，侵蝕現(xiàn)象主要發(fā)生在試件的表層，具體形態(tài)表現(xiàn)為試件表層逐漸疏松、剝落。詳見圖1。

圖1 A試件，在濃度為8000mg/L的溶液中浸泡6個(gè)月，水泥石生成了大量的石膏CaSO4·2H2O

(2)水膠比為0.40以下、粉煤灰摻量30%及其以上的高性能混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期為28d，在硫酸根離子濃度為20250mg/L硫酸鹽溶液中侵蝕10個(gè)月，水泥石孔隙中未找到侵蝕產(chǎn)物，這和宏觀結(jié)果相一致。這說明該混凝土較為密實(shí)，見圖2～圖3。

圖2 B試件，密實(shí)的粉煤灰混凝土，粉煤灰顆粒微集料填充作用明顯

圖3 D試件，在濃度為20250mg/L的溶液中浸泡10個(gè)月，水泥石孔隙內(nèi)只有少量Aft

3 結(jié)論

(1)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰膠砂試件的抗蝕能力明顯高于不摻粉煤灰的普通水泥膠砂試件，說明利用Ⅱ級(jí)粉煤灰可以顯著提高混凝土的抗侵蝕性能。

(2)摻Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能主要受粉煤灰摻量、水膠比的影響，其中，Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗侵蝕性能的影響最為顯著。在水膠比一定情況下，隨Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量的增大，試件的抗蝕系數(shù)增大;在Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量一定下，隨水膠比的降低，試件的抗蝕系數(shù)逐漸增大。說明采用較大的粉煤灰摻量并控制較小的水膠比有利于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

(3)采用低水膠比配制的膠砂試件經(jīng)過高濃度硫酸鹽侵蝕溶液浸泡后，發(fā)生侵蝕破壞的具體形態(tài)主要表現(xiàn)為試件表層逐漸疏松、剝落，在試件表層發(fā)生石膏結(jié)晶膨脹，造成試件表層逐漸疏松破壞。

(4)不摻粉煤灰的普通膠砂試件水泥石中孔隙的最大孔徑都比摻粉煤灰試件的孔隙最大孔徑要大，而且孔隙分布也多，由此，造成外部侵蝕介質(zhì)容易侵入普通混凝土中，因此其抗硫酸鹽侵蝕能力就差。而摻粉煤灰膠砂試件(特別大摻量粉煤灰試件)，由于粉煤灰的微集料填充作用充分和后期水化作用明顯，使得試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，同時(shí)，大摻量Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)水泥的置換減少了硅酸三鈣的含量(即相應(yīng)減少了水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣)，加之粉煤灰本身與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)(生成水化硅酸鈣)，又進(jìn)一步減少了氫氧化鈣的含量，即產(chǎn)生侵蝕性產(chǎn)物的內(nèi)因大大減少了，故而，其抵抗硫酸鹽侵蝕的能力更強(qiáng)。

[1]李雙喜，王志明、唐新軍.高爐?；V渣粉用于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(4):340-344.

[2]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.

[3]李雙喜、唐新軍、張靜華.新疆某重點(diǎn)工程西干渠混凝土板破壞機(jī)理研究[J].人民黃河，2012，34(1):147～148.