硫酸鹽溶液對摻礦物摻和料的混凝土早期侵蝕作用

王 宇， 左 工， 李 琳， 王 軍

宿遷學(xué)院建筑工程系（223800）

混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是混凝土耐久性研究領(lǐng)域中最重要的組成部分之一,也是目前我國混凝土工程所面臨的問題之一。近年來在水利、公路等工程中都發(fā)生了硫酸鹽侵蝕的問題,嚴重的威脅到建筑物和構(gòu)筑物的安全性同時還造成了大量人力和財力的浪費。產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕的介質(zhì)環(huán)境很常見，土壤或巖石裂隙水中往往含有一定的硫酸鹽離子，SO42-濃度的高低對混凝土侵蝕破壞的程度也有所不同。此外，工業(yè)廢水中常含有硫酸、鹽酸或者硝酸。它可使水泥水化物喪失膠結(jié)能力,嚴重時可使水泥混凝土呈酥狀或糊狀，直至混凝土建筑物遭受破壞。目前混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗還沒有統(tǒng)一的國家標準和評價指標。因此，不同的研究者在對混凝土進行硫酸鹽侵蝕性能試驗分析時會選取不同的性能指標進行結(jié)果評價[1]。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1）水泥:冀東水泥 P.O42.5級水泥。

2）砂:江蘇鎮(zhèn)江市句容市赤山砂石廠Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為 2.8。

3）礦渣:江蘇靖江市礦渣。

4）粉煤灰:南京聚力粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。

5）拌合水:飲用水。

6）無水硫酸鈉（Na2SO4）:上海中試化工總公司分析純試劑。

1.2 試驗方法

本試驗參照快速試驗硫酸鹽侵蝕的試驗方法（GB2420-81）《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》[2]。在保持水膠比（0.50）一定的情況下，將試驗中用的水泥、礦渣、粉煤灰等膠凝材料按照表1中的配合比進行配合。

筆者分別對各個規(guī)定齡期(28 d，56 d，84 d)的試件進行宏觀現(xiàn)象觀察和抗折試驗、抗壓試驗，同期進行試件在飲用水中的同齡期抗折對比試驗和抗壓對比試驗。在試件浸泡過程中,定期用H2SO4溶液滴定以中和試件在溶液中釋放的氫氧化鈣，使得溶液的pH值保持在7.0左右，在硫酸鈉溶液中浸泡的試件頂面要低于液面10 mm。隨時觀察試件表面變化情況，所有溶液每隔28天更換1次。本試驗以抗蝕系數(shù)K1和抗蝕系數(shù)K2來作為主要的評價指標進行評價，即:

式中，k1為抗蝕系數(shù)1,fs為在硫酸鈉溶液中浸泡到規(guī)定齡期的試件的抗折強度，fw為同齡期飲用水中試件的抗折強度。

式中，k2為抗蝕系數(shù)2,fs為在硫酸鈉溶液中浸泡到規(guī)定齡期的試件的抗壓強度，fy為同齡期飲用水中試件的抗壓強度。

表1 混凝土的配合比

2 硫酸鹽侵蝕機理

1）鈣礬石

SO42-與水泥石中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致體積發(fā)生膨脹，大約為原來的3倍，使混凝土表面產(chǎn)生開裂、膨脹、剝落現(xiàn)象，嚴重時使得粘結(jié)性下降，最終喪失耐久性。鈣礬石生長過程中的內(nèi)應(yīng)力也進一步加劇了膨脹。這和液相的堿度密切相關(guān),當堿度低時所形成的鈣礬石為大的板條狀的晶體,此類鈣礬石一般不會帶來有害的膨脹。但堿度高時則在純硅酸鹽水泥混凝土中形成的鈣礬石為針狀或片狀，甚至呈凝膠狀析出，形成極大的結(jié)晶應(yīng)力,因此合理控制液相的堿度是減輕鈣礬石危害性膨脹的有效途徑之一[3]。

