粉煤灰和礦粉對高抗硫混凝土耐久性能影響研究

張 寅 孫明海

(河套學院土木工程系 巴彥淖爾 015000)

在我國中西部地區，由于環境濕度較低，土壤中的硫酸鹽不斷沉積形成了高濃度的硫酸鹽，對路基下復合地基樁體等混凝土材料或結構產生明顯的腐蝕效應。與此同時，沉積在孔隙中的硫酸鹽經歷了循環的晶相變化，進一步與水泥基體發生反應生成較大體積的鈣礬石。該過程不僅會分解硬化的水泥漿體，還會在混凝土內部產生較大的內脹力，從而使混凝土中形成新的裂縫并使混凝土劣化過程加速[1]。實際工程中，在樁基混凝土施工中常采用高抗硫水泥或摻加阻銹劑等方式以解決混凝土的防腐蝕缺點。但此方法存在以下缺點：①工程成本較高；②防腐效果是否能達到預期目的尚不能明確。

為此，國內外學者對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行了大量研究。研究發現，加入粉煤灰、偏高嶺土、硅石、礦粉等輔助膠凝材料作為總膠凝體系的一部分，可提高混凝土的耐久性，確保這些地區混凝土基礎設施的安全性[2]。

因此，本文主要通過試驗確定不同配合料、不同配合比和不同添加劑的高抗硫水泥混凝土(水泥、粉煤灰、礦粉)的抗硫酸鹽腐蝕性能及抗滲性能，提出以普通水泥、粉煤灰或礦粉為基礎材料的混凝土抗腐蝕樁身材料。最終在鋼筋混凝土灌注樁施工及其他地下混凝土構件使用中，達到抵抗硫酸鹽侵蝕的目的，從而滿足建筑物設計使用壽命的要求。

1 試驗材料及試驗方案

如表1所示，本試驗主要設計了C30，C40及C45 3種強度的混凝土，水泥采用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥及P·S 42.5的抗硫酸鹽水泥。摻合料主要考慮了粉煤灰和礦粉。粉煤灰主要采用II級粉煤灰，礦渣粉主要采用S75和S95 2種。

在上述配比的基礎上，適量加入普通減水劑或硅粉以改善混凝土的性能。按照表1中所給出的試驗方案進行試驗，重點考察不同因素的影響。

表1 混凝土抗硫酸鹽和抗滲透試驗方案

注：“+”表示做的項目；“-”表示不做的項目，“硅粉”表示摻入硅粉作為添加劑來進行試驗。

2 混凝土耐久性試驗

根據GB/T 50082-2009, 對于每組開展抗硫酸鹽侵蝕試驗的試件進行干-濕循環150次后，再測其抗壓強度。試驗發現，經過50次硫酸鹽侵蝕后，試件基本完好。而經過150次硫酸鹽侵蝕后，試件破壞較為嚴重。圖1和圖2分別為普通硅酸鹽水泥混凝土和高抗硫水泥混凝土(GK)經抗硫酸鹽腐蝕后的強度試驗結果，以及與未經過硫酸鹽腐蝕混凝土的28 d抗壓強度的(退化)百分比。

圖1 普通硅酸鹽水泥混凝土試驗結果

圖2 高抗硫水泥混凝土試驗結果

由圖1，2可以看出，不同水泥種類和強度等級的混凝土并添加相應比例的粉煤灰和礦粉，經過150次硫酸鹽侵蝕后，抗壓強度均呈下降趨勢。高抗硫水泥混凝土各配合比下的抗硫酸鹽性能均優于普通混凝土，高抗水泥中的“C30 S75礦粉摻量30%”和“C30 S95礦粉摻量30%”的抗硫酸鹽性能明顯高于普通水泥混凝土的抗硫酸鹽性能。

