摻膨脹劑及礦粉對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響研究

王天昊

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水工混凝土受硫酸鹽侵蝕出現開裂破壞、結構疏松甚至強度下降，最終影響水工結構的服役年限和安全使用，逐漸成為混凝土耐久性的關鍵影響因素[1]。調查顯示，中國許多水利工程都出現了一定程度的硫酸鹽侵蝕[2-3]，如克桿孜爾水庫、引大入秦灌溉工程、青海朝陽水電站和劉家峽電站等工程。針對硫酸鹽侵蝕問題國內諸多學者開展了深入研究，并取得了豐碩的科研成果[4]。近年來，高性能混凝土技術的發展為水利工程選用耐久性更優的混凝土提供了技術支持，也為改善水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能創造了條件。大量科學研究和工程實踐表明[5-8]，混凝土中摻入礦渣、硅粉、粉煤灰等摻合料能夠明顯改善其抗硫酸鹽性能。鑒于此，文章探討了摻膨脹劑和磨細礦粉改善水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能及其作用機理，可為優化混凝土配合比以及提高水工結構的抗裂性提供技術支持。

1 原材料

1)水泥。試驗用水泥為“渾河P·O 42.5”級硅酸鹽水泥，28d抗壓強度49.6MPa，比表面積305m3/kg，經檢測各性能指標符合相關技術要求。水泥化學成分，見表1。

表1 水泥化學成分

2)磨細礦粉。試驗用礦粉為“京華S 95”級磨細礦渣粉，經檢測各項性能指標和化學成分，磨細礦粉化學成分與性能指標，見表2。

表2 磨細礦粉化學成分與性能指標

結合表2中的數據，經計算磨細礦粉的活性系數Ma=al2O3/SiO2=0.48，堿度系數Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+al2O3)=1.05>1.0，試驗表明礦粉主要技術指標均符合?；郀t礦渣粉中S95級指標要求，可以用于高耐久性水工混凝土的配置。

3)膨脹劑。試驗用膨脹劑為HME·-I水工混凝土氧化鎂膨脹劑，經檢測各項技術指標符合《混凝土膨脹劑》要求。

4)活化劑。膠凝材料體系中摻入活化劑等量替代4-6%的水泥，在改善混凝土可泵送、和易性等施工性能的同時還能提高硬化混凝土的體積穩定性。

考慮以上原材料性能和試驗要求，采用混凝土配合比設計方法確定三種凝膠材料方案，不同凝膠材料試驗方案，見表3。

2 試驗方法與結果

2.1 質量變化率

混凝土試件成型尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，篩出粒徑超過20cm的粗骨料配制X、Y、Z不同膠凝材料的試件，室內靜置24h后拆模取出放入標養室，養護齡期至90d后，測試抗硫酸鹽侵蝕性能，加速侵蝕試驗主要考慮以下變量：①增加侵蝕溶液濃度，試配質量分數5%的Na2SO4溶液；②調整pH值，通過定時更換侵蝕溶液或滴加一定濃度的稀硫酸來調節溶液pH值，維持溶液處于中性狀態；③干濕循環加速侵蝕，先在60℃環境中烘干4d，再浸泡至Na2SO4溶液中3d，一個循環共7d，如此往復直到設計齡期，設定28d(4個循環)、56d(8個循環)、84d(12個循環)、112d(16個循環)、168d(24個循環)、224d(32個循環)共6個測試齡期。

表3 不同凝膠材料試驗方案

根據以上試驗方法研究不同齡期混凝土試件的外觀變化特征及其質量變化率，不同齡期的混凝土試件質量變化，見圖1。結果表明，混凝土質量隨著侵蝕齡期的延長表現出先增加后減小的變化趨勢?？傮w上，可以將混凝土質量受硫酸鹽侵蝕變化過程劃分成3個階段：①在0-56d侵蝕齡期內，混凝土質量隨侵蝕齡期的延長呈逐漸上升的變化特征；②在56-112d侵蝕齡期內，混凝土的質量增長率不斷減小，試件質量變化不明顯；③在112d侵蝕齡期后，混凝土質量表現出快速減小趨勢，方案X(普通混凝土)相對于方案Y和方案Z(摻磨細礦渣高性能混凝土)而言具有更快的質量下降速度。

圖1 不同齡期的混凝土試件質量變化

在混凝土表層未形成裂縫甚至僅形成裂縫未出現剝落前，混凝土質量的不斷增加主要與硫酸根離子反應生成石膏和鈣礬石有關。隨著不斷侵蝕試件表面裂縫開始增多甚至出現內部裂縫，混凝土表面開始剝落使得質量逐漸下降。在混凝土質量增加階段，大摻量磨細礦渣高性能混凝土的質量增長率顯著低于普通混凝土，這是由于強度相同情況下普通混凝土的水膠比較高，而水膠比相對較低的高性能混凝土更加密室，所以侵蝕溶液更難滲入。

