堿硅酸反應一離子侵蝕對花崗巖機制砂混凝土的影響研究

中圖分類號：U46.03 文獻標識碼：A DOl：0.3282/j.cnki.wCcst.2025.04.0

文章編號：673-4874（2025）04-0037-05

0 引言

自940年Stanton首次提出混凝土堿-集料反應的危害以來，各地陸續發現因其引起的混凝土工程破壞。可見，混凝土的堿集料反應已成為引起混凝土工程毀壞的重要因素。

廣西地區以其獨特的地質條件聞名，該地區蘊藏著豐富的花崗巖資源[2。由于天然砂資源日益短缺且石灰巖機制砂質地較軟，當地使用花崗巖機制砂成為一種經濟高效的選擇。這種砂料不僅降低了工程成本，還因其堅硬耐磨特性顯著提升了道路耐久性[3]。然而，花崗巖成分可能與混凝土中的堿金屬發生反應，引發堿硅酸反應，因此需充分考慮其對混凝土壽命和性能的影響4。目前，相關研究主要聚焦于耐久性問題。

在濕熱環境中，混凝土結構常面臨硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透的威脅。硫酸鹽侵蝕是主要問題之一，其通過降低混凝土的致密性從而影響耐久性。研究表明，加入粉煤灰和礦渣可提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能[。另有研究發現，部分替代水泥的粉煤灰和礦渣能填充孔隙，提高基體密實性，顯著改善混凝土性能。也有研究認為，采用混合花崗巖砂和河砂，并引入硅粉和礦物摻和料，可優化抗硫酸鹽侵蝕設計，混凝土抗壓強度下降幅度僅為 12.2%^[?] ]。

氯離子滲透對混凝土密實性和耐久性也有顯著影響。有研究認為，膠凝材料用量、礦物摻和料及水化齡期是氯離子滲透的關鍵因素8。此外，在硫酸鹽與氯鹽混合侵蝕環境中，混凝土性能的劣化程度低于單一溶液中干濕循環后的表現[9]。Y.Wang等[1]研究了在摻入粉煤灰、礦渣和硅粉等多組分SCMs，對混凝土抗硫酸鹽性和抗氯離子性的影響，結果表明當摻入一定含量的輔助膠凝材料時，隨著粉煤灰含量的增加，混凝土抗壓強度和抗氯滲透性能先增大后減小；抗壓強度和抗氯滲透性隨GGBFS含量的增加而降低；抗壓強度隨SF含量的增加先增大后減小，抗氯滲透性隨硅灰含量的增加而增大，確定 20% 粉煤灰 +5% 硅灰為最佳配合比。

花崗巖機制砂混凝土易受到硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透的影響，這對其實際應用形成制約。目前，加入礦物摻和料是抑制堿硅酸反應的有效方法之一，但關于花崗巖機制砂混凝土耐久性的研究仍較少。本研究以礦物摻和料和新型化學外加劑為變量，模擬現場試驗，通過抗壓強度、動彈性模量、電通量等指標評估其耐久性能，并結合微觀分析揭示不同摻和料對堿硅酸反應和硫酸鹽侵蝕耦合作用下的抑制機理。

1原材料與試驗方案

1. 1 原材料

1.1.1水泥

所用水泥為廣西海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥。依據《通用硅酸鹽水泥》（GB175一2007）的要求，對水泥各項指標進行檢驗，結果如表1所示。

表1水泥基本參數試驗結果表

1.1.2細集料

細集料選用花崗巖砂，技術指標如表2所示。

1.1.3粗集料

采用石灰巖作為活性粗骨料，粗骨料的級配根據質量比進行選擇， 19～12.5mm 、 12.5～9.5mm，9.5～ 4.75mm的粒徑范圍占比為 1：1：1 ，以達到均衡的粒度分布，各項指標均符合《建設用卵石、碎石》（GB/T14685一2022）的要求。

