火山灰水泥土抗侵蝕試驗研究

韓國堯 康張偉 陳春伶 鐘俊明 鄧泳洋

（西安翻譯學(xué)院，陜西 西安 710105）

1 試件制備

1.1 原材料及配合比設(shè)計

原材料：試驗沙石，粗骨料為碎石，細(xì)骨料為原狀土且在自然狀態(tài)下呈軟塑狀態(tài)，水泥為摻有活性氧化硅、活性氧化鋁的火山灰水泥。

配合比：此次實驗設(shè)置三種混凝土級配：C25，C35，C45，主要配置指標(biāo)及用量如表1、表2、表3。

表3 混凝土強(qiáng)度C25 主要配置指標(biāo)

1.2 試件成型、養(yǎng)護(hù)及配置侵蝕溶液濃度

試件成型：所有混凝土坍落度均在55—70mm 的設(shè)計范圍內(nèi)，目測保水性較好。采用100mm*100mm*100mm 的模具進(jìn)行制作，在充分振動，使之密實后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

試件養(yǎng)護(hù)：采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在溫度為20℃±5℃的環(huán)境中靜置一晝夜至兩晝夜，然后進(jìn)行編號，拆模。拆模后繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)。試件彼此間隔10～20mm，試件表面定期灑水并使其保持潮濕。

配置侵蝕溶液濃度[1]：本次侵蝕采用全浸泡的方式，則硫酸和氫氧化鈉溶液的濃度配置如下表4

表4 混凝土強(qiáng)度C35 主要配置指標(biāo)

表5 混凝土強(qiáng)度C45 主要配置指標(biāo)

表6 侵蝕溶液配置表

1.3 全浸泡環(huán)境下酸侵蝕

準(zhǔn)備火山灰混凝土三種不同級配各10 組進(jìn)行實驗，并設(shè)置10 組未侵蝕混凝土作為對照組。將養(yǎng)護(hù)成型的不同級配混凝土分別進(jìn)行實驗，均浸泡在配置好的酸性溶液中。浸泡時間均為20d，侵蝕充足時間以后取出風(fēng)干后進(jìn)行抗壓破壞試驗。

1.3.1 侵蝕不同強(qiáng)度混凝土破壞形式

取出在酸性條件下侵蝕后的火山灰混凝土，觀察其表面，沒有發(fā)現(xiàn)混凝土表面存在較大裂隙，方形火山灰混凝土棱角處存在輕微侵蝕，表面有微小的孔洞，并且出現(xiàn)了黃褐色的小麻點。

1.3.2 侵蝕機(jī)理

侵蝕后的火山灰混凝土底部觀察到有少量白色附著物，初步判定是硫酸根離子與混凝土中的少許鈣離子等其他雜質(zhì)反應(yīng)生成的。通過實驗檢測發(fā)現(xiàn)硫酸溶液中存在大量的硫酸根離子，而火山灰混凝土的主要成分為碳酸鈣，則溶液中游離的鈣離子和硫酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了極難溶于水的硫酸鈣，也就是表面這些白色附著物[2]。硫酸根離子隨著浸泡的時間增加，滲入火山灰混凝土的內(nèi)部，導(dǎo)致游離的硫酸根離子與內(nèi)部的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，在內(nèi)部生成了無凝膠作用的膨脹物質(zhì)，改變了火山灰混凝土的結(jié)構(gòu)成分，使混凝土從內(nèi)部開始腐蝕，進(jìn)而降低了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[3]。

1.4 全浸泡環(huán)境下氫氧化鈉侵蝕

同樣準(zhǔn)備火山灰混凝土三種不同級配各10 組進(jìn)行實驗，并設(shè)置10 組未侵蝕混凝土作為對照組。將養(yǎng)護(hù)成型的不同級配混凝土分別進(jìn)行實驗，均浸泡在配置好的堿性溶液中。浸泡時間均為20d，侵蝕充足時間以后取出風(fēng)干后進(jìn)行抗壓破壞試驗。

1.4.1 浸濕不同強(qiáng)度混凝土破壞形式

將浸泡時間充足的火山灰混凝土從堿性溶液中取出，觀察到在混凝土塊的表面也存在有少量白色固體，在混凝土表面發(fā)現(xiàn)了大量的小孔，其棱角處存在輕微的腐蝕。

