礦粉摻量對受酸雨侵蝕混凝土性能劣化規律的影響

李 翔

（長治市交通建設工程質量監督站，山西 長治 046000）

0 引言

目前，在我國部分地區酸雨現象較為普遍，是繼歐美之后世界第三大重酸雨區，2011年，全國酸雨城市比例為31.8%，至少出現一次以上酸雨的城市比例為48.5%[1-2]。酸雨是全球性環境問題，不僅對生態系統、動植物，而且對混凝土結構的耐久性都會產生嚴重的影響[3-4]?；炷潦芩嵊觊L期沖刷后會導致其使用性能顯著下降，而混凝土結構的使用壽命受環境和材料組成因素影響，不同酸雨pH值和混凝土組成將在很大程度上決定其服役年限。若使混凝土結構長期處于酸雨侵蝕作用下而不加以防護，會導致其使用功能出現嚴重的劣化現象[5]。因此，提高混凝土抗酸雨侵蝕的能力，延長混凝土構件的服役時間，是一個刻不容緩的研究問題。針對上述問題，本文從實際出發，研究了礦粉摻量對土受酸雨侵蝕混凝土性能劣化規律的影響，并總結試驗規律，為實際應用提供技術支撐。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3 d和28 d抗壓強度分別為27.1 MPa和49.4 MPa。礦渣粉：S95級礦渣粉，各項化學成分和物理力學指標如表1和表2所示。細骨料：河砂，細度模數2.93，其各項物理力學性能如表3所示。粗骨料：5.00～25.00 mm連續級配石灰石質碎石。外加劑：湖北恒利HL-1060型聚羧酸高性能減水劑，減水率28.1%，固含量18.3wt%。

化學試劑：濃硫酸、濃硝酸，濃度分別為98wt%和67wt%。酚酞試劑為南京化學試劑股份有限公司產IND級別，干燥失重小于等于1（%）。配合比：本試驗用混凝土配合比組成如表5所示。

表1 礦渣粉的化學成分 %

表2 礦渣粉的物理力學性能

表3 河砂的物理力學性能

表4 碎石的物理力學性能

表5 試驗混凝土配合比組成

1.2 試驗方法

利用濃硝酸和濃硫酸配置pH=2.5的模擬酸雨溶液，控制溶液中c(NO3-)∶c(SO42-)=5∶1。浸泡試驗時，將混凝土試塊置于模擬酸液（每隔24 h調節pH至2.5）中浸泡6 d。取出后放在室內自然干燥12 h，然后置于60℃烘箱中8 h，烘干后取出并在室內自然冷卻4 h，每7 d為1個干濕循環侵蝕周期，隨著侵蝕的進行，每經過一個月測定一次試件的抗壓強度、質量、吸水率和酸性化深度。

1.2.1 抗壓強度

按照GB/T 50081—2002測試混凝土試件的抗壓強度，采用TYE-3000型壓力機進行測試。

1.2.2 質量變化率

在不同組的對比試驗中，每種配合比要固定3個混凝土試件用來測定質量變化率。在侵蝕試驗開始前測試單個干燥后的初始質量，每經過一個月的酸雨侵蝕，對單個進行干燥后稱重，記錄質量數據，并計算每個試件相對于它初始質量的變化率。分別計算3個試件的質量變化率，并取平均值。

1.2.3 吸水率

在不同組的對比試驗中，每種配合比要固定3個混凝土試件用來測定吸水率。每經過一個月的酸雨侵蝕，對干燥的試塊進行稱重并記作w1,w2,w3，然后放于自來水中浸泡1 d，取出后將試塊表面水用濕毛巾拭去，然后稱重W1、W2、W3。則平均吸水率：

1.2.4 酸性化深度

酸性化深度測試采用帶半圓弧缺口的試件，如圖1所示，其測試原理是將試塊的底面接觸酸液，除底面外的其他面涂上石蠟。由于發生從底面垂直向上的侵蝕反應，每經過28 d，刮去圓弧表面的石蠟，噴上0.1wt%的酚酞酒精溶液，用量規測量顏色變化圓弧區域（未侵蝕區域呈紫紅色，侵蝕區域呈無色）的最大直徑2r，沿著相互垂直地測量4次，將每次測的數據代入酸性化深度的計算公式h=R-其中R=50 mm。再將所得的酸性化深度取平均值，即可得單個試件酸性化深度數據。分別計算3塊酸性化深度試塊的數值，并取平均值。

圖1 酸性化深度測試示意圖

2 結果與討論

2.1 質量變化

圖2 酸雨環境中礦渣粉摻量對試件質量損失率變化的影響

表6 不同礦渣粉摻量混凝土受酸雨侵蝕質量變化率與齡期擬合方程

圖2a為不同礦渣粉摻量對混凝土質量變化的影響，圖2b為侵蝕齡期與質量變化率擬合效果圖，擬合方程如表6所示。從圖2中可以看出，經過酸雨侵蝕后，S0、S20和S40組混凝土質量變化率先為正后為負，質量呈現先增加后降低的趨勢。這主要是由于在侵蝕初期，模擬酸雨侵蝕溶液中的H+會消耗試件表面的Ca(OH)2并與溶液中SO42-反應生成石膏[6]。S10和S30組混凝土質量變化率始終為負值，說明其質量呈一直降低的趨勢。從侵蝕第1個月后，所有試件均出現不同程度的質量下降。S20、S30組在前4個月侵蝕齡期時的質量損失率幾乎相同，但是從第5個月開始，圖像上出現分叉，隨著侵蝕的繼續進行直至侵蝕試驗結束，S30組的質量損失率一直要比S20組的質量損失率小。而對于S10和S40組，它們在圖像上與S20、S10圖像的向下偏離量較大，說明這兩組混凝土在酸雨環境下質量損失程度較大。從結果上來看，相對于S0組試件，S20和S30組在酸雨侵蝕條件下抗質量損失能力有所提高，S10和S40組混凝土在酸雨條件下易發生較大質量的損失。

