含超細礦物摻合料快硬混凝土抗侵蝕性能分析

作者簡介：何國松（1974—），工程師，主要從事公路工程管理及現場檢測工作。

摘要：為了研究超細礦物摻合料對快硬混凝土抗侵蝕性能影響，文章通過浸泡抗侵蝕試驗，以抗折強度和抗侵蝕系數為指標，研究超細礦物摻合料摻量、不同侵蝕溶液種類、不同侵蝕齡期對快硬混凝土抗侵蝕能力的影響，測試了在濃度分別為5%NaCl、5%MgSO4、5%Na2SO4溶液環境下，不同超細礦物摻合料摻量快硬混凝土的力學性能，并探討了快硬混凝土受侵蝕機理。結果表明：在不同種類侵蝕溶液養護制度下，超細礦物摻合料摻量為5%～10%時，可以明顯提高快硬混凝土各齡期的抗折強度；快硬混凝土受侵蝕是一個復雜的物理化學過程，不同種類侵蝕溶液對快硬混凝土抗侵蝕系數的影響不盡相同；不同齡期快硬混凝土侵蝕破壞的主導機制不一樣。

關鍵詞：快硬混凝土；超細礦物摻合料；抗折強度；抗侵蝕系數

中圖分類號：U416.03A210684

0 引言

近年來，隨著全面小康社會的建成，交通強國戰略深入推進，我國公路基礎設施建設飛速增長，與此同時公路養護行業迎來重大機遇和挑戰。快硬混凝土因其凝結硬化快、小時強度高等特點，在公路養護行業中的應用備受關注。但快硬混凝土往往又存在耐久性能差的特點，通常耐久性能與環境侵蝕密切相關^［1］。快硬混凝土是一種典型的由固結物質、非固結物質及大小不同的顆粒混合而成的多孔非均勻材料，含有大量賦存和傳輸流體的連通孔隙，其本身也基本上處于非飽和狀態，而孔隙率直接影響快硬混凝土本身的抗滲、抗侵蝕性能。

混凝土受侵蝕是一個復雜的物理化學過程^［2］，在混凝土的相關研究中，往往存在重視強度理論而忽視破壞機制的現象，而強度理論僅僅是破壞機制的數學表達。我國學者對混凝土的抗侵蝕性能開展了一系列研究，劉瑞雪^［3］研究了混凝土抗硫酸鹽侵蝕，通過細微觀劣化機制和損傷演變規律建立了本構模型；楊永敢等^［4］研究了帶初始損傷的快硬混凝土抗硫酸鹽侵蝕，建立了損傷模型，揭示了干濕循環和硫酸鹽對快硬混凝土劣化的耦合作用機理；范穎芳等^［5］研究了混凝土抗氯化鈉溶液侵蝕，初步得到了不同侵蝕程度下快硬混凝土損傷指標與力學性能退化之間的變化規律；馬德利等^［6］通過在快硬混凝土中加入硫酸鈉，研究了硫酸鈉對快硬混凝土界面過渡區的影響；劉向楠等^［7］研究了硫鋁酸鹽水泥混凝土在高濃度硫酸鎂溶液中的抗侵蝕性能，表明大量石膏的生成是造成混凝

土表面剝蝕破壞的主要原因；梁詠寧等^［8］通過宏觀特性和微觀結構測試，對混凝土抗侵蝕機制進行了分析。

上述主要針對普通混凝土開展抗侵蝕研究，而對快硬混凝土抗侵蝕研究較少，且研究中并沒有針對性地提出有效的應對措施。本文利用自制三元固廢超細礦物摻合料^［9］，充分發揮其填充作用，通過降低快硬混凝土孔隙率，進而改善快硬混凝土力學性能，并測試了在濃度分別為5%NaCl、5%MgSO₄、5%Na₂SO₄溶液環境下，不同超細礦物摻合料摻量對快硬混凝土各齡期力學性能和抗侵蝕系數的影響規律，對侵蝕破壞機理進行了探討，為相關工程提供試驗參考。

1 試驗

1.1 原材料

本研究選用廣西云燕特種水泥建材有限公司生產的快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC425，以下簡稱R·SAC），主要性能指標見表1。超細礦物摻合料（Ultrafine mineral admixture）由鋼渣、礦渣、粉煤灰經過粉磨后按3∶5∶2混合而成，粒徑分布范圍為2～10 μm，平均粒徑為3.64 μm，28 d活性指數為103%，流動度比為100%^［9］，其主要化學成分見表2。

