堿礦渣陶粒混凝土密實性及硫酸鹽腐蝕試驗

林華藝，林旭健，季 韜，梁詠寧，程可佳，鄭文元，朱木強

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

堿礦渣陶粒混凝土密實性及硫酸鹽腐蝕試驗

林華藝，林旭健，季 韜，梁詠寧，程可佳，鄭文元，朱木強

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350116)

通過孔結構、抗滲性和硫酸鹽腐蝕試驗，研究堿礦渣陶粒混凝土的密實性以及受硫酸鹽腐蝕混凝土的退化性能.研究結果表明，對于同種骨料，堿礦渣混凝土的密實性優于普通混凝土；對于同種水泥，陶粒混凝土的電通量較高，其密實性比礫石混凝土的差.混凝土在硫酸鹽溶液中浸泡會使混凝土強度先提高再降低，但堿礦渣混凝土強度下降幅度比普通混凝土的小，且堿礦渣陶粒混凝土的下降幅度比堿礦渣礫石混凝土的小.堿礦渣陶粒混凝土具有較好的耐硫酸鹽腐蝕能力.

堿礦渣陶粒混凝土; 孔結構；抗滲性；硫酸鹽腐蝕；密實性

0 引言

硅酸鹽水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但隨著我國建材行業的發展和國家政策的調整，建筑材料逐漸轉向環保、節能、無污染.在綠色材料發展潮流的沖擊之下，硅酸鹽水泥存在的不足顯露出來：一方面，能源與資源消耗大，另一方面，熟料煅燒過程中會釋放大量溫室氣體，對環境污染極大[1-2].因此，研究膠凝材料制備的新原理，加強工業廢渣的利用，是一項具有科學意義和實際意義的工作[3-4].

20世紀30年代，Purdon等[5]研究發現，少量NaOH在水泥硬化過程中可起催化作用，使水泥中鋁硅酸鹽易溶而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，進一步與氫氧化鈣反應形成水化硅、鋁酸鈣，使水泥硬化并重新生成NaOH，催化下一輪反應，由此提出“堿反應”理論.此后，前蘇聯開展大量相關研究，開發新型堿礦渣水泥，我國于20世紀80年代也開始相關研究，取得大量的研究成果[6].大量研究和實踐發現，與硅酸鹽水泥相比，堿礦渣水泥具有低需水量、低水化熱、強度高、耐久性好、護筋性優良、優越的負溫硬化性能等優點[7-11].陶粒混凝土屬于高性能輕骨料混凝土，比傳統混凝土輕20%以上，而且耐久性好.從建筑節能方面考慮，其能耗將節約40%～60%[12].另外, 輕骨料原料主要為工業廢渣，可以節約碎石的消耗，也有利于環境保護和可持續發展的需要.

目前，還沒有學者研究堿礦渣水泥在輕骨料混凝土中的性能，對于堿礦渣水泥在混凝土中的應用也比較少.堿礦渣陶粒混凝土的研發，將充分發揮輕質、保溫隔熱、耐久性好等優點，更好地應用到建筑結構中，比如輕質砌塊、建筑板材(空心隔墻板、屋面板)、耐火隔熱制品等，隨著研究深度的增加，必然會逐漸應用到框架結構上.本研究將通過孔結構試驗、抗滲性試驗和硫酸鹽腐蝕試驗等，著重堿礦渣陶粒混凝土的密實性及受硫酸鹽腐蝕退化性能.

1 試驗研究

1.1 試驗材料

1) 水泥：福建煉石牌42.5R普通硅酸鹽水泥，表觀密度為 3 050 kg·m-3，比表面積為360 m2·kg-1，燒失量LOI為1.06%.其中主要成分有82.5%的熟料、5.5%的二水石膏、4.0%的粉煤灰、4.0%的石灰石及4.0%的礦渣.

2) 細骨料：采用閩江河砂，根據GB/T 14684-2001[13]測得細骨料的細度模數為2.5，粒徑小于5 mm，堆積密度為1 481 kg·m-3，表觀密度為2 590 kg·m-3.

