外摻氧化鎂混凝土在硫酸鹽、鎂鹽耦合作用下的抗侵蝕性能研究

劉國強 張貞強 王建林 鄭同鑫 白學偉 孫玉龍

（1西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207；3甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；4蘭州新區圣夏建材有限公司，甘肅 蘭州 730314）

在混凝土工程中，鹽漬土對其具備顯著的腐蝕性，并對構筑物基礎和地下設施構成了較嚴酷的侵蝕環境，影響其耐久性和安全性。

本課題組通過對多年收集的蘭州地區土質大量數據的分析研究，在前期試驗條件下，利用氧化鎂遇水溶解，生成氫氧化鎂晶體形成宏觀膨脹，且基本不與水泥漿體中其他組分發生反應的特性，以此為手段來保障混凝土較好的體積穩定性，從而提高混凝土的抗滲性能及抗腐蝕性能[1]。針對氧化鎂膨脹劑在寒旱地區嚴酷環境中的適應性問題進行有益的探索，得到該環境下氧化鎂膨脹劑對混凝土物理力學和抗侵蝕性能的相關技術指標，達到降低普通混凝土的孔隙率，改善其孔結構，提高普通混凝土密實性的目的[2]，為混凝土工程建設在此類嚴酷環境下改善混凝土的耐久性提供一個創新的思路。

1 試驗材料

水泥：實驗使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，比表面積320m2/kg，標準稠度用水量25.5%，安定性合格。

骨料：試驗用粗骨料采用碎石，最大粒徑31.5mm，表觀密度2721kg/m3，現場含水率0.1%。細骨料為河砂，含泥量0.3%，表觀密度2601kg/m3，現場含水率0.6%。骨料滿足《建設用碎石卵石》（GBT 14685-2011）、《建設用砂》（GBT 14684-2011）的要求。

減水劑：FDN高效減水劑，滿足《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119-2013）的要求。

粉煤灰：屬Ⅱ級灰，滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GBT 1596-2017）的要求。

外加劑：氧化鎂膨脹劑，滿足《混凝土用氧化鎂膨脹劑_征求意見稿》（CBMF19-2017）的要求。

2 試驗方法

2.1 成型及養護

普通混凝土采用《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB50081-2002）、《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GBT50080-2016）進行成型養護。

2.2 抗侵蝕試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT 50082-2009），氧化鎂膨脹劑在0摻量和同摻量兩種條件下，使用相同濃度不同離子（SO42-、Mg2+）對試塊進行浸泡，并測試不同養護齡期下普通混凝土力學性能、膨脹性能。

3 試驗數據分析

3.1 粉煤灰摻量對普通混凝土的影響

由表1、表2可以看出，粉煤灰等量替代水泥后對普通混凝土28d齡期抗壓強度影響不明顯。當粉煤灰的摻量低于40%時，普通混凝土的28d齡期抗壓強度與不摻加粉煤灰的A0略有降低，這是因為粉煤灰在混凝土硬化早期主要發揮的是微集料填充效應，到了后期粉煤灰的活性效應才被激發出來。當粉煤灰摻加量達到60%時，普通混凝土28d齡期的抗壓強度均低于不摻加粉煤灰的A0的抗壓強度，這主要是由于粉煤灰的活性遠不及普通硅酸鹽水泥的活性，摻加量過大導致了普通混凝土力學性能明顯下降。

表1 養護28d摻加粉煤灰對普通混凝土性能的影響（C30）

表2 養護28d摻加粉煤灰對普通混凝土性能的影響（C50）

3.2 大摻量粉煤灰條件下，不同摻量氧化鎂膨脹劑對普通混凝土的影響

試驗試塊橫向比較，相同養護齡期條件下，氧化鎂不同摻量的力學性能及膨脹性能測試結果見表3、表4，兩種強度等級C30和C50混凝土隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，普通混凝土試塊抗壓強度均有不同程度的降低。普通混凝土的膨脹性能平均體積變形發生了體積膨脹，但是其膨脹率基本上在0～0.1%，不會對普通混凝土的性能構成危害。兩種強度等級C30和C50混凝土的抗滲透水性能都隨著氧化鎂膨脹劑摻加量的增加而有所提高。尤其是考慮到混凝土強度的前提下，在氧化鎂膨脹劑摻加5%時，混凝土強度比0摻量混凝土強度明顯提高，這是因為氧化鎂膨脹劑發生水化反應后在混凝土內部發生體積膨脹，填充了混凝土內部孔隙，提高了混凝土的密實性，使得混凝土強度顯著提高。

3.3 SEM分析

從圖1和圖2中可以看出，水泥水化產物與骨料界面接觸緊密，無明顯的裂紋。實驗所用的經過處理的循環流化床高鈣粉煤灰規則球形顆粒占大多數，體系中的粉煤灰分布均勻。水化產物的內部孔洞較大，孔隙較多，結構不夠密實。

圖1 試樣100倍SEM照片

圖2 試樣500倍SEM照片

從圖3、圖4可以看出，外摻氧化鎂膨脹劑發生水化反應后，填充了一部分水泥顆粒之間的孔洞和孔隙，混凝土孔隙減小，一定程度上降低了孔隙率，混凝土結構更加密實，有利于混凝土強度和抗滲性能的提高，進而有利于混凝土抗離子侵蝕性能的提高。

圖3 試樣100倍SEM照片

圖4 試樣100倍SEM照片

3.4 孔隙率及孔結構分析

表5 養護180d不同摻量氧化鎂膨脹劑對普通混凝土體積變化的影響（C30）

表6 養護180d不同摻量氧化鎂膨脹劑對普通混凝土體積變化的影響（C50）

課題組采用排水法分別測得氧化鎂膨脹劑在0、2.5%、5%、7.5%摻量條件下，養護180天齡期普通混凝土試塊的吸水率，由此推測不同摻量普通混凝土試塊的孔隙率。測試結果見表5、表6，兩種強度等級C30和C50混凝土，對比基準試塊，摻加氧化鎂膨脹劑的普通混凝土試塊的吸水率隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加都有所降低。由此推測，氧化鎂膨脹劑在水泥水化之后發生了水化反應，體積膨脹填充了試塊內部的一部分孔隙，從而降低了普通混凝土的孔隙率，改善其孔結構，提高普通混凝土密實性，為進行相同濃度不同離子（、Mg2+）的浸泡試驗，研究不同養護齡期下對普通混凝土力學性能、膨脹性能的影響奠定了基礎。

4 結語

1）不同養護齡期條件下，不同摻量的氧化鎂膨脹劑混凝土的力學性能及膨脹性能測試結果表明，兩種強度等級C30和C50混凝土隨著浸泡齡期的延長，普通混凝土試塊抗壓強度和抗折強度均有不同程度的降低。

2）摻加氧化鎂膨脹劑普通混凝土的膨脹性能對比基準試樣，其發生了不同程度的體積膨脹，但其平均膨脹率基本在0～0.05%，不會對普通混凝土的性能構成危害。90天抗壓強度和抗折強度有明顯下降，90-180天浸泡齡期時抗壓強度和抗折強度下降比較緩慢，這是由于氧化鎂膨脹劑發生了水化反應，發生體積膨脹填充了一部分試塊內部的孔隙，從而降低了普通混凝土的孔隙率，提高了普通混凝土密實性。

3）通過試驗對比，符合本課題提出的外摻氧化鎂膨脹劑可以改善其孔結構，降低普通混凝土的孔隙率，使其密實度得到提高，從而降低了、Mg2+等離子的滲入率，提高混凝土的抗離子侵蝕能力。