大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性研究

陳茜

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建　廈門　361100）

大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性研究

陳茜

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建廈門361100）

本文研究不同礦粉和粉煤灰摻量的膠砂和混凝土在長期浸泡或干濕循環條件下的抗硫酸鹽侵蝕性能，以及配制的C50大摻量礦物摻合料混凝土在干濕循環條件下的抗硫酸鹽侵蝕性能和試塊破壞截面特殊的顏色現象。試驗結果表明：單摻礦粉易引起膨脹破壞；復摻粉煤灰后配制的混凝土的抗蝕性能較好；大摻量礦物摻合料的C50混凝土可達到KS90級抗硫酸鹽侵蝕性能，且其破壞后截面顏色可在一定程度上反映其受侵蝕情況。

大摻量礦物摻合料混凝土；抗硫酸鹽侵蝕；礦粉

0　前言

常用的抗硫酸鹽侵蝕的措施主要有使用抗硫酸鹽水泥，使用防腐劑，使用大摻量礦物摻合料混凝土，以及在混凝土構件表面涂上有機防腐材料等。抗硫酸鹽水泥在國內應用并不廣泛，因其采購困難，成本較高，福建地區更無廠商生產。近年來市場上出現的混凝土防腐劑，有的成分復雜，制作工藝較復雜及使用條件苛刻，成本較高，有的只注重市場，技術性不強，防腐效果差，未能真正解決問題。而大摻量礦物摻合料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究資料也相對較少。因此，本文使用攪拌站常用配合比和原材料對大摻量礦物摻合料混凝土抗硫酸鹽侵蝕特性進行研究，以期為實際工程提供數據參考。

1　原材料

水泥，潤豐 P·I42.5 水泥，詳細性能指標見表 1；粉煤灰，后石 F 類Ⅱ級，詳細性能指標見表 2；礦粉，S95 級，詳細性能指標見表 3；砂，河砂，細度模數 2.9，表觀密度為 2500kg/m3；石，碎石，顆粒級配 5～20mm，表觀密度為 2720kg/m3；外加劑，科之杰新材料集團有限公司生產的Point-S 混凝土減水劑。

表1　水泥性能指標

表2　粉煤灰性能指標　　　　　　　%

表3　礦粉性能指標

2　試驗方案

首先進行膠砂試塊抗硫酸鹽侵蝕試驗，即使用不同組分的礦粉和粉煤灰代替部分水泥，放入水箱長期浸泡；其次在粉煤灰摻量一定的條件下，改變礦粉摻量，分別在干濕循環與長期浸泡條件下進行混凝土試驗，試驗過程中保持溶液 pH值為 6～8，并根據硫酸鹽含量快速測定結果定期增加硫酸鈉；最后配制大摻量礦物摻合料混凝土，使用干濕循環試驗方法測試其能達到的抗蝕等級。

試驗所用設備有：混凝土抗硫酸鹽侵蝕干濕循環箱和硫酸鹽含量快速測定儀。試驗依據標準：GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》 ，以及 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準》。

3　礦粉與粉煤灰復摻膠砂試驗

膠砂試塊的膠凝材料組分如表 4 所示，試塊成型后標準養護 28d，測試其抗壓強度，并將完整試塊放入濃度為 10%的硫酸鹽侵蝕溶液中長期浸泡，觀察膠砂試塊形態變化。圖 1為膠砂試塊膨脹破壞圖。

表4　膠砂試驗配比與試驗結果

圖1　膠砂試塊膨脹破壞

隨著浸泡的進行，試塊的棱角處開始發生損壞，由圖 1a)可見，單獨加入礦粉的 4、5 組的膠砂試塊有明顯的膨脹破壞，而前三組試塊則無明顯變化。

已知在水泥基材料孔隙中硫酸鈉濃度足夠高時，可發生堿金屬硫酸鹽腐蝕。鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）在石膏（CaSO4·2H2O）充足時可穩定存在，二者是典型的硫酸鹽侵蝕產物。這些石膏會與單硫型水化硫鋁酸鈣和水化鋁酸鈣反應生成高硫型水化硫鋁酸鈣，因含有大量的結晶水，其體積比原來增加 1.5 倍以上，這將使得混凝土結構內部產生局部膨脹壓力，水泥石內部會出現結構的脹裂，造成水泥基材料的破碎和分裂破壞。特別是當結構物的一部分浸入鹽液中，另一部分暴露在干燥空氣中時，鹽液在毛細管抽吸作用下上升至液相線以上后蒸發，致使鹽液濃縮，則很容易引起水泥基材料發生此類結晶破壞。

因此，出現圖 1 情況的原因可能是由于經 28d 標準養護后，試塊表面水化已基本完成，而內部礦粉水化較慢，隨著硫酸鈉溶液的逐漸滲入，對內部的礦粉產生了一定的激發作用，生成高硫型鈣礬石，體積膨脹，而外表面強度抵抗不了內部的膨脹應力，從而產生裂縫。