3) 粗骨料：所用普通礫石按照GB/T 14685-2011[14]規定的方法對礫石的各項指標進行測定，測得礫石的表觀密度為2 660 kg·m-3，堆積密度為1 532 kg·m-3，吸水率為0.2%，壓碎值為8.45%.選用湖北宜昌寶珠陶粒開發有限責任公司生產的圓球型頁巖陶粒，參照GB/T 17431.2-2010[15]測定輕骨料陶粒的基本性能指標，其中：表觀密度為1 460 kg·m-3，堆積密度為845 kg·m-3，筒壓強度為5.6 MPa，空隙率為42.1%，1 h和24 h吸水率分別為2.0%和4.06%.圓球型頁巖陶粒的顆粒級配見表1.

表1 圓球型頁巖陶粒的顆粒級配Tab.1 Gradation of ceramsite

4) 礦渣：所用礦渣為泰宇混凝土廠提供，其主要化學成分為32.85%的SiO2、37.44%的CaO、13.01%的Al2O3等.其中:堿度系數M0為1.051，質量系數KKC為1.731，活性系數Ma為0.39.

5) 水：所用水為福州地區的自來水.

6) 堿激發劑：NaOH由北京康普匯維科技有限公司生產，為顆粒狀，純度為99%.Na2SO4采用上海埃彼化學試劑有限公司生產的無水硫酸鈉，為顆粒狀，純度為99%.Na2SiO3采用液體水玻璃，固體含量為33.7%，其中：Na2SiO3含量為25.86%，Na2O含量為7.84%，模數為3.3.

1.2 試驗配合比

采用兩組堿礦渣水泥作為研究對象，一個是中性鈉鹽堿礦渣水泥，各組分比例為Na2SO410%、普通硅酸鹽水泥5%、礦渣85%，另一個是以Na2SO4和Na2SiO3作為復合劑激發劑的堿礦渣水泥，各組分的比例為Na2SO47.5%、Na2SiO32.5%、普通硅酸鹽水泥5%、礦渣85%，并以普通硅酸鹽水泥作為基準組進行參考.采用兩種骨料作為研究對象，分別為天然碎石和頁巖陶粒.參考JGJ 55-2011[16]、JGJ 51-2002[17]和文[18]設計混凝土配合比，并利用正交試驗對水泥用量、凈水灰比、體積砂率等參數進行優化，最終選定水泥用量為480 kg·m-3，凈水灰比為0.35，體積砂率為0.35.試驗配合比見表2.表2中，JZT表示采用普通硅酸鹽水泥和陶粒制成的混凝土；JZS表示采用普通硅酸鹽水泥和礫石制成的混凝土；FHT表示采用Na2SiO3和Na2SO4復合激發的堿礦渣水泥和陶粒制成的混凝土；FHS表示采用Na2SiO3和Na2SO4復合激發的堿礦渣水泥和礫石制成的混凝土.

表2 中性鈉鹽堿礦渣混凝土配合比

Tab.2 Mix proportion of neutral sodium-salt alkali-activated slag (AAS) cement concrete(kg·m-3)

組別ρ水泥ρ礫石ρ陶粒ρ砂ρ水ρ礦渣ρNa2SO4ρNa2SiO3ρNaOHJZT480-638607168----JZS4801157-607168----FHT24-638607168408367.14.9FHS241157-607168408367.14.9

普通水泥混凝土攪拌過程：陶粒在凈水中預濕24 h→將陶粒、砂和水泥倒入攪拌機中攪拌0.5 min→將水倒入攪拌機中攪拌2.5 min→振搗采用振動臺振實和手工壓實結合，振搗時間以拌合物搗實和避免輕骨料上浮為原則，宜為10～30 s.

堿礦渣水泥混凝土攪拌過程：陶粒在凈水中預濕24 h→將礦渣和水泥倒入攪拌機中干拌3 min→將激發劑(Na2SO4、Na2SiO4、NaOH)溶解在水中，再將水倒入上一步中得到的混合物中，攪拌1 min→將砂和預濕的陶粒倒入攪拌機中攪拌2.5 min→振搗采用振動臺振實和手工壓實結合，振搗時間以拌合物搗實和避免輕骨料上浮為原則，宜為10～30 s.