促凝劑：碳酸鋰，羅恩牌，99.5%，分析純。

細集料：廣西桂林某快硬混凝土廠生產石灰巖機制砂，密度為2 693 kg/m³，細度模數為3.32，石粉含量為11.2%，MB值為0.75。

減水劑：聚羧酸高效減水劑，固含量30%，減水率gt;40%。

溶質：硫酸鎂，隴西牌，99.0%，分析純；硫酸鈉，隴西牌，99.0%，分析純；氯化鈉：天津，99.5%，分析純。

水：日常飲用水。

1.2 配合比與試驗方法

（1）快硬混凝土配合比如表3所示。試件制備工藝為：①將水泥、超細礦物摻合料、機制砂、碳酸鋰在膠砂攪拌鍋內低速干拌2 min；②加入水和減水劑混合液體繼續低速攪拌30 s，停拌10 s后高速攪拌30 s；③注模成型，用塑料薄膜覆蓋試件，在試驗室20 ℃下放置養護6 h后拆模，在標準養護室內立即將試塊放入不同侵蝕溶液中進行浸泡（如圖1所示）。U0～U20分別代表超細礦物摻量比例，浸泡14 d、28 d、60 d后進行強度測試。

（2）力學性能測試參照《水機膠砂強度試驗方法（ISO法）》（JTG 3420-2020 T-2005）進行，試件成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

（3）抗侵蝕性能采用抗侵蝕系數K_d進行評價，抗侵蝕系數K_d按式（1）進行計算：

式中，K_d——養護齡期為d時對應的抗侵蝕系數；

R₁——試件在侵蝕溶液浸泡至規定齡期的抗折強度；

R₂——試件在日常飲用水浸泡至規定齡期的抗折強度。

2 試驗結果與分析

2.1 快硬混凝土抗侵蝕試驗結果

快硬混凝土各齡期抗折強度和抗侵蝕系數測試結果見表4。

2.1.1 超細礦物摻合料對抗折強度的影響

下頁圖2為不同溶液環境下超細礦物摻合料摻量在齡期分別為14 d、28 d、60 d時的抗折強度影響規律曲線圖。

從圖2（a）中可以看出，當浸泡齡期為14 d時，隨著超細礦物摻合料摻量的增加，所有侵蝕溶液中試件的抗折強度先增大后減小。這主要是因為適量的超細礦物摻合料改善了快硬混凝土的工作性能和自身孔隙結構，并發揮了填充效應。當進一步增大超細礦物摻合料摻量時，減少了水泥凝膠生成數量，從而表現為抗折強度的降低。從圖2（a）還可以看出，5%NaCl、5%MgSO₄、5%Na₂SO₄溶液可以在一定程度上增強快硬混凝土抗折強度，其中對抗折強度增強的大小順序為5%Na₂SO₄＞5%NaCl＞5%MgSO₄＞H₂O。這主要是因為各種溶液滲入到快硬混凝土自身的裂隙和孔隙中，溶液達到飽和后結晶，產生一定的體積膨脹，對裂隙和孔隙進行有效填充，有利于提高快硬混凝土的抗折強度。由試驗結果可以得出，此時超細礦物摻合料摻量宜控制在5%～10%。

從圖2（b）中可以看出，當浸泡齡期為28 d時，超細礦物摻合料摻量對抗折強度的影響規律與圖2（a）基本保持一致。5%NaCl、5%MgSO₄、5%Na₂SO₄溶液仍然可以增強快硬混凝土抗折強度，但對抗折強度增強的大小順序為5%Na₂SO₄＞5%MgSO₄＞5%NaCl＞5H₂O。隨著養護齡期的增加，可能因為在裂隙和孔隙中MgSO₄的結晶數量超過了NaCl，快硬混凝土內部相對更為致密。由試驗結果可以得出，此時超細礦物摻合料摻量宜控制在5%～10%。

從圖2（c）可以看出，當浸泡齡期達到60 d時，超細礦物摻合料摻量在不同溶液中對抗折強度的影響規律不盡相同，主要因為侵蝕溶液已經抵達裂縫前端，甚至到達骨料與水泥石的過渡區，溶液中的離子與快硬混凝土中界面過渡區中的Ca²⁺、Al³⁺等離子發生了化學反應，復雜的物理化學過程導致抗折強度變化規律的不一致性較為突出。其中，在H₂O和5%NaCl溶液中，隨著超細礦物摻合料摻量的增加抗折強度不斷減小；在5%MgSO₄、5%Na₂SO₄溶液中，超細礦物摻合料最佳摻量分別為5%和15%，且對應試件的抗折強度高于H₂O溶液中的試件。