4　不同礦粉摻量的影響試驗

不同礦粉摻量的影響試驗中混凝土配合比及試驗結果如表 5 和圖 2 所示。配合比的水膠比相同，膠凝材料總量相同，調整礦粉與粉煤灰之間的比例，研究礦物摻合料對混凝土抗蝕性能的影響。礦粉取代水泥的比率分別為 0、20%、10%、30%，所得試塊分別置于三種養護條件下：干濕循環養護箱（干濕循環）、水槽（5% 的硫酸鈉溶液長期浸泡）；標準養護室（標養）。測其長期浸泡 40d 與干濕循環 40 次后各組的抗壓強度與抗蝕系數。

從圖 2 中可見：K2 和 K3 組中，混凝土的抗蝕系數大于1，且強度較高，K2 和 K3 組在長期浸泡條件下，其強度與抗蝕系數顯著高于其他兩組，說明礦粉摻量在 10% 至 20% 時，有利于混凝土的抗硫酸鹽侵蝕；在干濕循環條件下此規律則不明顯，這可能是由于短期內干濕循環的溫度變化等影響因素導致的。

表5　混凝土配合比及抗壓強度試驗結果

圖2　不同礦粉摻量混凝土的抗蝕系數

5　C50 混凝土抗侵蝕試驗

本文針對嚴重化學腐蝕環境，配制了 C50 混凝土，并測試其抗蝕性能，配合比見表 6。測得該配比混凝土在干濕循環 90 次后，其抗蝕系數降為 0.88；在干濕循環 120 次后，降為 0.74，根據 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》中規定抗硫酸鹽侵蝕性能，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級為 KS90，屬于抗蝕性能較好的混凝土。

圖 3 為試塊受壓破壞后的截面對比圖。

表6　C50 混凝土配合比　kg/m3

圖3　試塊受壓破壞后截面對比

C50 配合比中使用了大摻量的礦粉和粉煤灰，由于礦粉中含氧化鐵類物質，在參與水化過程中轉變為二價鐵，使混凝土膠材部分顏色呈現二價鐵特有的藍綠色。一個簡單的試驗也可證明藍綠色是礦粉水化引起，即在礦粉中加入氫氧化鈣，加水后進行加熱，可明顯觀察到下沉粉末的顏色變化。

藍綠色消失是否是因其與硫酸鹽或其產物發生化學反應還需試驗進行驗證，但對于礦粉產物量較多的混凝土，存在一種普遍現象，即與空氣接觸的混凝土表面在一段時間后也可由藍綠色變回正常混凝土的顏色。而在干濕循環中的烘干期間，混凝土與熱風接觸，其顏色編號深度各異，或是由于混凝土表面硫酸鹽侵蝕后導致微裂縫增大，不同程度地加速了這種反應，即截面灰白色部分越多，試塊受硫酸鹽侵蝕深度越大。

從圖 4 可見，圖中下半部分是標養的混凝土截面，與受侵蝕環境下的混凝土受壓破壞后的截面的顏色分布有顯著差異，混凝土產生類似碳化試驗的效果（即被碳化的表層的混凝土噴撒酚酞后不變紅）。

圖4　受侵蝕試塊與標養試塊截面顏色對比

圖5　C30 試塊表面

分別取邊緣白色部分和中間藍綠色部分的試樣，進行掃描電鏡分析。在白色部分發現了大量棒狀的鈣礬石晶體，如圖 7 所示，尤其是在圖 8 所示的孔中。而在藍綠色部分所取試樣的微觀圖中，可觀察到向不同方向生長的氫氧化鈣晶體、無定形的 C-S-H，以及未水化的膠材顆粒，但極少見硫酸鹽侵蝕的產物。

由此可見，摻入大量礦粉的混凝土的破壞試塊的顏色在一定程度上反映出其受硫酸鹽侵蝕的情況，但具體水化反應過程還需進一步研究加以證實。

圖6　試塊表面白色部分微觀結構

圖7　孔中散落的大量棒狀晶體

圖8　試塊截面藍綠色部分微觀結構

圖9　內部存在未水化顆粒

6　小結

（1）礦粉與粉煤灰復摻，可達到較好的抗硫酸鹽侵蝕作用；而單摻時或更易導致膨脹破壞。

（2）大摻量礦粉的混凝土內部在水化后呈現特殊藍綠顏色，受硫酸鹽侵蝕的外部則呈灰白色，顏色深度與硫酸鹽侵蝕有一定關系。

[1] 胡曙光，覃立香，等．礦渣對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的影響[J]．武漢工業大學學報，1998(3): 1-3．

[2] 高禮雄，姚燕，王玲，等．水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法的探討[J]．混凝土，2004(10): 12-14．

[3] 廉慧珍，童良，陳恩義．建筑材料物象研究基礎[M]．北京：中國建筑工業出版社，106-143．

［通訊地址］廈門市同安區新民鎮鳳嶺路 760 號（361100）

陳茜（1987—），女，工程師。