活性摻合料礦渣對砂漿抗酸雨侵蝕性能的試驗研究

【摘 要】試驗研究了礦渣取代率的不同以及不同砂膠比下水泥砂漿的抗酸雨侵蝕的能力。試驗采用的是“三濕四干”干濕循環方式加速試驗的進程且較好地模擬了現實環境，按長沙市的酸雨特征配制了PH值為4并含有SO^2-₄，Ca²⁺，Mg²⁺，NH⁺₄，H⁺的模擬酸液［1］。試驗中可以得出結論：在合適的礦渣摻量下，試件抗折強度逐漸上升，合適摻量的礦渣等量取代水泥，經模擬酸雨循環腐蝕后的試件強度均高于同等條件下純水泥砂漿試件的強度，即礦渣微粉提高了砂漿的抗酸雨侵蝕能力，不同取代率及砂膠比的影響有較大差異。試驗中以20%的礦渣摻量、1.5的砂膠比配合提高效應最顯著。

【關鍵詞】礦渣；砂膠比；酸雨；干濕循環；抗折強度

隨著人們對各種建筑物（構筑物）使用年限要求的不斷提高，使得混凝土耐久性的研究成為了世界各國混凝土材料科研人員的研究熱點，也成為研究重點。導致混凝土耐久性不足有很多因素，其中環境酸化便是其一。酸沉降［2］是造成環境酸化的原因之一，包括濕沉降和干沉降。前者是指大氣中的酸性氣體（主要是指CO₂、SO_x、H₂S和NO_x等）通過降水(雨、霧、露、雪等)的形式遷移至地表，形成的PH值小于5.6的濕沉降物，這就是酸雨［2］。酸雨是目前舉世矚目的全球性環境問題，大量的調查結果表明，酸雨不僅對生態系統、農作物，而且對各種建筑材料及文化資源都會產生嚴重的影響。

我國對酸雨的研究和檢測起步較晚。1981年至1983年，全國開展了酸雨的調查。檢測結果表明，全國有20個省、市、自治區不同程度地出現了酸雨，占普查總數的87%，最嚴重的是江南區域。長江以南的蘇州、廣州、貴陽等城市，降水的PH值曾經低于4.0，其中最低值為3.1。政府有關部門對此問題已予以高度重視。目前已有一些研究人員針對酸沉降對混凝土的腐蝕機理、 實驗方法及獲得的主要成果進行了一些研究，取得了一些成果。毫無疑問，隨著時間的推移，這方面的研究將會有更多的發展，將會得到相關人士的更多關注。

本試驗旨在探討不同礦渣取代率下的砂漿的抗酸雨侵蝕的能力。研究礦渣微粉對水泥砂漿性能的影響，不但可以促進工業廢渣的合理利用，還可以為改善混凝土的抗酸雨侵蝕性能開辟一條有效且現實的技術途徑。

1. 試驗方案

1.1 原材料。水泥:湖南海螺42.5級普通硅酸鹽水泥，28d抗折強度為9.8MPa，抗壓強度為48.2 MPa；

礦渣:江西聯達高新建材廠生產S95級粒化高爐礦渣細粉，密度2.88g/cm³，比表面435m²/kg；

水:普通自來水；

砂:湘江河砂，細度模數2.7，屬II區中砂，最大粒徑4.75mm；

水泥、礦渣的化學組成見表1。

1.2 試件成型。本次試驗主要采用的試模為特制的塑料圓柱管(φ＝25mm、h=13mm)，按照表2所列配合比，每個配合比攪拌砂漿20L，分批裝入113根圓管，以測定在酸雨侵蝕下砂漿的強度等的性能變化；2個40mm×40mm×160mm三連模，以測定在酸雨侵蝕下砂漿的質量變化。試驗采用攪拌機攪拌，振動臺振動成型后，立即放入標準養護室養護，養護2d，拆模后入清水中養護至28d后分別浸泡清水與酸雨溶液中，進行對比試驗。

1.3 試驗方法：干濕循環浸泡法

（1）成型的試件于2d后拆模，并放入標準養護室養護至28d，并測得28d的相關初始試件性能：抗折強度，初始質量；

（2）按設計好的比例配制出試驗所用的酸雨-模擬酸液，模擬酸雨溶液組成見表3；

（3）到齡的圓管試件分成兩半，一半浸泡于酸液中，另一半浸泡于自來水中。為加快其侵蝕速度，采用干濕循環法(周期浸泡法)［3］：試件在酸液中浸泡3天，再取出放置于實驗室特制試件架上4天，接著又放于酸液中，如此循環即可；

