活性粉末混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗研究

李宏宇 焦楚杰 梁 健 徐 雯

（廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院）

0 引言

硫酸鹽溶液能夠和水泥中的Ca (OH)2以及固態(tài)水化鋁酸鈣反應(yīng)生產(chǎn)鈣礬石，當(dāng)溶液濃度增加時還會有石膏結(jié)晶析出，這兩種化學(xué)、物理變化會給混凝土性能帶來不利影響[1-3]。活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，簡稱RPC)的概念興起于上世紀(jì)90 年代，眾多文獻中研究的RPC[4-6]，主要涉及RPC200 和RPC800，其立方抗壓強度分別達到200MPa 和800MPa，耐久性優(yōu)，但其價格高昂。《GB-T31387－2015 活性粉末混凝土》定義RPC100 到RPC180 的立方抗壓強度為100MPa至180MPa 之間，這種強度適應(yīng)高層建筑結(jié)構(gòu)或大跨度橋梁、但價格大幅度降低的RPC[7-8]，其耐久性的文獻暫時不多見[9-11]。基于研究現(xiàn)狀，針對強度等級在RPC100至RPC140 之間的RPC 開展抗硫酸鹽侵蝕試驗有一定必要性。

表1 試驗配合比

1 試驗概況

1.1 原材料和試塊

本試驗原材料為：P·Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥(密度3.13g/cm3)、硅砂(粒徑0.075～0.55mm，密度2.65 g/cm3)、天然河砂(細度模數(shù)2.5，密度2.57g/cm3)、增強料(主要成分硅灰，膨脹劑)、鍍銅微絲鋼纖維(端鉤型，密度7.8g/cm3)、B-348 型粉末狀消泡劑、聚羧酸高效減水劑和水。

試劑為兩種：濃度為5%和10%的硫酸鹽溶液。RPC試塊達到28 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護齡期之后進行RPC 抗硫酸鹽侵蝕試驗，RPC 抗硫酸鹽侵蝕測試齡期分別為：30d、60d、90d、120d、240d、360d。

每一種配合比需要制備兩組棱柱體試塊，試塊尺寸為40×40×160mm，每一種配合比還需要制備13 組立方體試塊，試塊的尺寸為100×100×100mm，前者用來測試RPC 在兩種濃度硫酸鹽溶液中經(jīng)歷6 個侵蝕齡期的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率。后者中的1 組作為對照組測試養(yǎng)護齡期達到28 天時RPC 的抗壓強度數(shù)值，其余12 組分別用于測試在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液中經(jīng)歷6 個侵蝕齡期時RPC 的強度耐蝕系數(shù)。（見表1）

1.2 主要測試的材料性能

⑴相對動彈性模量

混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷情況一般由動彈性模量來評價，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷則是通過超聲波檢測發(fā)現(xiàn)[12-14]，本試驗采用非金屬超聲波檢測儀(NM-4A 型)測定動彈性模量，混凝土動彈性模量計算公式如式⑴。

式⑴中,

E——RPC 的動彈性模量；

ρ——混凝土的密度(Kg/m3)；

v——RPC 的泊松比；

V——超聲波在RPC 中傳播速度(m/s)。

⑵質(zhì)量損失率

RPC 試塊質(zhì)量采用電子秤（精度0.01g）稱量。質(zhì)量損失率公式如式⑵。

式⑵中，

Wt——RPC 試塊的質(zhì)量損失率；

G0——RPC 試塊的平均質(zhì)量初始值(N)；

Gn——RPC 試塊n 次稱量后得到的平均質(zhì)量(N)。

⑶抗壓強度耐蝕系數(shù)

在《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50082－2009》中抗壓強度耐蝕系數(shù)Kf被定義為：

式⑶中，

Kf——抗壓強度耐蝕系數(shù)；

fn——經(jīng)歷n 次干濕循環(huán)后受硫酸鹽侵蝕的RPC 試塊抗壓強度(MPa)，精確到0.1MPa；

f0——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護狀態(tài)下相同齡期的對照組RPC 試塊抗壓強度(MPa)，精確到0.1MPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相對動彈性模量

圖1 表示在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液中不同強度的RPC 試塊相對動彈性模量的變化。圖2 表示在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液中不同鋼纖維體積率的RPC 試塊相對動彈性模量的變化。

