外摻氧化鎂混凝土在硫酸鹽、鎂鹽耦合作用下的抗侵蝕性能研究

劉國(guó)強(qiáng) 張貞強(qiáng) 王建林 鄭同鑫 白學(xué)偉 孫玉龍

（1西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207；3甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；4蘭州新區(qū)圣夏建材有限公司，甘肅 蘭州 730314）

在混凝土工程中，鹽漬土對(duì)其具備顯著的腐蝕性，并對(duì)構(gòu)筑物基礎(chǔ)和地下設(shè)施構(gòu)成了較嚴(yán)酷的侵蝕環(huán)境，影響其耐久性和安全性。

本課題組通過(guò)對(duì)多年收集的蘭州地區(qū)土質(zhì)大量數(shù)據(jù)的分析研究，在前期試驗(yàn)條件下，利用氧化鎂遇水溶解，生成氫氧化鎂晶體形成宏觀膨脹，且基本不與水泥漿體中其他組分發(fā)生反應(yīng)的特性，以此為手段來(lái)保障混凝土較好的體積穩(wěn)定性，從而提高混凝土的抗?jié)B性能及抗腐蝕性能[1]。針對(duì)氧化鎂膨脹劑在寒旱地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境中的適應(yīng)性問(wèn)題進(jìn)行有益的探索，得到該環(huán)境下氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土物理力學(xué)和抗侵蝕性能的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到降低普通混凝土的孔隙率，改善其孔結(jié)構(gòu)，提高普通混凝土密實(shí)性的目的[2]，為混凝土工程建設(shè)在此類(lèi)嚴(yán)酷環(huán)境下改善混凝土的耐久性提供一個(gè)創(chuàng)新的思路。

1 試驗(yàn)材料

水泥：實(shí)驗(yàn)使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，比表面積320m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量25.5%，安定性合格。

骨料：試驗(yàn)用粗骨料采用碎石，最大粒徑31.5mm，表觀密度2721kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)含水率0.1%。細(xì)骨料為河砂，含泥量0.3%，表觀密度2601kg/m3，現(xiàn)場(chǎng)含水率0.6%。骨料滿(mǎn)足《建設(shè)用碎石卵石》（GBT 14685-2011）、《建設(shè)用砂》（GBT 14684-2011）的要求。

減水劑：FDN高效減水劑，滿(mǎn)足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2013）的要求。

粉煤灰：屬Ⅱ級(jí)灰，滿(mǎn)足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GBT 1596-2017）的要求。

外加劑：氧化鎂膨脹劑，滿(mǎn)足《混凝土用氧化鎂膨脹劑_征求意見(jiàn)稿》（CBMF19-2017）的要求。

2 試驗(yàn)方法

2.1 成型及養(yǎng)護(hù)

普通混凝土采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50081-2002）、《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT50080-2016）進(jìn)行成型養(yǎng)護(hù)。

2.2 抗侵蝕試驗(yàn)

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50082-2009），氧化鎂膨脹劑在0摻量和同摻量?jī)煞N條件下，使用相同濃度不同離子（SO42-、Mg2+）對(duì)試塊進(jìn)行浸泡，并測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)齡期下普通混凝土力學(xué)性能、膨脹性能。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 粉煤灰摻量對(duì)普通混凝土的影響

由表1、表2可以看出，粉煤灰等量替代水泥后對(duì)普通混凝土28d齡期抗壓強(qiáng)度影響不明顯。當(dāng)粉煤灰的摻量低于40%時(shí)，普通混凝土的28d齡期抗壓強(qiáng)度與不摻加粉煤灰的A0略有降低，這是因?yàn)榉勖夯以诨炷劣不缙谥饕l(fā)揮的是微集料填充效應(yīng)，到了后期粉煤灰的活性效應(yīng)才被激發(fā)出來(lái)。當(dāng)粉煤灰摻加量達(dá)到60%時(shí)，普通混凝土28d齡期的抗壓強(qiáng)度均低于不摻加粉煤灰的A0的抗壓強(qiáng)度，這主要是由于粉煤灰的活性遠(yuǎn)不及普通硅酸鹽水泥的活性，摻加量過(guò)大導(dǎo)致了普通混凝土力學(xué)性能明顯下降。

