低溫條件下超細粉煤灰水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的研究

廖孟柯，黃耀德，付林，王能，周陽

地處我國西部的新疆地區氣候干旱，冬季寒冷，土壤多為漬土，硫酸鹽、氯鹽及鎂鹽含量較高。其中，硫酸鹽對混凝土的侵蝕是影響混凝土結構建筑物耐久性的重要因素之一[1]。土壤中的硫酸根離子以水為載體，通過混凝土的孔隙或裂縫進入混凝土內部，與其中的氫氧化鈣、水化鋁酸鈣或C-SH 凝膠等水化產物發生反應，生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產物，造成混凝土膨脹、開裂、剝落或泥狀化，影響混凝土結構建筑物的使用安全，縮短使用壽命。

目前，關于混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究已取得較多的研究成果[2-4]。鄧德華等[5]對混凝土硫酸鹽結晶破壞機理進行了研究；李華等[6]的研究表明，礦渣的微集料填充效應和火山灰效應等作用，對提高水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能非常有利；謝超等[7]對低溫條件下硅粉和礦渣改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究；王云天等[8]對低溫條件下納米SiO2和礦渣改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究。然而，對于低溫條件下摻入超細粉煤灰，以改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能方面的研究較少。

為此，本文針對5℃低溫條件下超細粉煤灰摻量對水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響進行了研究，為新疆地區低溫環境下服役的混凝土結構工程的設計及施工提供技術依據。

1 試驗原料

1.1 水泥

P·O42.5 級石灰石質普通硅酸鹽水泥，篩余為8.2%（45μm方孔篩），標準稠度需水量為23%，初凝時間為215min，終凝時間為323min，其粒徑分布如圖1所示，化學成分如表1所示。

圖1 水泥與超細粉煤灰的粒徑分布

表1 P·O42.5級石灰石質普通硅酸鹽水泥和超細粉煤灰的化學成分（重量百分比），%

1.2 粉煤灰

一級超細粉煤灰，比表面積為580m2/kg，化學成分如表1 所示，主要成分SiO2和Al2O3含量分別為54.14%和27.46%；超細粉煤灰粒徑分布如圖2所示，該粉煤灰D50和D90所分別對應的粒徑約為4.5μm 和 10.5μm。圖 3 為超細粉煤灰的 SEM 圖。由圖3可見，該粉煤灰主要由大量細小的球形顆粒和部分粒徑較大的球形顆粒組成，顆粒粒徑均＜10μm。

圖2 超細粉煤灰的粒徑分布

圖3 超細粉煤灰粒徑的SEM圖

1.3 標準砂

用于制備砂漿。

1.4 無水硫酸鈉

配制侵蝕溶液，無水硫酸鈉為分析純（純度≥99%）。

2 試驗方法

本試驗制備砂漿試件用的總膠凝材料質量為500g。不同試件的超細粉煤灰的摻量分別為總膠凝材料量的30%（F30 試件）、45%（F45 試件）和60%（F60 試件），試件水膠比為0.4，膠砂比為1:3，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。將試件在室溫條件下澆筑成型，并在其表面覆蓋塑料薄膜，24h后脫模，放入標準養護室養護至28d；將試件放入溫度為（5±1）℃、硫酸鹽濃度為5%的侵蝕溶液中，進行侵蝕試驗，測試試件的質量損失（質量變化率）和抗壓強度，其中，抗壓強度根據GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》中的要求進行測試。

3 試驗結果

3.1 質量損失率

水泥混凝土試件被硫酸鹽侵蝕的過程中，外界的硫酸根離子以水為載體進入混凝土內部，與混凝土中的水化產物發生反應生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產物，造成混凝土膨脹、開裂，混凝土表面發生剝落，使得混凝土材料質量發生變化。因此，分析質量損失率可以初步評估硫酸鹽對水泥混凝土的侵蝕破壞程度[9]。

圖4是隨侵蝕齡期的變化，各組水泥砂漿試件質量的變化情況。由圖4可知，空白試件的質量隨侵蝕齡期的延長呈現下降趨勢，在侵蝕齡期達10個月后，試件質量損失較快，侵蝕齡期為18個月時，質量損失約為3.5%，說明空白試件受到了硫酸鹽的侵蝕，試件表面發生剝落造成了質量損失。而超細粉煤灰摻量分別為30%（F30 試件）、45%（F45試件）和60%（F60 試件）的砂漿試件，其質量隨侵蝕齡期的延長呈現先增加后趨于穩定的現象，且試件質量始終無損失。在侵蝕齡期達3 個月之后，F45 試件和F60 試件的質量增加率為1.0%～1.5%，而F30試件的質量增加率約為0.5%，表明雖有硫酸鹽的侵蝕，但摻入超細粉煤灰的砂漿試件并未發生表面剝落，也無質量損失，在砂漿試件中摻入超細粉煤灰可以有效提高其抗硫酸鹽侵蝕性能。

