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 土木工程學院）

0 引言

硫酸鹽溶液能夠和水泥中的Ca (OH)2以及固態(tài)水化鋁酸鈣反應生產(chǎn)鈣礬石，當溶液濃度增加時還會有石膏結(jié)晶析出，這兩種化學、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 天標準養(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準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——標準養(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、水化反應完成等使得試塊在前期就出現(xiàn)大量的裂紋裂縫，從而導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)晶應力，混凝土產(chǎn)生裂縫的機理為膨脹和結(jié)晶應力大于混凝土內(nèi)部應力，侵蝕時間越長，出現(xiàn)的裂縫就越多，當貫通裂縫產(chǎn)生時，混凝土會出現(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，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，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。