1.1.4粉煤灰

粉煤灰為F類I級粉煤灰，基本參數如表3所示。

表3粉煤灰性能參數表

1.1.5硅灰

硅灰性能參數如表4所示。

表4硅灰性能參數表

1.1.6礦渣

礦渣為S95級礦渣，基本參數如表5所示。

表2細集料技術指標表

1.1.7 氧化鋁

氧化鋁為中科牌氧化鋁分析純，參數如表6所示。

表5礦渣性能參數表

表6氧化鋁性能參數表

表7堿硅酸反應一離子侵蝕試驗配合比表

1.2配合比方案設計

以C40作為強度標準，針對堿硅酸反應和硫酸鹽侵蝕耦合試驗、氯離子滲透試驗進行配合比設計，如表7所示，表中各組在堿硅酸反應后進行離子侵蝕試驗。

1.3試驗方法及評價指標

試驗以混凝土抗壓強度、動彈性模量、電通量為主要評價指標，研究在各個因素影響下發生堿硅酸反應后的混凝土性能。

具體測試時參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082一2009）設計硫酸鹽侵蝕試驗。參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30一2005），設計動彈性模量試驗。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082一2009）設計電通量試驗。

硫酸鹽侵蝕試驗開始后，對不同階段的立方體試件進行抗壓試驗，測試其抗壓強度并計算耐蝕系數。混凝土抗壓強度耐蝕系數應按式（1）進行計算：

式中： K_f 一抗壓強度耐蝕系數/ % ：

f_cn 一 ?N 次干濕循環后受硫酸鹽腐蝕的混凝土試件的抗壓強度/ ΔMPa

f_c0 一一標準養護下同齡期對比試件的抗壓強度/ MPa （204

2 結果與討論

2.1混凝土性能測試

2.1.1抗壓性能測試

計算混凝土耐蝕系數，結果如圖1和圖2所示（圖1中0、20、40、60、80、100表示硫酸鹽循環次數）。

圖1花崗巖機制砂混凝土抗壓強度試驗結果柱狀圖

圖2花崗巖機制砂混凝土耐蝕系數試驗結果曲線圖

由圖1可知，摻入單摻料后，花崗巖機制砂混凝土普遍出現強度下降的趨勢。在硫酸鹽侵蝕的各階段，發生堿硅酸反應的基準組抗壓強度均低于對照組，說明堿硅酸會加劇硫酸鹽侵蝕造成的混凝土強度損失。

由圖2可知，摻入 30% 粉煤灰的混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力較強， 100 次硫酸鹽侵蝕循環后，混凝土的抗蝕系數約為0.79，而摻入其他摻和料混凝土的抗蝕系數則 lt;0.75

綜上，在發生堿硅酸反應之后，粉煤灰顯著提升了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，原因是其富含硅酸鹽和鋁酸鹽，在堿性環境中可與水化鈣反應，生成致密耐久的鈣硅酸鹽水合物和鈣鋁酸鹽水合物。相比之下，硅灰、礦渣和氧化鋁生成的水化產物穩定性較差，抗硫酸鹽引起的膨脹和溶解能力較弱，因此改善效果不及粉煤灰。

2.1.2動彈性模量測試

測量混凝土動彈性模量，結果如圖3和圖4所示（圖3中的W表示初始彈性模量）。

由圖3可知，與未進行堿硅酸加速反應的對照組相比，基準組出現了明顯的動彈性模量下降，說明堿硅酸加速反應會加快花崗巖混凝土的動彈性模量損失。其中，摻入 20% 礦渣或 30% 粉煤灰均能提高混凝土的動彈性模量，80次硫酸鹽侵蝕循環后，其模量均高于基準組，說明礦渣和粉煤灰有助于增強花崗巖機制砂混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，而硅灰和氧化鋁效果不顯著。

由圖4可知，堿硅酸加速試驗后，花崗巖機制砂混凝土的動彈性模量下降，但摻入粉煤灰可有效緩解這一問題。在硫酸鹽侵蝕過程中，動彈性模量表現出先上升后下降的趨勢，這是因為侵蝕初期生成的產物填充了孔隙，暫時提高了材料密實度，但隨著侵蝕加劇，內部結構損傷導致模量下降。

圖3花崗巖機制砂混凝土動彈性模量試驗結果柱狀圖

綜上，粉煤灰和礦渣具有泊松效應，通過提高 C^- S-H 凝膠摻量，改善了混凝土的微觀結構和穩定性，顯著提升了其耐久性能，特別是在應對堿硅酸反應和硫酸鹽侵蝕耦合反應等挑戰時表現優異。