1.4.2 侵蝕機(jī)理

氫氧化鈉是強(qiáng)堿，混凝土主要成分為碳酸鈣，是弱堿鹽。且碳酸鈣在堿性溶液中不溶解，即不會水解出氫離子，無法和氫氧根離子反應(yīng)。通過查閱資料，得知碳酸鈣跟氫氧化鈉不能反應(yīng)；因為復(fù)分解發(fā)生的反應(yīng)中 鹽+堿=新鹽+新堿 的條件下，反應(yīng)物都可以溶于水，且反應(yīng)后會有沉淀或難電離物生成。碳酸鈣不溶于水的性質(zhì)，導(dǎo)致不能以鈣離子與碳酸根離子的形式在溶液中自由移動，即使在溶液中氫氧化鈉以離子形式存在，但依然無法與碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，則混凝土表面白色沉淀是氫氧化鈉與混凝土中其他反應(yīng)物生成的沉淀。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中生成的無凝膠膨脹性物質(zhì)，對混凝土造成了內(nèi)部破壞，降低了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 測試方法

2.1 強(qiáng)度測試（抗壓強(qiáng)度實驗）

將養(yǎng)護(hù)好的三種不同強(qiáng)度的火山灰混凝土對照組直接放入壓力試驗機(jī)，進(jìn)行抗壓實驗，記錄破壞前最大抗壓強(qiáng)度值。實驗組先進(jìn)行溶液侵蝕浸泡，之后進(jìn)行抗壓實驗。實驗過程：在壓力逐漸增大時，試件出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，當(dāng)壓力增大到一定值時，試件形成大貫穿裂縫，最終試件被破壞。觀察混凝土碎塊并記錄試件內(nèi)部情況，便于實驗結(jié)果的分析。

3 數(shù)據(jù)分析

通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，研究與討論后,針對實驗前提出的兩個問題，即：1.制成的混凝土能否在特殊環(huán)境下使用？2.不同等級的火山灰水泥抵抗腐蝕的能力有何區(qū)別？進(jìn)行解答。

在整理數(shù)據(jù)后，得到了不同強(qiáng)度等級侵蝕前后強(qiáng)度對比圖如下：

圖1 混凝土侵蝕前后強(qiáng)度對比圖

圖2 混凝土侵蝕前后強(qiáng)度對比圖

圖3 混凝土侵蝕前后強(qiáng)度對比圖

從對比圖可以清楚的反映出不同強(qiáng)度等級的火山灰水泥抵抗腐蝕的能力。

即抗腐蝕能力從大到小為：C45>C35>C25。

圖4 不同強(qiáng)度混凝土抗壓變化差值

通過對不同強(qiáng)度火山灰混凝土的侵蝕后，其強(qiáng)度差值變化如下圖所示。

從上圖分析得出，C45 級混凝土相較于其他兩種級別的混凝土抗壓強(qiáng)度變化更穩(wěn)定，并且在經(jīng)過腐蝕后，仍能呈現(xiàn)出不錯的抗壓能力。而C25 級混凝土抗壓強(qiáng)度波動較大，說明在經(jīng)過溶液侵蝕后，內(nèi)外部均受到腐蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

本文通過侵蝕不同級配的火山灰混凝土并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，從數(shù)據(jù)中分析得出：制成的火山灰混凝土強(qiáng)度如果低于C35 級，在特殊環(huán)境下極容易遭到腐蝕，內(nèi)部進(jìn)而被破壞，不推薦在特殊環(huán)境下使用。強(qiáng)度高于C35 級的火山灰混凝土，由于自身強(qiáng)度高，則抗腐蝕能力較好，內(nèi)部受到的破壞也較小，在特殊環(huán)境下能長時間保持良好性能。

在對摻有火山灰水泥的混凝土進(jìn)行實驗之后，從宏觀角度分析，在不同的環(huán)境中，不同級配下的火山灰混凝土所呈現(xiàn)出的強(qiáng)度變化不同，火山灰混凝土在酸性環(huán)境下遭到破壞的程度是明顯大于在堿性環(huán)境的。對于此類物理特性，可以將火山灰運(yùn)用在筑路工程[4]，因其摻有火山灰水泥，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通混凝土。從火山灰水泥材料本身來說，也更符合當(dāng)今社會要求的綠色長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略[5]。在一些水利工程、港口、還有一些防護(hù)工程的建造中均可采用火山灰水泥，介于有優(yōu)越于普通混凝土的化學(xué)物理性質(zhì)使得火山灰混凝土在未來的各方面運(yùn)用更加寬廣。