硫酸鹽作用下粉煤灰輕骨料混凝土力學性能及微觀結構

高英力， 龍 杰， 劉 赫， 張海倫， 李友云

（長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114）

輕骨料混凝土（LWAC）因其導熱系數小、保溫性能好、耐腐蝕等優點，現已越來越廣泛應用在高層建筑、大跨徑橋梁等重大工程中.輕骨料混凝土在滿足強度及其他性能要求的同時，既能減輕自重，又能降低彈性模量，并使骨料與砂漿之間具有良好的黏結性能.

目前，已有一些關于輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能及其界面微觀結構特征的研究報道，例如：Amir等［1］通過微觀試驗、導電試驗進行了輕骨料砂漿微觀結構和耐久性研究，結果表明輕骨料優化了砂漿界面過渡區微觀結構，并使砂漿SO3濃度在一定程度上有所降低.田耀剛等［2］進行了輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能研究，結果表明輕骨料混凝土具有良好的抗硫酸鹽腐蝕性能，同時摻加粉煤灰或硅灰能優化輕骨料混凝土內部孔隙，提高輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力.董淑慧等［3］研究輕骨料－水泥石界面微觀結構特征，結果表明隨著輕骨料預飽和水程度的提高，輕骨料－水泥石界面厚度從30μm增加至60μm左右，同時在界面厚度大于20μm處，孔結構呈細化趨勢，界面微觀結構得到優化.胡曙光等［4］經過對輕骨料與水泥石界面結構的研究，指出摻加礦物外加劑能夠使輕集料原始缺陷得到有效彌補，優化輕骨料與水泥石界面微觀結構.Irassar等［5］研究認為礦物摻合料在對混凝土孔隙細化的同時，還引起硫酸鹽溶液毛細吸附高度升高，導致更加嚴重的結晶破壞，這一觀點與當前許多研究認為礦物摻合料能提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕性相矛盾.然而當前對輕骨料混凝土的研究仍主要集中在對其早期力學性能［6］、抗碳化性能［7－8］、抗滲性［9］、抗 凍性［10－13］、彈性模量［14］等方面的研究，因此有必要對輕骨料混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能，特別是對不同礦物摻合料條件下輕骨料混凝土經硫酸鹽腐蝕后其力學性能的演變規律及界面微觀結構變化情況做進一步的研究.

本文以圓球型頁巖陶粒為主要粗骨料，同時摻加15%1）文中涉及的摻量、水膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比.的破碎型頁巖陶粒（以增加骨料間的摩擦力，減少骨料的相對滑動，抑制輕骨料在振搗過程中的上浮），制備輕骨料混凝土.用一級粉煤灰（FA（I））等體積代替30%普通砂，制備粉煤灰輕骨料混凝土.以超細粉煤灰（UFA）、硅灰（SF）分別等量取代粉煤灰輕骨料混凝土10%～40%和5%～15%水泥，然后研究在硫酸鹽作用下礦物摻合料對粉煤灰輕骨料混凝土力學性能演變規律及微觀結構變化的影響.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥（C）：湘鄉水泥廠產P·O42.5水泥，比表面積為325m2／kg.超細粉煤灰：湖南湘潭火電廠產超細粉煤灰，比表面積為550m2／kg；一級粉煤灰：湖南湘潭火電廠產一級粉煤灰，比表面積為425m2／kg.硅灰：挪威埃肯公司產硅灰，比表面積為18 000m2／kg.膠凝材料化學組成見表1.

細骨料：湘江河砂（連續級配），細度模數為2.75，表觀密度為2 650kg／m3，堆積密度為1 480kg／m3.粗（輕）骨料：5～20mm連續級配圓球型和破碎型頁巖陶粒（見圖1，2），其主要性能如表2所示.

表1 膠凝材料的化學組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials %

圖1 圓球型頁巖陶粒Fig.1 Spherical shale haydite

圖2 破碎型頁巖陶粒Fig.2 Crushed shale haydite

表2 輕骨料主要性能Table 2 Main performances of lightweight aggregates

外加劑：聚羧酸高效減水劑，含固量為33%，減水率為30%.

1.2 試驗方法

（1）抗壓強度試驗.混凝土抗壓強度試驗按GBJ 81—85《普通混凝土力學性能試驗方法》進行.

（2）干濕循環試驗.混凝土干濕循環試驗按GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行，試件尺寸為100mm×100mm×100mm；試驗溶液為0%，5%，10%Na2SO4溶液；干濕循環制度為：在Na2SO4溶液中浸泡12h，再在65～76℃的烘箱中烘烤12h.當干濕循環0，10，20，50次后，測試混凝土試件抗壓強度，分析試件破壞情況，并計算抗蝕系數K（K＝干濕循環后試件抗壓強度／干濕循環前試件抗壓強度）.

（3）工業CT試驗.采用德國YXLON工業CT層析掃描設備觀測混凝土試件斷面.