圖4 隨侵蝕齡期的變化各組水泥砂漿試件的質量變化情況

3.2 抗壓強度

圖5 是隨侵蝕齡期的延長各組砂漿試件抗壓強度的變化情況。從圖5 可見，隨侵蝕齡期的增長，空白試件的抗壓強度逐漸降低，在整個觀察齡期內，其抗壓強度從初始（侵蝕齡期1 個月）的65MPa 逐漸降低到最終（侵蝕齡期18 個月）的40MPa，其抗壓強度損失率為38.5%。摻入超細粉煤灰的F30 試件、F45 試件和F60 試件的抗壓強度隨侵蝕齡期的增加呈現逐漸上升的趨勢。在整個試驗齡期中，F30 試件的抗壓強度從初始（侵蝕齡期1 個月）的45.0MPa 逐漸增加到最終（侵蝕齡期18 個月）的64.6MPa，其抗壓強度增長率為43.5%；F45 試件的抗壓強度從初始（侵蝕齡期1 個月）的33.0MPa 逐漸增加到最終（侵蝕齡期18 個月）的62.6MPa，其抗壓強度增長率為89.2%；F60 試件的抗壓強度從初始（侵蝕齡期1個月）的24.0MPa逐漸增加到最終（侵蝕齡期18個月）的52.3MPa，其抗壓強度增長率為117.9%。由此說明，空白試件在硫酸鹽溶液中，因硫酸鹽侵蝕造成劣化，導致其抗壓強度降低。而摻入超細粉煤灰的試件，受硫酸鹽溶液中硫酸鹽的激發作用，密實度提高，其抗壓強度也逐漸增加。由此可見，空白試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差，而摻入超細粉煤灰試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較好。此外，摻入超細粉煤灰的試件在硫酸鹽侵蝕溶液中，其抗壓強度分別增長了43.5%（F30試件）、89.2%（F45 試件）和117.9%（F60 試件），表明超細粉煤灰摻量越高，其在硫酸鹽侵蝕溶液中的抗壓強度增長率越高。

圖5 砂漿試件隨侵蝕齡期的強度變化結果

4 抗硫酸鹽性能分析

混凝土受硫酸鹽侵蝕而破壞，實質上是由于外界的硫酸根離子以環境水為載體，通過孔隙或裂縫進入混凝土內部，與其水化產物發生反應生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產物，使得混凝土劣化，導致其強度損失和表面剝落，造成質量損失。本試驗中，空白試件的質量損失和強度損失均較大，表明空白試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差；摻入超細粉煤灰的砂漿試件無質量損失，抗壓強度均無降低且反向提高，表明其抗硫酸鹽侵蝕性能較好。產生這一結果的主要原因如下：

（1）與超細粉煤灰的填充效應有關。由超細粉煤灰與水泥的顆粒分布圖可知，超細粉煤灰的總體粒徑比水泥顆粒小，可以很好地填充水泥顆粒之間的間隙，使砂漿試件的密實度提高，能有效阻礙硫酸根離子的侵入，從而改善砂漿試件的抗硫酸鹽侵蝕性能。

（2）與超細粉煤灰火山灰效應（二次水化作用）有關。隨著侵蝕齡期的延長，超細粉煤灰中的活性二氧化硅與砂漿中的水化產物氫氧化鈣發生反應，生成低鈣硅比的C-S-H 凝膠[10]，從而填充了孔隙，提高了砂漿的密實度。

（3）本文采用的是無水硫酸鈉配制的侵蝕溶液，該侵蝕溶液也可作為超細粉煤灰二次水化的激發劑，與超細粉煤灰中的活性氧化鋁及砂漿中的氫氧化鈣反應生成鈣礬石，進一步提高砂漿的密實度。從試驗結果來看，隨侵蝕齡期的延長，F30 試件、F45試件和F60試件均表現出，質量先增加后趨于平穩的態勢，抗壓強度呈整體向上增長的趨勢。

5 結語

本文對低溫條件下，超細粉煤灰不同摻量對水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響進行了研究，得出以下結果：

（1）在硫酸鹽侵蝕下，未摻加超細粉煤灰的試件質量及抗壓強度損失均較高，表明未摻加超細粉煤灰試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差。

（2）在硫酸鹽侵蝕下，摻加了超細粉煤灰的水泥砂漿試件質量無損失且略增加，抗壓強度隨侵蝕齡期的延長呈現整體向上增長的趨勢。表明摻入超細粉煤灰可有效提高水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能，且超細粉煤灰摻量越高，在硫酸鈉侵蝕溶液中，砂漿試件的抗壓強度增長率越高。