2）石膏

如果硫酸鹽濃度較高時,則不僅生成鈣礬石，而且還會有石膏結(jié)晶析出。一方面石膏的生成使固相體積增大124%,引起混凝土膨脹開裂,另一方面消耗了CH,而水泥水化生成的CH不僅是水化礦物穩(wěn)定存在的基礎(chǔ),而且它本身以波特蘭石的形態(tài)存在于硬化漿體中,對混凝土的力學(xué)強度有貢獻，因此導(dǎo)致混凝土的強度損失和耐久性下降。根據(jù)濃度積規(guī)則,只有當SO42-和 Ca2+的濃度積大于或等于CaSO4的濃度積時才能有石膏結(jié)晶析出。

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀現(xiàn)象

觀察84 d齡期1#至6#的試件外觀發(fā)現(xiàn)1#試件掉角和表面鹽析現(xiàn)象較為嚴重，且略有膨松。混凝土抗硫酸鹽能力于水泥熟料礦物組成關(guān)系很大，特別是C3S水化之后生成Ca(OH)2，能參與硫酸鹽侵蝕反應(yīng)。而C3A水化形成水化鋁酸三鈣，是鈣礬石形成的必要條件。由于2#至6#均摻入了不同摻量的礦質(zhì)混合料降低了混凝土中Ca(OH)2的含量提高了混凝土的密實性，對混凝土抗硫酸鹽侵蝕有了顯著的提高。其次為摻入90 kg粉煤灰的混凝土，而摻入45 kg粉煤灰的2#抗侵蝕性要明顯優(yōu)于3#試件,說明“粉煤灰效應(yīng)”（即活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)）發(fā)揮了作用，但其摻量要適當，否則會使得結(jié)果受到影響。各組試件中5#效果最好，基本上沒有出現(xiàn)掉角、開裂現(xiàn)象。同時，雙摻入粉煤灰、礦粉的試件以及單摻礦粉的試件表面掉角現(xiàn)象不明顯或者基本無膨脹變化，表明礦渣混凝土的抗侵蝕性較好。

3.2 抗蝕系數(shù)變化

在硫酸鈉溶液中浸泡28 d的混凝土試件抗壓強度和抗折強度不但沒有下降反而均有所提高,其中1#空白混凝土的抗折系數(shù)增長率最高,這是由于其中C3S含量多導(dǎo)致水化產(chǎn)物中水化硅酸鈣含量較其他組多并與硫酸鈉溶液反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實，從而提高了相應(yīng)的抗壓強度、抗折強度。而摻入混合料的試件因為數(shù)量少而且二次水化進行較慢，因此早期強度不高。當齡期增加到56 d時，1#的抗蝕系數(shù)明顯降低,這是由于鈣礬石的量逐漸增長導(dǎo)致固相體積增大產(chǎn)生一定的結(jié)晶壓力造成膨脹開裂。而5#和6#的兩個抗蝕系數(shù)明顯大于其他各組，這是由于此時混凝土強度分別由水泥水化反應(yīng)所貢獻的強度和摻料火山灰效應(yīng)貢獻的強度兩部分構(gòu)成[4]，同時礦渣的摻入有效改善了膠砂試件抗硫酸鹽能力。

4 結(jié)論

1）28d時空白試件的抗蝕系數(shù) K1、K2均大于1而其他組的抗蝕系數(shù)均小于1，早期硫酸鹽侵蝕對于空白混凝土不明顯。

2）在硫酸鈉溶液中浸泡56 d后5#和6#掉角不顯著說明礦渣的摻入有效改善了膠砂試件抗硫酸鹽能力。

3）56 d雙摻礦渣、粉煤灰的試件和單摻20%礦渣的試件抗侵系數(shù)較高,這是由水化反應(yīng)所貢獻的強度和摻料火山灰效應(yīng)貢獻的強度共同作用的結(jié)果。早期分別摻礦渣和粉煤灰的試件抗折系數(shù)相比，摻入礦渣的試件較高，但后期有待繼續(xù)研究。

[1] 喬宏霞,周茗如,朱彥鵬,何忠茂.混凝土抗硫酸鹽腐蝕性的參數(shù)評價[J].粉煤灰綜合利用2008(5)

[2] GB2420-81,水泥抗硫酸鹽快速侵蝕方法[S]

[3] 呂林女，何永佳，丁慶軍，胡曙光.混凝土的硫酸鹽侵蝕機理及其影響因素[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2003(22)

[4] 蒲心誠.超高強高性能混凝土原理.配制.結(jié)構(gòu).性能.應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社2004:35