由以上分析可以看出，礦粉摻量存在最佳摻量區間，當摻量為20wt%～30wt%時，對混凝土抵抗酸雨腐蝕的質量損失有優化效果。這可能是因為當礦渣粉摻量較小的時候，無法充分發揮火山灰效應和填充效應，達到密實混凝土結構抵抗酸雨侵蝕的效果。當礦渣粉摻量過大后，造成混凝土體系中膠結料數量較少，水化反應無法生成足夠的C-S-H凝膠，結構較疏松，內部微裂紋未被新的水化產物填充密實，而酸雨腐蝕為逐層腐蝕破壞，當混凝土表層被腐蝕破壞后，H+和SO42-更容易進入混凝土內部，導致更嚴重的酸雨侵蝕破壞[6-7]。

2.2 抗壓強度變化規律

表7 不同礦渣粉摻量與混凝土受酸雨侵蝕抗壓強度變化率擬合方程

圖3 酸雨環境中礦渣粉摻量對試件抗壓強度變化的影響

圖3a給出了礦渣粉對酸雨環境下混凝土抗壓強度的影響，圖3b為抗壓強度變化率與侵蝕齡期擬合效果圖，擬合方程如表7所示。從圖3中可以看出，隨著侵蝕齡期的增加，各組混凝土的抗壓強度表現出先增加后減小的趨勢。S10組由于礦渣粉的摻量較少，水泥熟料的摻量較多，導致其在侵蝕1～4個月的強度要明顯高于S20、S30、S40組別，但是從第5月開始，抗壓強度值開始迅速下降，在侵蝕試驗結束時，其抗壓強度數值為38.5 MPa，相對于峰值的57.0 MPa，下降了18.5 MPa。S20組也同樣在侵蝕的第4個月到達強度的最大值54.7 MPa，要比S10組的峰值小，但是其在侵蝕試驗結束時的抗壓強度為38.9 MPa，相對于峰值下降了15.8 MPa。S30組試件在侵蝕的第3個月到達峰值53.0 MPa，侵蝕末期相對于峰值抗壓強度損失了9.0 MPa。S40組試件從圖像上看，一直處在其他4組的下方，說明了在侵蝕的整個階段，S40組的抗壓強度數值都是最低的，其在侵蝕的第2個月就到達峰值49.7 MPa，侵蝕末期相對于峰值抗壓強度損失了14.7 MPa。侵蝕結束時的各組試件的抗壓強度大?。篠0＞S30＞S20＞S10＞S40，相對于峰值的損失率從大到小：S10＞S40＞S20＞S0＞S30。

2.3 吸水率變化規律

圖4 酸雨環境中礦渣粉摻量對混凝土吸水率變化影響規律

圖4給出了酸雨環境中礦渣粉摻量對混凝土吸水率變化的影響規律。從吸水率數據上來看S40組的吸水率在侵蝕的各個齡期內，都要高于其他組別。分析其中的原因：S40由于水泥熟料的摻量較低，導致其在侵蝕初期時，膠漿結構密實程度較差，在侵蝕初期其表面的膠漿結構就已經被破壞，以致侵蝕離子更容易進入混凝土內部[8]。S10中，礦渣粉摻量為10wt%，Ca(OH)2、水化鋁酸鈣較多，容易與侵蝕溶液反應[7,9]。而礦渣粉含量在20wt%～30wt%時，能在侵蝕早期發生活性效應，提高混凝土漿體致密性。在侵蝕試驗結束時，吸水率從大到小順序為：S40＞S10＞S30＞S0＞S20。

2.4 酸性化深度

圖5 酸雨環境中礦渣粉摻量對混凝土試件酸性化深度變化的影響

圖5給出了礦渣粉摻量對酸雨侵蝕混凝土的酸性化深度的影響。從圖5中可以看出，S20組試件的酸性化深度值在侵蝕的各個齡期都要比其他組小，說明了S20組抵抗酸性水進入內部的能力要比其他組別試件好。在侵蝕末期，酸性化深度數值從大到小：S40＞S10＞S0＞S30＞S20。

3 結論

a）隨著酸雨侵蝕時間的增加，混凝土的各項性能逐漸衰減，但后期酸雨侵蝕速率較侵蝕初期有所下降。

b）隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土抵抗酸雨侵蝕的能力先增加后降低。

c）礦渣粉摻量存在最佳的區間，當礦渣摻量在20wt%～30wt%時，混凝土的抵抗酸雨侵蝕性能最佳。這主要是由于礦渣粉在侵蝕早期能發生活性反應，提高混凝土漿體致密性。