掺Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能研究

张瑞佳，朱永斌，李双喜，魏 娟，李 涛

(新疆农业大学水利与土木工程学院，830052)

混凝土的抗硫酸盐侵蚀性是耐久性中的一项重要技术指标。研究表明，抗硫酸盐水泥混凝土其抵抗硫酸盐侵蚀的能力有一定局限性，提高混凝土的密实性和抗渗性可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。在普通水泥拌制混凝土时掺入一定量的超细掺合料，可有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性，效果良好。现以Ⅱ级粉煤灰为超细掺合料，研究用其提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能[1]。

1 材料和方法

1.1 材料

(1)水泥:采用新疆青松水泥厂生产的42.5R普通水泥，3d抗压强度为 25.3MPa，28d抗压强度为49.7MPa，C3S55.09%，C3A6.57%，安定性合格;(2)粉煤灰:新疆乌市苇湖梁华电电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，烧失量4.0%，需水量比 87.3%，细度 17.2%。(3)砂:符合国家标准GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》要求的标准砂;(4)减水剂:新疆中材精细化工有限公司生产的FDN萘系高效减水剂，最佳掺量为 1.0%

1.2 方法

参照GB/T749-2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》中K法，即“浸泡抗蚀性能试验方法”，将制备好的胶砂试件在标准条件下养护至规定龄期后，浸泡在不同的侵蚀溶液中进行侵蚀试验，到规定侵蚀龄期后测定试件抗蚀系数，以此来评定抗侵蚀性能力，见式(1)。

式中:f侵蚀溶液为胶砂试件浸泡在侵蚀溶液中规定龄期的抗折强度(MPa);f淡水为胶砂试件浸泡在淡水中与侵蚀溶液中试件同龄期的抗折强度(MPa)。

当K≤0.8时，认为试件抗侵蚀不合格，即试件遭受侵蚀破坏。

2 试验方案

为分析Ⅱ级粉煤灰掺量及水胶比对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，本试验制作了水胶比分别为0.40、0.35，Ⅱ级粉煤灰掺量分别为0、30%和40%的胶砂试件。上述胶砂试件的配合比见表1。由于时间有限，在确定侵蚀时间时，总的试验时间确定为10个月，因此，浸泡时间取1个月、2个月、3个月、4个月、6个月、8个月，10个月。

表1 胶砂试件的配合比

参照中抗硫水泥、高抗硫水泥的适用范围以及水泥抗硫酸盐侵蚀测试方法，初步选用硫酸根离子浓度分别为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸钠溶液作为模拟侵蚀溶液。通过硫酸盐侵蚀试验，测试不同浸泡时间试件的抗折强度，计算抗折系数，分析Ⅱ级粉煤灰掺量、水胶比等因素对混凝土抗侵蚀性能的影响及侵蚀破坏与时间的效应关系。

3 试验结果

3.1 宏观试验结果

对不同水胶比(0.40、0.35)、不同粉煤灰掺量(30%、40%)的粉煤灰混凝土的胶砂试件在不同浓度硫酸盐侵液中侵蚀28d、2个月、3个月、4个月、6个月、8个月、10个月龄期的抗折强度、抗蚀系数进行测定，测定的试验结果汇总于表2。

以各侵蚀龄期的抗蚀系数K≥0.8为抗侵蚀合格标准。分析侵蚀试验结果，并以10个月抗蚀龄期和其相应能抵抗侵蚀的最大硫酸盐侵蚀溶液浓度值判别抗蚀能力，可得到如下规律性的结果。

表2 养护28d试件在4种侵蚀溶液中不同浸泡时间的抗折强度与抗蚀系数

(1)掺Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能主要受粉煤灰掺量、水胶比的影响，其中，Ⅱ级粉煤灰掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响更为显著。在水胶比一定情况下，随Ⅱ级粉煤灰掺量的增大，试件的抗蚀系数增大;在Ⅱ级粉煤灰掺量一定下，随水胶比的降低，试件的抗蚀系数逐渐增大。说明采用较大的粉煤灰掺量并控制较小的水胶比有利于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

(2)Ⅱ级粉煤灰掺量为30%，水胶比为0.40、0.35两种试件在硫酸根离子浓度为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L溶液中经过10个月的浸泡，各水胶比试件的抗蚀系数在各侵蚀龄期一直保持较高的水平。

(3)Ⅱ级粉煤灰掺量为40%，水胶比为0.4、0.35 两种试件在硫酸根离子浓度为2500 mg/L、8000 mg/L、20250mg/L溶液中经过10个月的浸泡，各水胶比试件的抗蚀系数在各侵蚀龄期一直保持较高的水平。

