鐵路工程混凝土膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能研究

湯玉勇

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司，上海 200070）

在土壤和水環(huán)境中，有不同程度的硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)侵蝕水泥水化產(chǎn)物，對于這種環(huán)境條件可以將其統(tǒng)稱為硫酸鹽侵蝕環(huán)境。鐵路工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較高，為提高鐵路工程的應(yīng)用壽命和應(yīng)用質(zhì)量，就必須對鐵路混凝土工程的抗硫酸鹽侵蝕性能進行充分考慮。鑒于此，本文采用礦渣粉、粉煤灰兩種摻和料，設(shè)計相關(guān)配比，對摻和料類型以及摻量對膠凝材料的抗硫酸侵蝕性能的影響進行深入研究，以期為硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的礦物摻和料的合理應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)，為提高鐵路建設(shè)的質(zhì)量提供保證。

1 硫酸鹽侵蝕類型

當硫酸鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)之后，多數(shù)情況下會產(chǎn)生體積膨脹、表面開裂、剝落等問題，國外有研究表明混凝土工程在被硫酸鹽侵蝕之后，硬化后的水機漿體會出現(xiàn)嚴重的軟化問題而降低強度，失去膠結(jié)能力[1]。

1.1 TSA 侵蝕

TSA 侵蝕即碳硫硅鈣石侵蝕。在國外，對于CaCO3·CaSiO3·CaSO4·15H2O 的工程破壞報道大量存在。近年來，TSA 已經(jīng)成為研究硫酸鹽侵蝕的熱點問題之一[2]。TSA 侵蝕過程可分為四個階段：離子遷移期、鈣礬石生成期、石膏生成期、碳硫酸鈣生成期。一般來說，硫酸鹽侵蝕主要是使混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，然后開裂破壞。TSA 是將C-S-H 凝膠直接分解，然后由外向內(nèi)逐漸分解，使混凝土結(jié)構(gòu)強度降低。變成無粘結(jié)力的砂石混合物，其破壞性比傳統(tǒng)硫酸鹽更大。TSA 通常發(fā)生在混凝土與石灰石骨料的混合過程中，隨著石灰石粉含量的增加，混凝土的劣化程度會增加[3]。

1.2 硫酸鹽結(jié)晶物理侵蝕

當混凝土孔隙液中的硫酸鹽濃度滿足結(jié)晶條件時，就會出現(xiàn)結(jié)晶，NaSO4結(jié)晶為 NaSO4·10H2O，MgSO4結(jié)晶為 MgSO4·7H2O，混凝土的體積會顯著增大，在結(jié)晶壓力影響下，混凝土就會出現(xiàn)開裂問題。在溫度較低的情況下硫酸鹽的結(jié)晶能力會達到甚至超過7MPa，能夠大大超過混凝土的抗拉強度[3]。

1.3 硫酸鎂侵蝕

當鎂離子和硫離子呈現(xiàn)出共存的狀態(tài)時，就會出現(xiàn)硫酸和鎂的雙侵蝕型破壞，其原因是鎂離子和硫離子都是侵蝕源，當二者共同存在時，就會在相互疊加的效應(yīng)下，產(chǎn)生更加嚴重的復(fù)合型侵蝕[4]。鎂離子能夠?qū)⑺嗍闹饕獜姸冉M分C-S-H 分解為沒有膠結(jié)性能的硅膠或進一步轉(zhuǎn)化為硅酸鎂，導(dǎo)致混凝土強度損失，粘結(jié)性下降，實際工程中嚴重的硫酸鎂侵蝕甚至將混凝土變成完全沒有膠結(jié)性能的糊狀物。

2 硫酸鹽對混凝土侵蝕的內(nèi)外部影響因素分析

如圖1 所示，可以將混凝土被硫酸鹽侵蝕的影響因素分為外部和內(nèi)部兩種，內(nèi)部影響因素就是混凝土本身的性質(zhì)條件，外部影響因素則是在試驗時進行研究所提出的混凝土硫酸鹽侵蝕條件，在現(xiàn)場進行研究時則取決于混凝土工程的建設(shè)環(huán)境。無論是外部影響因素還是內(nèi)部影響因素，他們都對混凝土的侵蝕速度會造成極大影響[5]。