2 試驗方案

2.1 孔結構試驗

孔結構采用的試驗儀器為北京金埃譜公司生產的V-Sorb2800孔結構分析儀.

1) 樣品制備.將達到測試齡期的混凝土試塊放入烘箱內，在60 ℃溫度下烘干，用錘頭破碎混凝土試塊，得到混凝土小顆粒，然后裝入潔凈的樣品管中.

2) 樣品預處理.將裝有樣品的樣品管安裝到預處理區域，此時應當注意預處理溫度不應高于80 ℃，因為研究表明鈣礬石在80 ℃時會開始分解.

3) 樣品測試.將預處理后的樣品管安裝到測試區，選擇“孔徑分布測定”，開始測試.

2.2 抗滲性試驗

采用電通量法(ASTMC1202法)測定混凝土滲透性能.

1) 真空飽水：使用NEL-VJH型混凝土智能真空飽水機，將試樣放入真空室中，層間應保持通氣.開啟真空飽水機自動真空飽水，飽水完畢后從真空室中取出試樣進行電通量試驗.

2) 配制溶液：配制3%的NaCl溶液、0.3 mol·L-1的NaOH溶液，使之充分溶解后靜置備用.

3) 電通量試驗：將真空飽水后的混凝土試件安裝在有機玻璃夾具上，先在夾具里注入清水，檢測是否漏水，當不漏水后用石蠟封住試塊四周；然后在正極(紅色接線柱)夾具中注入已配制好的NaOH溶液，負極(黑色接線柱)夾具中注入已配制好的NaCl溶液.將各組夾具與電通量測試主機用信號線連接起來，打開電源，設置各通道及時間步數，每隔15 min儀器將自動記錄顯示的電量，6 h后試驗完成，讀取各通道的電量.其中，電量數值>4 000 C、2 000～4 000 C、1 000～2 000 C、100～1 000 C、<100 C分別對應混凝土滲透性高、中等、低、很低、可忽略五個等級，由此來評價混凝土滲透性的好壞.

2.3 受硫酸鹽腐蝕混凝土退化性能試驗

采用加速腐蝕試驗方法(烘干-浸泡循環)進行研究，研究表明[19]，烘干-浸泡的加速腐蝕方法比全浸腐蝕的速率更快.按照以下步驟配置質量分數為10%的Na2SO4溶液：將純度98%以上(近似100%)的無水硫酸鈉倒入水中攪拌至完全溶解，無水硫酸鈉與水的質量比為1 ∶9.

所設計的循環制度為：室溫25 ℃下，采用質量分數為10%的Na2SO4溶液浸泡2 d(48 h)→取出擦干表面水分2 h→80 ℃恒溫烘干20 h→冷卻觀察2 h，即為一個循環，每個循環為72 h(3 d).

本試驗主要研究受硫酸鹽腐蝕時，堿礦渣陶粒混凝土與普通混凝土早期退化過程的不同，快速區分不同混凝土耐硫酸根離子的能力，最多循環次數定為10次.試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，成型24 h后脫模，標準養護28 d，在清水中浸泡2 d后，直接測量和進行5次上述循環后測量以下指標：① 擦干試件表面，測得干質量；② 80 ℃烘干20 h，測得干質量；③ 測5、10次循環后試件的抗壓和抗折強度.

3 試驗結果及分析

3.1 混凝土孔結構試驗結果及分析

通過對混凝土采樣后測定孔結構，得到的孔徑分布情況見表3、表4.