2.1.3 中 電通量測試

混凝土電通量的變化情況如圖5所示（圖中 Q 表示未經過堿硅酸加速試驗時的電通量， H 為經過堿硅酸加速試驗后的電通量）。

圖4花崗巖機制砂混凝土模量比試驗結果曲線圖

圖5單摻混凝土的6h電通量試驗結果柱狀圖

由圖5可知，摻入摻和料后，各組電通量均低于基準組，表明摻和料能有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能。經過堿硅酸加速試驗后，摻 30% 粉煤灰和 5% 硅灰的混凝土電通量下降，摻 20% 礦渣的混凝土略有上升，而摻20% 氧化鋁的混凝土電通量顯著上升，說明其抗氯離子滲透性能下降。

綜上，分析其原因，礦渣、粉煤灰、硅灰等摻和料可填充微孔隙并與鈣離子反應，生成更多 C-S-H 凝膠，增強混凝土的密實度，降低氯離子滲透通道。在高溫堿性環境下，花崗巖混凝土易發生堿硅酸反應，生成凝膠填充孔隙，降低電通量。粉煤灰和硅灰優化了微觀結構，使電通量進一步下降；而氧化鋁因未參與水化反應，未生成穩定產物，反而降低了抗氯離子滲透性能。

2.2摻和料對耦合反應抑制機理研究

2.2.1微觀形貌分析

在硫酸鹽侵蝕試驗結束后，對G組、F組、S組、K組、A組試件隨機取樣，觀察微觀形貌，結果如圖6所示。

由圖6可知，基準組混凝土上有較多的產物和侵蝕痕跡，而加入粉煤灰、硅灰、礦渣和氧化鋁的試驗組中，產物和侵蝕痕跡明顯減少。

對照組混凝土中，反應產物主要有兩種：（1）產生于堿硅酸反應過程中，活性硅酸鹽礦物與堿金屬離子反應生成的硅酸鹽凝膠，通常表現為不均勻的膠體物質；（2）在硫酸鹽侵蝕過程中外來的硫酸鹽離子（ SO₄^2- ）與混凝土中的鈣離子 （Ca²⁺ ）反應，形成石膏 CaSO₄?2H₂O） 或鈣礬石 （3CaO?Al₂O₃?3CaSO₄?32H₂O） ，通常表現為晶體形態。這些產物的形成和積累會導致混凝土內部出現明顯的侵蝕痕跡。

加入粉煤灰或礦渣的混凝土的內部結構中，保留有大量的不規則凝膠殘留痕跡，但未見明顯的晶體結構；摻入硅灰的混凝土試件中，表面凝膠痕跡較少但晶體結構增多；加入氧化鋁的混凝土，內部結構受到侵蝕的痕跡最為嚴重，裂隙和空洞的數量明顯多于其他4組，結構表面表現出明顯的不規則凝膠的特征。綜上，可以得出以下結論：粉煤灰、礦渣、硅灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的改善效果高于氧化鋁。

2.2.2 元素組成分析

對G組、F組、S組、K組和A組的水泥基體樣品進行EDS分析，結果如表8所示。

表8花崗巖機制砂混凝土EDS元素組成表

由表8可知，粉煤灰和礦渣的加入增加了混凝土中的硅（Si）和鋁（AI）含量，這是由于這些摻和料中富含硅酸鹽和鋁酸鹽。硅灰顯著增加了混凝土中的Si含量，因為其主要成分為 SiO₂ 。氧化鋁的加入主要增加了AI含量。

在加入粉煤灰、硅灰和礦渣后，混凝土中的鈣元素明顯下降，說明鈣離子的固化過程減弱，混凝土中游離鈣離子與硫酸根離子和鋁酸鹽反應生成的石膏和鈣礬石減少。加入氧化鋁后，混凝土中的鈣元素不減反增，這既可能是 C-A-S-H 凝膠的生成過程中消耗了鈣離子，將其固化在混凝土結構中，也可能是氧化鋁對硫酸鹽侵蝕抵抗作用較弱，鈣離子參與反應生成石膏和鈣礬石。

2.2.3 物相分析

圖6花崗巖機制砂混凝土堿一硫耦合作用SEM（ ×5 000）示例圖由圖6可知，基準組混凝土上有較多的產物和侵蝕

選取G組、F組、S組、K組、A組的混凝土水泥基進行XRD分析，結果如圖7所示。

圖7花崗巖機制砂混凝土XRD譜圖

由圖7可知，加入粉煤灰和硅灰后， SiO₂ 的衍射強度明顯下降；加入礦渣后， CaCO₃ 和 C-S-H（Ca_1.5?SiO_3.5 ：x?（0） 的衍射峰值強度增加；加入氧化鋁后， C₂S/C₃S 和Ca₂SiO₄ 的衍射強度增加。