在經歷150次硫酸鹽干-濕循環作用后，C30混凝土強度降低幅度明顯大于C40混凝土。混凝土材料的強度主要依靠配合比設計中的水灰比來調整，強度高的混凝土材料水灰比較低，內部孔隙率較低，材料較密實，因此抵抗硫酸鹽侵蝕的能力也較強。

對比各試驗組，強度較高的C40混凝土抗硫酸鹽性能較優。高抗水泥可明顯提高混凝土的抗硫酸鹽性能，而摻合料與高抗水泥復合作用，可使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進一步提高。此外，粉煤灰對混凝土的抗硫酸鹽性能有一定改善，但其作用效果不如S95礦粉明顯，而S75礦粉對混凝土的抗硫酸鹽性能會產生不利影響，不建議使用。

3 混凝土的抗滲性能試驗

高抗硫混凝土抗滲性能試驗采用頂面直徑為175 mm，底面直徑為185 mm，高度為150 mm的圓臺體。抗滲試件6個為1組。澆筑成型后，拆模時用鋼絲刷將兩端面水泥漿膜刷去，并在標準養護室養護28 d后送入實驗室，直至試驗。試驗開始前1 d，首先將試件取出，晾干表面，并在側面涂抹密封材料；隨后在加壓裝置上，將試件壓入經預熱過的模具中，冷卻后方可解除壓力進行抗滲試驗。試驗開始后，水壓初值為0.1 MPa，每隔8 h水壓增加0.1 MPa，試驗過程中要隨時注意觀察試件端面滲水情況。當試件端面出現滲水情況時，停止試驗，并記下水壓。

混凝土的抗滲標號以每組6個試件中4個試件未出現滲水時的最大水壓力計算[3-4]，其計算式為

P=10H-1

式中:P為混凝土抗滲等級，H為6個試件中3個試件滲水時的水壓力，MPa，試驗結果見表2。

表2 抗滲性試驗結果

由表2可見，C30和C45混凝土均能夠滿足P15的抗滲等級要求。當摻有20%的粉煤灰時，混凝土的抗滲性得到明顯改善，當摻有30%的S75礦渣時，混凝土的抗滲性能會降低，C30混凝土最終滲水壓力由1.6 MPa降為1.4 MPa，而C45混凝土最終滲水壓力也由>1.6 MPa降為1.5 MPa，降低幅度較大。對比C45和C30混凝土，混凝土強度等級越高抗滲性也較好，高強度等級混凝土的水灰比低，密實度較高，因此也具有更好的抗滲性能。在摻入30%的S75礦渣情況下，C45混凝土受到的影響也明顯小于C30混凝土。

綜上所述，提高混凝土的強度可顯著改善混凝土的抗滲性能，在混凝土中摻入粉煤灰可進一步提高混凝土的抗滲性能，而S75礦渣則會明顯降低混凝土抗滲性，建議謹慎使用，尤其是在抗壓強度較低的C30混凝土中。

4 結論

1) 在混凝土中摻入一定量的粉煤灰可在滿足混凝土基本力學性能的前提下改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能和抗滲性。混凝土強度越高，提升效果越明顯。

2) 高抗硫水泥混凝土的抗硫酸性能均優于普通硅酸鹽混凝土，礦粉對其抗硫酸鹽性能的影響還與礦粉種類和混凝土強度有關。

3) 粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能和抗滲性能的改善均優于礦粉。尤其對于S75礦粉，其對混凝土的抗硫酸鹽性能和抗滲性會產生不利影響。因此，在實際工程中應謹慎使用。

[1] BAGHERI A R, ZANGANEH H. Comparison of rapid tests for evaluation of chloride resistance of concrete with supplementary cementitious materials[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2012,24(1):1175-1182.

[2] THOMAS M, HOOTON R D, ROGERS C, et al. 50 ye-ars old and still going strong[J].Concrete International,2012,34(1):35-40.

[3] 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法:GB/T 50082-2009[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4] 崔磊,陳艷華.膠粉表面改性對LC50高強輕質混凝土力學性能的影響及機理研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(6):949-953.