（4）測試相關參數：試件浸泡到一定的齡期（4W、8W、12W、16W、20W）就按相關規范測定其抗折強度、質量變化。

（2）質量變化率

質量變化率=各測試齡期質量-28d初始質量28d初始質量（2）

2. 試驗結果與討論

2.1 水中養護的強度

2.1.1 當砂膠比m_S/m_b =2.5時，清水養護中的試件強度大多呈上升趨勢，尤其是礦渣摻量較少的S2，S4及基準S0組，但早期基準組高于其他組，后期則隨著礦渣摻量的大小而顯示不同的效應。S2，S4組隨試驗的進行強度值逐漸增強且大大高于S0組，S6和S8則相反，具體如圖1，圖2可看出。分析上述規律發生的原因，礦渣等量取代水泥，致使水泥用量降低，早期礦渣只起填充作用，活性沒有發揮出來，使得水泥水化產物減少，故早期強度發展較慢。而在后期，發生的二次水化反應［4］生成了大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠凝物質，以及其火山灰效應能改善砂漿的界面和孔的結構，降低砂漿的孔隙率，故強度有了提高，且隨著時間的進行增強效應更顯著。而對于摻量較大的組二次水化反應的生成物不足以使強度提高較快，故實驗強度值不及基準組。

2.1.2 當砂膠比m_S/m_b發生變化時：從圖3，圖4中可看出，礦渣的增強效應隨著砂膠比的相對降低發揮得更加顯著。S2B試驗組的強度值接近成直線增加，且較高于其他組。這是因為砂適量的減少則水泥漿相對增多，能更有效地填充在硬化后的水泥石中，改善水泥石的孔結構，提高水泥石的密實性，而起到更好的提高強度的作用。

2.2 模擬酸雨干濕循環腐蝕后的強度

2.2.1 當砂膠比m_S/m_b=2.5時，在PH值為4.0的模擬酸雨條件下礦渣微粉摻量對經模擬酸雨干濕交替循環腐蝕后的水泥砂漿試件強度的影響見圖5，圖6。

從圖可知：在模擬酸雨中強度變化的總體趨勢是先升高后降低。由圖知，早期發展規律和清水中的類似，28D抗折強度因礦渣的加入而使得純水泥砂漿試件的強度值高于其他試驗組，但后期強度則相反：摻量不大的試驗組S2和S4均高于基準組S0，較大摻量的S6，S8組則依然低于S0組。隨著試驗的進行，在8次（試件開始浸泡后歷時一周即干濕循環一次：7天一個循環）干濕循環腐蝕之后摻有礦渣微粉試件和基準組的純水泥砂漿試件的抗折強度均開始下降，但是下降的趨勢各不相同。而且就礦渣的性能而言，較少摻量的S2，S4組其抗折強度值在試驗中均高于S0組，但大摻量的S6，S8卻低于基準組，可以看出適量的礦渣摻量大大地改善了水泥砂漿的抗酸雨腐蝕能力。

2.2.2 當砂膠比m_S/m_b發生變化時，在PH值為4.0的模擬酸雨條件下礦渣微粉摻量對經模擬酸雨干濕交替循環腐蝕后的水泥砂漿試件強度的影響見圖7，圖8。

從上圖中可以得知：在本試驗條件下，砂膠比降低的試驗組S2A、S2B使得水泥砂漿的抗折強度值大大高于基準組及較大的砂膠比組S2。礦渣取代率相同（20%）而砂量不同時，S2B組（m_S/m_b=1.5）中各點值都高于S2A（=2.0）組及S2（m_S/m_b=2.5），且隨著試驗干濕循環次數的增加其下降的趨勢遠比其他組要平緩。