（4）壓汞試驗.采用美國 Micromeritics公司AutoPoreⅣ9500型壓汞測定儀測定混凝土孔隙率.

（5）動彈性模量試驗.采用動彈儀測定干濕循環前后混凝土試件（尺寸為100mm×100mm×300mm）的動彈性模量，并計算相對動彈性模量Er值.

1.3 混凝土配合比設計

普通混凝土（P0）配合比設計按JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行.輕骨料混凝土（Q0）按照JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》進行配合比設計，粗骨料主要為圓球型頁巖陶粒.整體用FA（I）等體積取代30%普通砂，制備粉煤灰輕骨料混凝土.用UFA等質量取代水泥，取代率分別為10%，20%，30%，40%（試件編碼相應為 F10，F20，F30，F40），或者用SF等質量取代水泥，取代率分別為5%，8%，10%，15%（試件編碼相應為S5，S8，S10，S15）.減水劑摻量以控制拌和物坍落度在（150±20）mm為準.陶粒預濕1h，砂率（體積分數）為40%.混凝土配合比如表3所示.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

干濕循環后混凝土的抗壓強度見圖3（a）～（c）.由圖3（a）可知：當 Na2SO4溶液濃度為0%時，隨干濕循環次數增加，混凝土抗壓強度總體呈先上升而后下降趨勢.干濕循環50次后，P0試件的K值為94.3%，Q0試件的K值為97.1%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的K值為100.3%～104.0%，均大于100%，其中F30試件的K值最大，為104.0%；摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的K 值為99.1%～102.9%，其中S10試件的K 值最大，為102.9%.上述表明，在無硫酸鹽存在條件下，干濕循環50次后，摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土抗壓強度有所提高，而摻SF粉煤灰輕骨料混凝土抗壓強度幾乎不變.這是因為：摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土二次水化反應遲緩，干濕循環及輕骨料返水作用為二次水化創造了條件，使試件越加密實，抗壓強度進一步提高；摻SF粉煤灰輕骨料混凝土早期強度上升較快，在微集料作用下孔隙更加密實，阻斷了水分的侵蝕，因此其抗壓強度幾乎不受干濕循環的影響.

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

圖3 干濕循環后混凝土的抗壓強度Fig.3 Compressive strength of concrete after drying－wetting cycle

由圖3（b）可知：當Na2SO4溶液濃度為5%時，在干濕循環50次后，P0試件的K值為83.0%，Q0試件的K值為95.9%；摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土K 值基本大于96%；由圖3（c）可知，當Na2SO4溶液濃度為10%時，在干濕循環50次后，混凝土抗壓強度下降較快，其中P0試件抗壓強度下降最為迅速，其K值為73.6%，小于破壞標準值75%［15］，表明其已經破壞；Q0試件的K值為89.7%；摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土K 值均大于90%.隨UFA或SF取代率的提高，粉煤灰輕骨料混凝土K值呈先增加而后減少趨勢（見圖4），此時UFA，SF的最優取代率分別為20%，10%，其K 值分別為94.4%，94.6%.

圖4 摻合料對粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕性能的影響Fig.4 Effect of admixture on the corrosion resistance of LWAC with fly ash

摻加UFA，SF后，粉煤灰輕骨料混凝土K值較大.這是因為：首先，礦物摻合料等量取代水泥，減少了水泥水化時產生CH的數量，同時活性礦物摻合料通過水化反應，消耗了部分CH，較大程度地降低了CH含量，延緩了鈣礬石和石膏的形成.其次，UFA，SF的微集料效應，阻斷了混凝土中的毛細管通道，填充了因硫酸鹽膨脹腐蝕引起的裂縫，提高了混凝土的密實性，有效緩解了硫酸鹽對粉煤灰輕骨料混凝土的進一步腐蝕，同時，礦物顆粒的微骨架作用使粉煤灰輕骨料混凝土結構體得到更有力的支撐.因此，適量的UFA，SF能在一定程度上有效緩解硫酸鹽對粉煤灰輕骨料混凝土的侵蝕影響.

圖5，6分別為硫酸鹽作用下普通混凝土和輕骨料混凝土破壞斷面的CT圖.對比圖5，6可知：在干濕循環為50次時，與5%Na2SO4溶液相比，10%Na2SO4溶液對試件的腐蝕更為明顯；在相同干濕循環條件下，普通混凝土骨料明顯分離，邊角脫落嚴重，而輕骨料混凝土骨料界面則得到了明顯優化.

圖5 硫酸鹽作用下普通混凝土（P0）破壞斷面CT圖（干濕循環50次）Fig.5 CT of fracture section in ordinary concrete（P0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

圖6 硫酸鹽作用下輕骨料混凝土（Q0）破壞斷面CT圖（干濕循環50次）Fig.6 CT of fracture section in LWAC（Q0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

2.2 孔隙率

混凝土中的孔隙結構將直接影響腐蝕性介質入侵時的難易程度.筆者采用工業CT透視觀察標準養護28d的普通混凝土和輕骨料混凝土內部孔結構，結果見圖7，8.比較圖7，8可知，普通混凝土基體內部孔隙較大，而且分布密集，這使得腐蝕性介質較易進入普通混凝土內部產生破壞；輕骨料混凝土基體內部孔徑明顯較小，孔密度大幅度減少，孔隙主要分布在輕骨料內部.