圖1 不同強度的RPC 試塊在硫酸鹽溶液中的相對動彈性模量

圖2 不同鋼纖維體積率的RPC120 在硫酸鹽溶液中的相對動彈性模量

從圖1 曲線可知：相對動彈性模量變化趨勢為前期穩(wěn)步增長中后期陡降，對比發(fā)現(xiàn)硫酸鹽濃度越高，下降幅度越大。在上升段部分，10%濃度的硫酸鹽溶液中的RPC 試塊相對動彈性模量增長速度低于5%濃度的硫酸鹽溶液，而且在下降段部分前者的下降趨勢更加明顯。上述現(xiàn)象說明硫酸鹽濃度越大，RPC 試塊被侵蝕程度越深，動彈性模量下降幅度越大。RPC100 V1的試塊最早出現(xiàn)下降趨勢且下降速度最快，RPC120 V1的次之，RPC140 V1的變化最為緩慢。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因：強度較低的RPC 前期的水化較為充分，硫酸鹽侵蝕RPC 會產(chǎn)生大量的結(jié)晶產(chǎn)物聚集在混凝土表層的孔隙之中，因為混凝土自身強度小、水化反應(yīng)完成等使得試塊在前期就出現(xiàn)大量的裂紋裂縫，從而導(dǎo)致混凝土試塊的相對動彈性模量在侵蝕最早就進入到下降階段。強度越高的RPC 試塊，由于其內(nèi)部致密性較好，相對動彈性模量變化趨勢會低于強度略低的試塊。

從圖2 曲線可知：硫酸鹽溶液侵蝕RPC 試塊的過程之中，未摻入鋼纖維的RPC 試塊和摻入鋼纖維的RPC 試塊進行對比發(fā)現(xiàn)，前者的相對動彈性模量在下降時速度更快。鋼纖維體積率為1%、2%的RPC 試塊的相對動彈性模量下降過程要更加平緩，且變化趨勢一致，差異性較小。主要是隨著硫酸鹽侵蝕的不斷進行，RPC 的膨脹應(yīng)力也在不斷地增加，鋼纖維體積率的增大，能夠幫助RPC 試塊抵抗內(nèi)部膨脹應(yīng)力，從而動彈性模量下降段的趨勢更為緩和。

2.2 質(zhì)量損失

圖3 表示的是在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液之中不同基體強度的RPC 試塊質(zhì)量損失率的變化。圖4 表示的是在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液之中不同鋼纖維體積率的RPC120 試塊質(zhì)量損失率的變化。

從圖3 和圖4 可知：在硫酸鹽侵蝕免蒸養(yǎng)RPC 的侵蝕齡期60 天以前，圖的折線都位于負數(shù)階段，說明混凝土的質(zhì)量在侵蝕60 天前是處于一個增長的階段；在侵蝕齡期60 天之后，圖的折線位于正數(shù)階段，混凝土的質(zhì)量開始出現(xiàn)下降。出現(xiàn)這種情況的原因是：摻入RPC 內(nèi)部的活性摻合料比如硅灰，能夠讓水泥石和骨料之間粘結(jié)更密實，在侵蝕早期抑制Ca(OH)2的富集，且RPC 是內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密型材料，它的抗?jié)B性能很好，能更好的阻止硫酸鹽溶液的侵入。硫酸鹽侵蝕的機理可通過如下化學(xué)式表達：

圖3 不同基體強度的RPC 試塊在硫酸鹽溶液中的質(zhì)量損失

圖4 不同鋼纖維體積率的RPC120 試塊在硫酸鹽溶液中的質(zhì)量損失

生成的鈣礬石和石膏會填入混凝土內(nèi)部的孔隙中造成混凝土質(zhì)量增長；隨著硫酸鹽侵蝕的慢慢加劇，侵蝕的生成物會不斷積累產(chǎn)生較大的膨脹和結(jié)晶應(yīng)力，混凝土產(chǎn)生裂縫的機理為膨脹和結(jié)晶應(yīng)力大于混凝土內(nèi)部應(yīng)力，侵蝕時間越長，出現(xiàn)的裂縫就越多，當(dāng)貫通裂縫產(chǎn)生時，混凝土?xí)霈F(xiàn)脫離現(xiàn)象，從而出現(xiàn)質(zhì)量損失。

強度不同，RPC 試塊的質(zhì)量損失程度會有較為明顯的不同。強度越高，質(zhì)量損失越小，這是因為強度越高的RPC 試塊，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)越致密，受到硫酸鹽侵蝕的程度就會越小。

在一定鋼纖維體積率范圍內(nèi)，鋼纖維體積率越高，RPC 抗侵蝕能力越強。其作用機理是鋼纖維具有阻擋裂縫開展的性能，混凝土內(nèi)部的粘接力由于鋼纖維的加入而得到增加，從而阻止裂縫開展，減輕混凝土剝落的現(xiàn)象。