2.3 抗蝕系數。試件在侵蝕溶液中抗腐蝕性能一般用抗蝕系數來衡量。圖9為礦渣摻量發生變化時水泥砂漿試件的抗蝕系數，總體的變化趨勢是：礦渣微粉摻量為20%的S2和40%的S4試件的抗蝕系數在8次干濕循環之后才開始降低，而其它礦渣微粉摻量及基準組水泥砂漿試件的抗蝕系數在4次干濕循環之后即開始降低。其中礦渣微粉摻量S4組的抗蝕系數高于S2組但是S2組數值下降的速度卻遠比S4組平緩。圖10為砂膠比不同時砂漿試件的抗蝕系數。從圖中可知，純水泥砂漿的基準組抗試系數最低且呈明顯的下降趨勢，其他礦渣摻量則體現出較強的抗蝕性能，不僅強度降低的齡期晚而且抗蝕系數較高，此規律類似于圖9，但就砂膠比而言，S2A組的數值高于S2B組的，可是前者下降的速度卻不及后者的平緩。故此結論再連同上述抗折強度的分析可知，礦渣摻量組為S2B的水泥砂漿試件體現出更優的抗酸雨侵蝕能力。

2.4 水中養護的質量變化。試驗中水泥膠砂試件的質量因礦渣摻量的不同而具不一樣的變化，用質量損失率來體現此變化，其計算關系式為：質量損失率=各測試齡期的質量／28D初始質量。這樣進行比較則圖中點在豎軸零點上表示質量增長，零點以下則表示質量的減少。 從圖11可看出，在本試驗條件下，無論砂膠比的大小隨著試驗的進行各試驗組膠砂的質量在20W后均呈現增長的趨勢，這是因為水泥石中的水化反應持續進行著，齡期越長產生的水化物越多，從而質量得到增長。圖11中則可看出S2A組的增重保重效應最好。

2.5 模擬酸雨干濕循環腐蝕后的質量變化

2.5.1 當砂膠比m_S/m_b =2.5時，與清水中一樣的進行比較，用質量損失率來體現質量隨著干濕循環次數的增加而具有的變化規律，試驗的具體結果在下圖13，從中可以看出循環了4次時的質量變化還沒有特定的規律，這是試驗時間較短，試驗條件有限等而導致的。8次后各質量有增有減，且摻礦渣除S2組外其他組均呈現增長的趨勢，12次循環后所有試驗組的質量都有增加，即礦渣試驗組持續增重。16次與20次中質量呈減少的趨勢，而且基準組的減少程度遠大于礦渣摻合組。并且整個圖中S2組的各點離散性最少，即此他組的各齡期質量變化幅度最小，保持水泥膠砂整體性的能力最強。此上分析說明了活性摻合料礦渣（尤其是合適的摻量）能提高水泥砂漿抵抗酸雨腐蝕的能力。

2.5.2 當砂膠比m_S/m_b =2.0和1.5時，從圖14 中可看出S2A組則體現出最好的性能，由此可知對于質量而言含砂量相對較少的更有利水泥砂漿的發展，這點與上述抗折強度的發展規律是一致的。

3 結論

（1）在本試驗條件下，在清水中浸泡養護的不同礦渣微粉摻量的水泥砂漿試件的抗折強度值及質量在后期都呈上升的趨勢，且適當的摻量增強效應愈加明顯。

（2）適宜的礦渣微粉摻量和相對較小的砂膠比對水泥砂漿在PH值為4.0的模擬酸雨條件下保持其強度不變的能力有很好的改善作用。

（3）適宜的礦渣微粉摻量和相對較小的砂膠比對水泥砂漿在PH值為4.0的模擬酸雨條件下保持其質量不變的能力有很好的改善作用。

（4）大摻量礦渣微粉單獨使用的情況下砂漿的抗酸雨腐蝕能力不及純水泥砂漿，礦渣的效應得不到發揮反而產生負面影響。故工程實際中不提倡單摻量大的礦渣，而當與其它摻合料混摻時，本試驗還有待進一步研究或查閱相關方面的試驗研究。

參考文獻

［1］ 肖佳， 周士瓊. 酸雨條件下低鈣粉煤灰對水泥砂漿強度的影響［J］. 建筑材料學報，2005， 8(4);

［2］ 劉詠珍.酸沉降的形成、危害及其防治［J］.湘潭礦業學院學報，1994，3;

［3］ 周定，謝紹東，岳奇賢.模擬酸雨對砂漿影響的研究［J］.中國環境科學，1996，2(1);

［4］ 周士瓊.土木工程材料［M］.北京:中國鐵道出版社，2005

［文章編號］1619-2737（2008）05-20-125