2.2 抗蝕系數

試驗設計水膠比0.50，膠砂比1∶2，選用60mm×10mm×10mm的模具成型，每個方案各成型18個砂漿試件，室內靜置24h后脫模，然后把試件放入50℃水中養護7d后取出，將同一配合比的半數試件分別浸泡在質量分數3%的Na2SO4溶液中和20℃清水中，為維持溶液濃度不變定期用稀硫酸中和，浸泡28d后測試砂漿的抗折強度。以《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》為試驗依據，不同膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能利用抗蝕系數K(即Na2SO4溶液和清水中砂漿的抗折強度之比)來衡量?？刮g系數測試值，見表4。

表4 抗蝕系數測試值

試驗表明，方案X(單摻水泥)的砂漿抗蝕系數為0.94，摻入膨脹劑和磨細礦渣等量替代水泥后的抗蝕系數明顯提高。

2.3 膨脹率

試驗設計水膠比0.48，膠砂比1:2.75，試驗用標準砂，選用285mm×25mm×25mm的模具成型，試件成型后先放入35℃水中養護24h再浸泡至飽和氫氧化鈣溶液內，強度達到20MPa時測試初長。然后將同一配合比的半數試件分別浸泡在5000mg/L的Na2SO4溶液中和20℃清水中，為維持溶液濃度不變定期用稀硫酸中和。以ASTM C1012為試驗依據，測量侵蝕齡期達到6個月的砂漿膨脹率，不同浸泡齡期砂漿膨脹率，見圖2。其中，采用Na2SO4溶液減去同組清水的砂漿膨脹率來反映Na2SO4侵蝕溶液引起的砂漿膨脹率。

圖2 不同浸泡齡期砂漿膨脹率

試驗表明，水泥、膨脹劑、磨細礦渣(含活化劑)三元復合以及水泥、磨細礦渣(含活化劑)二元復合膠凝材料體系明顯優于普通水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力，膠凝材料方案Y、Z相對于普通水泥方案X的砂漿膨脹率減少了68.3%和58.5%。深入分析，磨細礦渣的摻入有效降低了膠凝材料中的C3A含量以及硫酸鹽侵蝕破壞的風險，加之火山灰效應消耗了部分Ca(OH)2，這使得Ca(OH)2參與硫酸鹽反應的量有所減少，砂漿內部界面和構造更加密實[9]；此外，膨脹劑的摻入使得早期生成的硫鋁酸鈣更多，其產生微膨脹作用改善了砂漿的密實度。

2.4 孔結構分析

將不同膠凝材料配制的凈漿漿體養護至規定齡期28d，采用乙醇溶液終止水泥水化，待烘干后取樣，并用MIP壓汞技術分析孔結構。MIP壓汞分析值，見表5。

表5 MIP壓汞分析值

由表5可知，方案Y、Z是方案X硬化漿體內部孔隙比表面積的122.37%和140.88%，方案X、Y、Z的最可幾孔徑依次為54.20nm、10.58nm、10.66nm。試驗表明，方案Y和方案Z(大摻量磨細礦渣)相對于方案X(純水泥)硬化漿體而言具有較小的最可幾孔徑和總孔隙率，摻磨細礦渣的內部孔隙比表面積相對較大。因此，大摻量磨細礦渣和膨脹劑的摻入可以改善硬化漿體的孔結構，增大硬化漿體中的小孔所占比例，減小大、中孔所占比例[10-17]。

3 結 論

1)混凝土質量隨著侵蝕齡期的延長表現出先增加后減小的變化趨勢，侵蝕齡期>112d后，混凝土質量快速減小，普通混凝土相對于摻磨細礦渣高性能混凝土而言具有更快的質量下降速度。

2)采用膨脹劑和磨細礦渣等量替代水泥，較單摻水泥而言可以明顯增加砂漿抗蝕系數，增加率達到15%。水泥、膨脹劑、磨細礦渣(含活化劑)三元復合以及水泥、磨細礦渣(含活化劑)二元復合膠凝材料體系明顯優于普通水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力，相對于普通水泥方案的砂漿180d膨脹率減少了58.5%和68.3%。

3)大摻量磨細礦渣和膨脹劑的摻入有效降低了膠凝材料中的C3A含量以及硫酸鹽侵蝕破壞的風險，加之火山灰效應消耗了部分Ca(OH)2，這使得Ca(OH)2參與硫酸鹽反應的量有所減少，砂漿內部界面和構造更加密實；磨細礦渣和膨脹劑可以改善硬化漿體的孔結構，增大硬化漿體中的小孔所占比例，減小大、中孔所占比例，從而改善抗硫酸鹽侵蝕性能。