圖1 混凝土硫酸鹽侵蝕的影響因素概括

3 試驗原料和試驗方法概述

3.1 試驗材料

水泥：P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰：F 類Ⅰ級灰；

礦渣粉：S95；

標準砂：產(chǎn)地來自廈門艾斯歐標準砂有限公司。以上原料的性能成分如表1 所示。

表1 各類摻和料的性能及結(jié)構(gòu)組成

3.2 試驗方法

依據(jù)《鐵路混凝土》（TB/T 3275—2018）附錄M 膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能快速試驗方法。采用規(guī)定的膠凝材料：標準砂=1:2.5（質(zhì)量比）、水膠比固定0.50 的膠砂，成型10mm×10mm×60mm 的棱柱體試件兩組，每組9 個。脫模后將兩組試件放入50±1℃水中養(yǎng)護 7d。7d 后，一組 9 塊放入溫度為 20±3℃飲用水中浸泡28d、56d，另一組9 塊放入溫度為20±3℃、3%硫酸鈉溶液中浸泡28d、56d。整個侵蝕期間開始的56d 內(nèi)，每天用濃度1mol/L的硫酸溶液滴定中和試件溶出的氫氧化鈣，使溶液的pH 保持在7.0 左右[6]。

抗蝕系數(shù)是指分別在硫酸鈉溶液中浸泡和在飲用水中養(yǎng)護的同齡期、同組成膠砂試件的抗折強度之比，按下式計算，精確至0.01：

式中：k-抗蝕系數(shù)，無量綱；RS-試件在硫酸鈉溶液中浸泡28d、56d 時的抗折強度，MPa；RW-試件在飲用水中浸泡 28d、56d 時的抗折強度，MPa。

3.3 試驗方案

選取試驗的膠凝材料包括普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣粉。參考《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（TB 10005—2010）中5.2.2 不同環(huán)境下混凝土摻和料的摻量要求，設(shè)計如表2 所示11 種不同膠凝材料配比。

表2 各種膠砂摻配組分用量

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試件 56d 抗折強度（見表3）

膠凝材料體系對膠砂試件56d 抗折強度的影響如圖2 所示。從圖2 中可以看出，礦物摻和料的種類和摻量對膠砂試件56d的抗折強度有顯著的影響。隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂試件抗折強度明顯降低。這主要是由于粉煤灰活性指數(shù)相對較低，對56d 抗折強度的貢獻較小造成的。礦渣粉的活性略優(yōu)于粉煤灰。對于相同的外摻料摻量，摻和料雙摻比單摻的56d 抗折強度高，主要是因為膠凝材料體系包含水泥、粉煤灰、礦渣粉3 種粉料，平均粒徑處于3 個不同的粒徑分布范圍，優(yōu)化膠凝材料組分顆粒級配，同時由于礦物摻合料的火山灰效應(yīng)、填充效應(yīng)及二次水化作用，可填充水泥石的毛細孔，降低水泥石的孔隙率，增大水泥石的密實性。

表3 試件56d 抗折強度

圖2 試件56d 抗折強度

4.2 不同膠凝材料的抗侵蝕系數(shù)

表4 試件28d、56d 抗侵蝕系數(shù)

圖3 試件56d 抗侵蝕系數(shù)

試驗結(jié)果表明，隨著侵蝕齡期從28d 增加到56d，膠凝材料的抗腐蝕系數(shù)逐漸降低。由于各種摻和料的化學(xué)組成、相組成、結(jié)構(gòu)等不同，它們的摻量對膠凝材料抗侵蝕性能的影響存在很大的差異。粉煤灰的摻入對水泥膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響較大，而礦渣粉的影響相對較小。隨著粉煤灰摻量的增加，膠砂試件的抗蝕系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。主要是因為粉煤灰早期活性較低，能夠使硫酸鹽侵蝕水泥基材料時的誘導(dǎo)期延長，當粉煤灰摻量大于10%時，隨著粉煤灰摻量的增加，這種作用越明顯。礦渣粉對膠凝材料抗侵蝕作用較差，隨著摻量的增加，水泥膠凝材料56d 抗侵蝕系數(shù)逐漸降低。

5 總結(jié)

（1）粉煤灰的摻入會降低水泥膠凝材料56d 抗折強度，隨著摻量增加強度降低幅度增大。礦渣粉對水泥膠凝材料的抗折強度的貢獻率大于粉煤灰。

（2）粉煤灰對改善水泥膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于礦渣粉，多元膠凝材料體系的抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于單一的膠凝材料。

（3）礦物摻合料有利于提高膠凝材料的抗侵蝕性能，但隨著齡期的延長和摻量的增加，抗侵蝕能力逐步減弱。