2.3 強度耐蝕系數(shù)

圖5 表示在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液中不同強度的RPC 試塊抗壓強度耐蝕系數(shù)的變化。圖6 則是表示在兩種不同濃度的硫酸鹽溶液中不同鋼纖維體積率的RPC120 試塊抗壓強度耐蝕系數(shù)的變化。

由圖5 可知：在硫酸鹽溶液侵蝕過程中RPC 試塊的抗壓強度耐蝕系數(shù)均呈現(xiàn)出前期上升后期下降的發(fā)展趨勢；侵蝕齡期60 天左右是趨勢變化的轉(zhuǎn)折點。上升段出現(xiàn)的原因是活性摻合料中的SiO2能夠和Ca (OH)2反應(yīng)，消耗了一部分Ca(OH)2，從而減弱水泥石和Ca(OH)2之間的反應(yīng)，不利產(chǎn)物鈣礬石和石膏的產(chǎn)生得到遏制，與此同時，隨著內(nèi)部水化反應(yīng)的不斷加劇，生成的C-S-H 凝膠起到了填充混凝土內(nèi)部孔隙的作用，因此RPC 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會更加的密實，抗壓強度隨之提升。下降段出現(xiàn)的根本原因是硫酸根離子持續(xù)不斷的自由擴散運動，隨著硫酸鹽溶液的濃度不斷升高，侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子增多，侵蝕反應(yīng)也更加劇烈，抗壓強度隨之降低。

RPC 基體強度越高，抗壓強度耐蝕系數(shù)下降的趨勢越為緩和。這是因為隨著RPC 基體強度的不斷提高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密程度越高，硫酸鹽侵蝕深度越淺，硫酸根離子在RPC 表面結(jié)晶能夠起到阻礙硫酸根離子在RPC內(nèi)部擴散的作用，從而起到了減緩侵蝕反應(yīng)速度的作用。相反來說，強度越低的RPC 試塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越多孔隙存在，硫酸根離子侵蝕程度越深，這也是試驗中RPC100 V0的試塊抗壓強度耐蝕性系數(shù)曲線始終在最下方的重要原因。

圖5 不同強度的RPC 試塊在硫酸鹽溶液中的抗壓強度耐蝕系數(shù)

圖6 不同鋼纖維體積率的RPC120 在硫酸鹽溶液中的抗壓強度耐蝕系數(shù)

由圖6 可知：對比摻入鋼纖維的RPC 試塊以及對照組未摻入鋼纖維的抗壓強度耐蝕系數(shù)試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前者的數(shù)據(jù)整體上都要比后者大上一些。原因是鋼纖維能夠減小混凝土膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，從而減緩裂縫的發(fā)展，RPC 試塊抗壓強度耐蝕系數(shù)也隨之增加。但是隨著鋼纖維摻量增加，抗壓強度耐蝕系數(shù)上升速度變慢。隨著侵蝕程度不斷加深，抗壓強度耐蝕系數(shù)均出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。抗壓強度耐蝕系數(shù)先增加后減小的原因可分為兩部分闡述，侵蝕初期硫酸鹽與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石以及石膏，填充了部分混凝土孔隙，使RPC 內(nèi)部更加緊密；侵蝕后期，隨著反應(yīng)產(chǎn)物不斷增多最終膨脹，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，硫酸鹽的滲透速率隨之較快，抗壓強度耐蝕系數(shù)下降速率加快。

3 結(jié)論

⑴RPC 的抗壓強度耐蝕系數(shù)隨著硫酸鹽侵蝕時間的增加而降低，相對動彈性模量和質(zhì)量在侵蝕前期60至90 天都呈現(xiàn)平緩略增的現(xiàn)象，90 至360 天呈現(xiàn)下降趨勢。

⑵硫酸鹽濃度一定程度上決定了RPC 試塊的侵蝕程度，濃度越高侵蝕程度越嚴(yán)重。10%濃度的硫酸鹽溶液中RPC 的相對動彈性模量、質(zhì)量和抗壓強度耐蝕系數(shù)比5%濃度的硫酸鹽溶液下降幅度更大。

⑶鋼纖維體積率以及RPC 基體強度則是決定RPC試塊抗硫酸鹽侵蝕的關(guān)鍵因素，在一定范圍內(nèi)鋼纖維體積率和RPC 基體強度越高，其抗硫酸鹽侵蝕能力越強。