表1 養(yǎng)護(hù)28d摻加粉煤灰對(duì)普通混凝土性能的影響（C30）

表2 養(yǎng)護(hù)28d摻加粉煤灰對(duì)普通混凝土性能的影響（C50）

3.2 大摻量粉煤灰條件下，不同摻量氧化鎂膨脹劑對(duì)普通混凝土的影響

試驗(yàn)試塊橫向比較，相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，氧化鎂不同摻量的力學(xué)性能及膨脹性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4，兩種強(qiáng)度等級(jí)C30和C50混凝土隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，普通混凝土試塊抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低。普通混凝土的膨脹性能平均體積變形發(fā)生了體積膨脹，但是其膨脹率基本上在0～0.1%，不會(huì)對(duì)普通混凝土的性能構(gòu)成危害。兩種強(qiáng)度等級(jí)C30和C50混凝土的抗?jié)B透水性能都隨著氧化鎂膨脹劑摻加量的增加而有所提高。尤其是考慮到混凝土強(qiáng)度的前提下，在氧化鎂膨脹劑摻加5%時(shí)，混凝土強(qiáng)度比0摻量混凝土強(qiáng)度明顯提高，這是因?yàn)檠趸V膨脹劑發(fā)生水化反應(yīng)后在混凝土內(nèi)部發(fā)生體積膨脹，填充了混凝土內(nèi)部孔隙，提高了混凝土的密實(shí)性，使得混凝土強(qiáng)度顯著提高。

3.3 SEM分析

從圖1和圖2中可以看出，水泥水化產(chǎn)物與骨料界面接觸緊密，無(wú)明顯的裂紋。實(shí)驗(yàn)所用的經(jīng)過(guò)處理的循環(huán)流化床高鈣粉煤灰規(guī)則球形顆粒占大多數(shù)，體系中的粉煤灰分布均勻。水化產(chǎn)物的內(nèi)部孔洞較大，孔隙較多，結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)。

圖1 試樣100倍SEM照片

圖2 試樣500倍SEM照片

從圖3、圖4可以看出，外摻氧化鎂膨脹劑發(fā)生水化反應(yīng)后，填充了一部分水泥顆粒之間的孔洞和孔隙，混凝土孔隙減小，一定程度上降低了孔隙率，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，有利于混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能的提高，進(jìn)而有利于混凝土抗離子侵蝕性能的提高。

圖3 試樣100倍SEM照片

圖4 試樣100倍SEM照片

3.4 孔隙率及孔結(jié)構(gòu)分析

表5 養(yǎng)護(hù)180d不同摻量氧化鎂膨脹劑對(duì)普通混凝土體積變化的影響（C30）

表6 養(yǎng)護(hù)180d不同摻量氧化鎂膨脹劑對(duì)普通混凝土體積變化的影響（C50）

課題組采用排水法分別測(cè)得氧化鎂膨脹劑在0、2.5%、5%、7.5%摻量條件下，養(yǎng)護(hù)180天齡期普通混凝土試塊的吸水率，由此推測(cè)不同摻量普通混凝土試塊的孔隙率。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5、表6，兩種強(qiáng)度等級(jí)C30和C50混凝土，對(duì)比基準(zhǔn)試塊，摻加氧化鎂膨脹劑的普通混凝土試塊的吸水率隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加都有所降低。由此推測(cè)，氧化鎂膨脹劑在水泥水化之后發(fā)生了水化反應(yīng)，體積膨脹填充了試塊內(nèi)部的一部分孔隙，從而降低了普通混凝土的孔隙率，改善其孔結(jié)構(gòu)，提高普通混凝土密實(shí)性，為進(jìn)行相同濃度不同離子（、Mg2+）的浸泡試驗(yàn)，研究不同養(yǎng)護(hù)齡期下對(duì)普通混凝土力學(xué)性能、膨脹性能的影響奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，不同摻量的氧化鎂膨脹劑混凝土的力學(xué)性能及膨脹性能測(cè)試結(jié)果表明，兩種強(qiáng)度等級(jí)C30和C50混凝土隨著浸泡齡期的延長(zhǎng)，普通混凝土試塊抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有不同程度的降低。

2）摻加氧化鎂膨脹劑普通混凝土的膨脹性能對(duì)比基準(zhǔn)試樣，其發(fā)生了不同程度的體積膨脹，但其平均膨脹率基本在0～0.05%，不會(huì)對(duì)普通混凝土的性能構(gòu)成危害。90天抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有明顯下降，90-180天浸泡齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度下降比較緩慢，這是由于氧化鎂膨脹劑發(fā)生了水化反應(yīng)，發(fā)生體積膨脹填充了一部分試塊內(nèi)部的孔隙，從而降低了普通混凝土的孔隙率，提高了普通混凝土密實(shí)性。

3）通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，符合本課題提出的外摻氧化鎂膨脹劑可以改善其孔結(jié)構(gòu)，降低普通混凝土的孔隙率，使其密實(shí)度得到提高，從而降低了、Mg2+等離子的滲入率，提高混凝土的抗離子侵蝕能力。