表3 混凝土不同孔徑范圍的總孔體積

Tab.3 Total pore volume of different range of diameter of concrete

(mL·g-1)

編號總孔體積總孔體積分布d=2～20nmd=20～50nmd=50～200nmJZT0.038210.008790.015320.01410JZS0.039850.008890.017360.01359FHT0.015850.012140.001430.00029FHS0.016570.014140.001890.00054

表4 混凝土不同孔徑孔隙的體積分布情況Tab.4 Volume distribution of concrete of different diameter pore

堿礦渣混凝土的孔直徑比普通混凝土小得多，直徑小于20 nm的孔占70%以上，而普通混凝土僅占約20%.普通混凝土50 nm以上的孔達到30%以上，而堿礦渣混凝土僅占10%以下.從水化產物層面來解釋，堿礦渣水泥基體內，由礦渣反應生成的水化產物多是箔片狀的C-S-H，以未水化礦渣為中心節點形成了密切的網絡結構，產生的大部分為凝膠孔，使得混凝土具有更低的孔隙率[20-21].而在普通硅酸鹽水泥中C-S-H多為纖維狀，其網絡連接較弱，大部分為毛細孔[22-23].因此, 普通混凝土的孔徑相對較大，且其總孔體積遠遠大于堿礦渣混凝土.

通過對比陶粒混凝土和礫石混凝土可以發現，兩種不同骨料的混凝土總孔徑體積相差不大，但在陶粒混凝土中，直徑20 nm以下的孔要比礫石混凝土多約3%.這主要是因為陶粒在混凝土中的內養護作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化，水泥石結構也更加致密.

3.2 混凝土電通量結果及分析

表5 混凝土氯離子滲透性試驗結果試驗結果Tab.5 The results of test of chloride ion permeability in concrete

混凝土氯離子滲透性試驗結果見表5.從試驗結果看，無論是采用礫石還是陶粒，堿礦渣混凝土的電通量均要低于普通混凝土.其主原因在于，礦渣的比表面積比普通硅酸鹽水泥大，其參與反應的接觸面積大，其形成的水化產物連接更多，形成更加致密的空間網絡.另外，礦渣還具備更強的物理填充作用，因此, 堿礦渣混凝土的水泥石結構比普通混凝土更密實，孔隙率更低.混凝土的氯離子滲透系數與水泥石的孔結構及混凝土的界面過渡區密切相關，合理的水泥石孔徑分布及致密的界面過渡區都會使混凝土抗滲性能更加優異.電通量試驗結果與孔結構的試驗結果一致，均說明堿礦渣混凝土孔徑更小、更加密實.因此，堿礦渣混凝土抗滲性能要優于普通混凝土.

另外，陶粒混凝土的電通量均比同種水泥的普通混凝土大.目前陶粒對混凝土抗滲性的影響并沒有定論，李寶城[24]認為輕骨料存在自養護作用，讓骨料附近的水泥石水化充分；崔宏志[25]認為輕骨料的多孔材性，可以從水泥漿體中吸收部分的水分，改善骨料與硬化水泥石界面，從而改善抗滲性.從本試驗結果來看，內部具有較多孔隙的陶粒會為氯離子在混凝土中的遷移提供通道，雖然飽水陶粒對界面過渡區有明顯的內養護作用，但是由于本研究所采用的是表面結構較為致密的頁巖陶粒，相比于普通陶粒，致密結構會使通道減少，削弱陶粒的吸水返水作用，從而減弱陶粒對混凝土過渡區的增強作用.因此，低吸水率的陶粒會對混凝土的抗滲性產生負面影響.

3.3 受硫酸鹽腐蝕混凝土退化性能及分析

采用養護28 d后的混凝土試塊進行浸泡，在質量分數為10%的Na2SO4溶液浸泡下，抗壓、抗折強度與循環次數的關系見圖1，強度損失率見表6.

圖1 抗壓、抗折強度與循環次數的關系Fig.1 Relation between compressive strength, tensile strength and cycle number

表6 10%Na2SO4濃度浸泡下混凝土的抗壓、抗折強度(損失率)Tab.6 The loss of mechanical properties of concrete under 10% Na2SO4 solution