摻入粉煤灰和硅灰到混凝土中， SiO₂ 衍射峰的強度下降，可能是因為粉煤灰和硅灰中的硅酸鹽與混凝土中的鈣離子反應，形成了更多的 C-S-H 凝膠， C-S-H 凝膠在XRD圖譜上無明顯衍射峰。礦渣通常富含鈣硅酸鹽，在混凝土中與堿反應時，可以促進 C-S-H 凝膠的形成，從而增強衍射峰強度；同時礦渣的堿性環境有助于穩定 CaCO₃ ，防止其進一步與 CO₂ 發生碳化反應。氧化鋁在混凝土中作為活性成分，可以與硅酸鹽相互作用形成鈣鋁硅酸鹽 （C-A-S-H） ，降低 C₂S/C₃S 和Ca₂SiO₄ 的衍射峰強度。

3結語

本研究針對花崗巖機制砂的材料特征及高堿活性的缺陷，設計耦合試驗，研究摻入不同摻和料后混凝土在堿硅酸反應-離子侵蝕作用下的耐久性能和力學性能變化。得出主要結論如下：

（1）堿硅酸反應加速了花崗巖機制砂混凝土抗壓強度的損失，但摻入粉煤灰可提升其耐蝕性能。（2）堿硅酸反應導致混凝土動彈性模量損失，而摻粉煤灰和礦渣可緩解這一問題，其中礦渣還能降低模量損失速率。（③堿硅酸反應提高了混凝土的水化程度并生成堿硅酸反應凝膠，使電通量下降；摻粉煤灰、硅灰和礦渣能進一步提升抗氯離子滲透性能，而摻鋁基化合物會增加電通量，降低抗滲透性能。（4）摻入礦物摻和料的混凝土表面多為凝膠狀結構，而加入鋁基化合物的混凝土則表現出更多的膠凝和晶狀結構。在元素組成上，礦物摻和料增加了硅含量并降低鈣含量，而鋁基化合物則促進鈣元素固化，抑制硫酸鹽侵蝕的效果較弱。

參考文獻

[1]STANTON，ET.Expansion of Concrete Through Reaction Between Ce-ment and Aggregate[J].AClSpec Publicat，1940，107（1）：1781-811.

[2]吳智取.廣西地區摻聚羚酸減水劑機制砂高性能混凝土性能研究[D]，重慶：重慶交通大學，2021.

[3]李北星，柯國炬，趙尚傳，等.機制砂混凝土路用性能的研究[J]建筑材料學報，2010，13（4）：529-534.

[4]Zhang Min，Yang Li-min，Guo Jin-Jun，et al.MechanicalPropertiesandServiceLifePredictionofModified ConcreteAttackedbySulfate Corrosion[J].Advances in civil engineering，2018（1）：8907363.

[5]BINICI H，SHAHT，AKSOGAN O，et al.Durability of concrete madewithgraniteandmarble asrecycle aggregates[J].JournalofMaterials Processing Technology，2008，208（1）：299-308.

[6]JUY，ZHANG H，WANG D，et al.Effect of mineral admixtures on theresistancetosulfateattackof reactivepowderconcrete[J].JCleanerProduction，2024，440（2）：140769.

[7]ARIVUMANGAI A，NARAYANANR M，FELIXKALA T.Study on Sulfateresistance behaviourofgranitesandasfineaggregateinconcretethrough materialtestingandXRD analysis[J].ProceedingsofMaterialsToday，2021，43（1）：1724-9.

[8]黎碧云，劉滿湖，何秀強.混凝土抗氯離子滲透性的關鍵影響因素[J].西部交通科技，2022（10）：41-42，64.

[9]H.Li，Q.Nie，C.Wang，et al.Durability investigation of fractured coal-gasified ash slag concrete eroded by sulfate and chlorine salts[J].Case Studies in Construct.Mater，2024（20）：02745.

[10]Y.Wang，Y.Song，J.Xue，etal.Effectsof incorporatingpolynarySCMsonsulfate resistanceand chloride impermeability of concrete con-sidering capillary action in dry-wet cycling environment[J].Con-struct.Build.Mater，2023（395）：132262.