2.1.2 超細礦物摻合料對抗侵蝕系數的影響

圖3為不同溶液環境下超細礦物摻合料摻量對齡期分別為14 d、28 d、60 d的抗侵蝕系數影響規律曲線圖。

從圖3中可看出，當浸泡齡期為14 d時，在5%Na₂SO₄、5%NaCl溶液中，試件的抗侵蝕系數隨著超細礦物摻合料摻量的增加先增大后減小，而在5%MgSO₄溶液中試件抗侵蝕系數與超細礦物摻合料摻量成正相關，摻超細礦物摻合料后試件抗侵蝕系數均gt;1，溶液對抗侵蝕系數的影響大小排序為5%Na₂SO₄＞5%NaCl＞5%MgSO₄。當浸泡齡期為28 d時，三種溶液中試件抗侵蝕系數規律基本保持一致，隨著超細礦物摻合料摻量的增加抗侵蝕系數先減小后增大，且所有溶液中既定配比試件抗侵蝕系數均gt;1，溶液對抗侵蝕系數的影響大小排序為5%Na₂SO₄＞5%MgSO₄＞5%NaCl。當浸泡齡期為60 d時，5%Na₂SO₄、5%MgSO₄溶液中試件抗侵蝕系數與超細礦物摻合料摻量成正相關，而在5%NaCl溶液中試件抗侵蝕系數先減小后增加。

由抗折強度和抗侵蝕系數結果分析可以推出，侵蝕破壞主導機制與浸泡齡期密切相關。當侵蝕齡期較短時（14 d、28 d），超細礦物摻合料摻量對快硬混凝土抗折強度和抗侵蝕系數影響規律基本保持一致，此時侵蝕破壞的主導機制是溶液在快硬混凝土縫隙和孔隙中的滲流與結晶作用；當侵蝕齡期較長時（60 d），侵蝕破壞主導機制是溶液在快硬混凝土縫隙和孔隙中滲流、結晶以及與界面過渡區的化學反應，是多因素的復雜耦合作用，侵蝕破壞的復雜性和不確定性因界面過渡區結構的改變而進一步增大。

2.2 快硬混凝土受侵蝕機理分析

圖4為快硬混凝土受侵蝕機理分析示意圖。

2.2.1 界面過渡區邊壁效應

界面過渡區是混凝土強度鏈中最薄弱的環節，通常為混凝土中的強度限制相，其結構特征影響混凝土的耐久性能。在混凝土凝結硬化早期，在骨料表面張力驅動下，水泥漿水分會向骨料表面遷移形成邊壁效應，骨料表面附近區域的漿體水膠比發生突變，使得此區域的孔隙率比基體部分的高。邊壁效應為水泥漿體凝結硬化過程中的Ca²⁺、Al³⁺和SO₄^2-等離子向骨料表面遷移創造了條件，造成過渡區內離子濃度不平衡，導致Ca（OH）₂及AF_t等晶體在骨料表面富集。

2.2.2 滲流和毛細效應

在滲流壓力作用下，侵蝕溶液滲入混凝土本身的縫隙和孔隙中形成毛細效應。室溫侵蝕溶液化學鍵會斷開使材料表面的電荷不飽和從而產生表面能，且表面能的大小通常取決于表面及大小，在縫隙和孔隙中表面能克服侵蝕溶液的表面張力，侵蝕溶液在縫隙和孔隙中形成有序定向結構，產生一定的膨脹應力，當膨脹應力超過水泥漿體允許應力時，漿體會產生微裂縫^［10-11］。

2.2.3 物理化學作用

滲流和毛細效應，使侵蝕溶液直達縫隙和孔隙前端，產生復雜的物理化學作用。（1）侵蝕溶液自身達到飽和后結晶體積膨脹；（2）侵蝕溶液與界面過渡區富集的離子發生化學反應生成可溶性物質或是膨脹性物質。侵蝕溶液在混凝土縫隙和孔隙中的物理化學作用，直接導致多孔介質固體骨架空隙形態的大小、連通的狀況發生變化，從而改變界面過渡區的結構和力學性能，進而導致膠凝材料和骨料的分離、剝落。

3 結語

（1）超細礦物摻合料摻量為5%～10%時，可以改善快硬混凝土在質量分數分別為5%NaCl、5%MgSO₄、5%Na₂SO₄侵蝕溶液環境下的抗侵蝕性能。

（2）快硬混凝土受侵蝕是一個復雜的物理化學過程，不同侵蝕溶液對抗侵蝕系數的影響不盡相同。

（3）快硬混凝土不同齡期受侵蝕破壞的主導機制不一樣，前期（28 d時）主要是縫隙和孔隙中的滲流與毛細效應，后期（60 d）主要是界面過渡區的邊壁效應和離子間的化學反應。

參考文獻

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