(4)水灰比0.40纯水泥普通混凝土胶砂试件，其抗蚀能力总水平较差，抵抗不了浓度2500mg/L硫酸盐环境水侵蚀。这告诉我们，在工程建设中，要提高混凝土的抗蚀能力，仅提高混凝土的强度是抵抗不了硫酸盐侵蚀的，应在满足结构设计的前提下，尽可能多掺加超细掺合料。

上述结果表明:当Ⅱ级粉煤灰掺量提高至30%以上时，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力有明显的提高，特别当水胶比控制在0.4时，其抗硫酸盐侵蚀能力得到大幅度提高，可以抵抗硫酸根离子浓度小于等于20250 mg/L溶液的侵蚀。

3.2 侵蚀破坏的微观试验结果

硫酸盐对混凝土的侵蚀基本机理是随环境水侵入水泥石中的硫酸盐与水泥石结构内的正常水化产物Ca(OH)2、水化铝酸钙CAH发生化学反应，生成硫酸盐侵蚀产物石膏CaSO4·2H2O和钙矾石Aft[3]。

在侵蚀情况下，混凝土发生侵蚀的微观特征究竟是什么样?让我们仔细、认真观察本项目微观试验研究中所获取的侵蚀水泥石微观电镜扫描图，得出一些结论:

(1)水灰比为0.40的普通混凝土，无法抵抗硫酸根离子浓度2500～20250mg/L硫酸盐溶液侵蚀，其水泥石孔隙中侵蚀产物以石膏为主，侵蚀现象主要发生在试件的表层，具体形态表现为试件表层逐渐疏松、剥落。详见图1。

图1 A试件，在浓度为8000mg/L的溶液中浸泡6个月，水泥石生成了大量的石膏CaSO4·2H2O

(2)水胶比为0.40以下、粉煤灰掺量30%及其以上的高性能混凝土，养护龄期为28d，在硫酸根离子浓度为20250mg/L硫酸盐溶液中侵蚀10个月，水泥石孔隙中未找到侵蚀产物，这和宏观结果相一致。这说明该混凝土较为密实，见图2～图3。

图2 B试件，密实的粉煤灰混凝土，粉煤灰颗粒微集料填充作用明显

图3 D试件，在浓度为20250mg/L的溶液中浸泡10个月，水泥石孔隙内只有少量Aft

3 结论

(1)掺Ⅱ级粉煤灰胶砂试件的抗蚀能力明显高于不掺粉煤灰的普通水泥胶砂试件，说明利用Ⅱ级粉煤灰可以显著提高混凝土的抗侵蚀性能。

(2)掺Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能主要受粉煤灰掺量、水胶比的影响，其中，Ⅱ级粉煤灰掺量对混凝土抗侵蚀性能的影响最为显著。在水胶比一定情况下，随Ⅱ级粉煤灰掺量的增大，试件的抗蚀系数增大;在Ⅱ级粉煤灰掺量一定下，随水胶比的降低，试件的抗蚀系数逐渐增大。说明采用较大的粉煤灰掺量并控制较小的水胶比有利于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

(3)采用低水胶比配制的胶砂试件经过高浓度硫酸盐侵蚀溶液浸泡后，发生侵蚀破坏的具体形态主要表现为试件表层逐渐疏松、剥落，在试件表层发生石膏结晶膨胀，造成试件表层逐渐疏松破坏。

(4)不掺粉煤灰的普通胶砂试件水泥石中孔隙的最大孔径都比掺粉煤灰试件的孔隙最大孔径要大，而且孔隙分布也多，由此，造成外部侵蚀介质容易侵入普通混凝土中，因此其抗硫酸盐侵蚀能力就差。而掺粉煤灰胶砂试件(特别大掺量粉煤灰试件)，由于粉煤灰的微集料填充作用充分和后期水化作用明显，使得试件内部结构更加密实，同时，大掺量Ⅱ级粉煤灰对水泥的置换减少了硅酸三钙的含量(即相应减少了水泥水化产生的氢氧化钙)，加之粉煤灰本身与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应(生成水化硅酸钙)，又进一步减少了氢氧化钙的含量，即产生侵蚀性产物的内因大大减少了，故而，其抵抗硫酸盐侵蚀的能力更强。

[1]李双喜，王志明、唐新军.高炉粒化矿渣粉用于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究[J].新疆农业大学学报，2013，36(4):340-344.

[2]李鹏，胡新丽，李双喜，等.粉煤灰高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀研究[J].粉煤灰综合利用，2006(6):43-46.

[3]李双喜、唐新军、张静华.新疆某重点工程西干渠混凝土板破坏机理研究[J].人民黄河，2012，34(1):147～148.