筆者進一步通過壓汞試驗測得標準養護28d混凝土的總孔隙率及各孔徑孔所占的體積分數，結果如表4所示.由表4可見：相比普通混凝土，各組試樣的總孔隙率普遍降低，大于100nm的有害孔明顯減少；混凝土＜100nm孔所占體積分數的大小順序為：S10，S8，F20，S15，S5，F10，F30，F40，Q0，P0.

圖7 普通混凝土28dCT透視圖Fig.7 CT perspective of ordinary concrete at 28d（size：mm）

圖8 輕骨料混凝土28dCT透視圖Fig.8 CT perspective of LWAC at 28d（size：mm）

表4 不同混凝土28d孔隙率Table 4 Porosities of different kinds of concrete at 28d

摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土總孔隙率明顯減小，＜100nm孔的體積分數明顯增多，例如F20試件為P0試件的1.39倍，S10試件為P0試件的1.46倍.產生上述現象的原因主要是：首先，礦物摻合料使水泥石孔隙結構得到有效改善，基體愈加致密，同時礦物摻合料還可封堵400～150nm的孔隙，形成“梯級封堵”［16］.并在此基礎上，通過火山灰作用以及輕骨料特有的返水內養護作用，疊加礦物摻合料的微集料作用，降低了水泥石中有害孔的數量，提高了無害孔（＜20nm）和少害孔（20～50nm）所占比例，增強了混凝土的抗蝕性.其次，礦物摻合料不僅減小了混凝土因膨脹而產生內部裂縫的幾率，還抑制了輕骨料－砂漿界面區CH完整晶體的定向排列［3］，提高了輕骨料－砂漿界面的黏結性能，優化了輕骨料－砂漿界面過渡區微觀結構.因此，適量摻加礦物摻合料是改善粉煤灰輕骨料混凝土界面過渡區缺陷，降低孔隙率，提高抵抗一定濃度硫酸鹽侵蝕能力的一項有效技術手段.

2.3 動彈性模量

在Na2SO4溶液濃度為5%和10%條件下，干濕循環50次后，混凝土相對動彈性模量Er5，Er10分別見圖9，10.由圖9可知，在Na2SO4溶液濃度為5%條件下，干濕循環50次后，普通混凝土（P0）的Er5值為62.3%，接近破壞標準值（標準值為60%［15］）；輕骨料混凝土（Q0）的Er5值為78.1%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的Er5值為87.5%～94.9%，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的Er5值為90.3%～95.3%，相比之下，摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土比摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的動彈性模量損失更大.由圖10可知，在Na2SO4溶液濃度為10%條件下，干濕循環50次后，普通混凝土的Er10值為57.2%，表明該試樣已經破壞，這與混凝土抗蝕系數試驗結果相一致；輕骨料混凝土的Er10值為70.2%；摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土的Er10值為84.1%～90.3%，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土的Er10值為84.5%～89.2%，即摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土和摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失較為接近.上述表明，在Na2SO4溶液濃度較低環境中，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失低于摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土；隨著Na2SO4溶液濃度進一步提高，粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失明顯加快，礦物摻合料對混凝土結構基體抗蝕性影響減弱.

圖9 Na2SO4溶液濃度為5%時干濕循環50次的Er5值Fig.9 Er5after 50drying－wetting cycles in 5%Na2SO4solution

圖10 Na2SO4溶液濃度為10%時干濕循環50次的Er10值Fig.10 Er10after 50drying－wetting cycles in 10%Na2SO4solution

3 結論

（1）當Na2SO4溶液濃度為0%～10%時，混凝土抗壓強度在干濕循環20次時達到最高值，超過20次后抗壓強度下降較快.

（2）在10%Na2SO4溶液中干濕循環50次，摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕系數有較大提高.當UFA，SF取代率分別為20%，10%時，粉煤灰輕骨料混凝土抗蝕系數達到最高值.

（3）摻UFA，SF粉煤灰輕骨料混凝土孔徑明顯減小，50～100nm孔體積分數明顯增多.摻20%UFA和摻10%SF粉煤灰輕骨料混凝土＜100nm孔體積分數分別為普通混凝土的1.39，1.46倍.

（4）適量摻加UFA或者SF，能減少粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失，優化輕骨料－砂漿界面過渡區微觀結構，增強輕骨料－砂漿界面黏結性能，延緩硫酸鹽對混凝土結構基體的進一步侵蝕.

（5）在Na2SO4溶液濃度較低環境中，摻SF粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失小于摻UFA粉煤灰輕骨料混凝土.隨著Na2SO4溶液濃度進一步提高，2種粉煤灰輕骨料混凝土動彈性模量損失都明顯加快.

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