注：損失率=(1-溶液浸泡下的強度/標準養護下的強度)×100%

由圖1可知，4組混凝土的抗壓強度在10%硫酸鈉溶液浸泡下隨干濕循環次數的增加先增長后減小.臧興震[26]的研究表明，混凝土的抗壓強度在初期增長較快，而在浸泡120 d后開始下降，這與本試驗的規律是一致的.說明硫酸根溶液對混凝土初期強度有提升作用，對混凝土后期強度有損害.根據文[5]可知，混凝土受到硫酸鹽的侵蝕作用后，水泥石內部生成了大量的膨脹性物質(鈣礬石)，使得在初期混凝土內部的孔隙變小，內部結構更加緊密，混凝土強度有所增強.但是隨著腐蝕程度增加，鈣礬石造成的混凝土內部壓力逐漸增大，當其達到混凝土的極限抗壓強度后，水泥石內部開始出現微裂縫.當侵蝕進一步加深，微裂縫逐漸變大，最后演變成宏觀的混凝土表面裂縫，混凝土的強度隨著裂縫不斷增長而逐漸降低.段德峰等[27]的研究也表明了隨著腐蝕循環次數的增加，混凝土孔隙率是先減少后增大的，并通過微觀試驗，觀察了水泥石內部結構的一個破壞過程，與本試驗的結果相符.

由表6可知，在抗壓強度方面，JZT和JZS兩組普通混凝土均先分別增長7.85%和13.40%, 然后強度下降低于初始值，分別降低了12.80%和5.38%，但是FHT和FHS兩組堿礦渣混凝土先增長幅度為23.48%和22.63%，后期雖然強度有所下降，但仍高于初始強度.在抗折強度方面，循環5次后，JZT和JZS兩組普通混凝土分別增長12.76%和14.76%，循環10次后分別降低8.64%和1.2%，FHT和FHS兩組堿礦渣混凝土同樣先增長后降低，但是循環10次后抗折強度仍高于初始強度.可以得出堿礦渣混凝土的耐硫酸根離子能力要遠遠強于普通硅酸鹽混凝土.

4 結語

1) 對于同種水泥，陶粒混凝土與礫石混凝土總孔徑相差不大，但是因為陶粒在混凝土中的內養護作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化，水泥石結構也更加致密，其直徑20 nm以下的孔要比礫石混凝土的多3%左右.

2) 與普通混凝土相比，堿礦渣混凝土更加密實，其抗氯離子滲透性更強，然而由于陶粒中存在許多孔洞，給氯離子的遷移提供通道，其負面作用比飽水陶粒改善界面過渡區和水泥石孔結構的正面作用大，因此陶粒混凝土的電通量更大.

3) 對于同種骨料，普通混凝土的總孔體積是堿礦渣混凝土的兩倍以上.普通混凝土經過硫酸鹽浸泡10次循環后強度下降明顯，而堿礦渣混凝土強度反而有所增長.從FHT和FHS兩組堿礦渣混凝土與JZT和JZS兩組普通混凝土的強度衰變對比，可以得出堿礦渣混凝土較硅酸鹽混凝土的耐硫酸鹽侵蝕能力更好.

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(責任編輯：沈蕓)

Experimental study for the compactibility and sulfate corrosion resistance of alkali-activated slag ceramsite concrete

LIN Huayi, LIN Xujian，JI Tao, LIANG Yongning，CHENG Kejia，ZHENG Wenyuan，ZHU Muqiang

(College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

By the pore structure test, the anti-permeability test and sulfate corrosion test of alkali-activated slag ceramsite concrete, the compactibility and degradation under sulfate corrosion of concrete were studied.The results show that, the compactibility of alkali-activated slag concrete is better than that of ordinary concrete for the same kind of aggregate.Compared with the same cement, the ceramsite concrete has higher electric flux, and its compactibility is worse than gravel concrete.The strength of ordinary concrete under sulfate solution decreases after the strength increasing at beginning.However, the situation of decending strength of alkali-activated slag concrete is better than that of ordinary concrete, and the situation of decending strength of alkali-activated slag ceramsite concrete is better than that alkali-activated slag gravel concrete.Therefore, the alkali-activated slag ceramsite concrete has superior resistance to sulphate corrosion.

alkali-activated slag ceramsite concrete; pore structure; anti-permeability; sulfate attack; compactibility

2015-06-24

季韜(1972-)，博士，教授，主要從事結構工程研究，jt72@163.com

國家自然科學基金資助項目(51479036)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0577

1000-2243(2016)04-0577-06

TU528.2

A