高性能抗硫酸盐混凝土的试验研究

张建勋

(运城市建筑工程质量监督站，山西 运城 044000)

1 研究背景

煤炭是我国的主要能源。煤层开采后处于氧化环境，煤炭中所含的矿物质硫与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解作用，生成硫酸，使水呈酸性，即产生了酸性矿井水。酸性矿井水的形成对地下水及土壤造成了严重的污染。地下水及土壤中的硫酸盐侵蚀是造成地下混凝土工程腐蚀的重要因素，因此在建筑设计时地下混凝土工程越来越多地要求使用抗硫酸盐混凝土。

硫酸盐侵蚀以混凝土的膨胀和开裂形式表现。渗透性增大，侵蚀水就很容易渗入内部，因此使劣化过程加速。有时，混凝土膨胀会造成严重的结构问题，例如构件的膨胀造成位移。硫酸盐侵蚀还会由于劣化水泥水化产物的粘聚性丧失，而表现为强度逐渐降低和质量损失。

提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的技术措施通常是采用抗硫酸盐水泥配制抗侵蚀混凝土，但抗硫酸盐水泥的应用范围有一定的局限性，且价格远远高于常用水泥。专用的抗硫酸盐水泥生产厂家十分稀少，产量很低，远不能满足要求，需要探索新的抗硫酸盐混凝土配制方法，研究使用普通硅酸盐水泥配制高性能抗硫酸盐混凝土。山西省双喜轮胎股份有限公司清徐新厂区，位于太原市清徐县。清徐县多年从事焦炭化工，造成浅层地下水酸性化。其桩基混凝土采用中等抗硫酸盐混凝土。

硫酸盐侵蚀的化学原理:

水硬性硅酸盐水泥体系中氢氧化钙和铝容易受硫酸根离子侵蚀。在水化过程中，C3A 含量在5%以上的硅酸盐水泥所含大部分为单硫型水化物形式C3A·CS·H18;C3A 含量超过8%时，水化产物也含有C3A·CH·H18。由于硅酸盐水泥中存在氢氧化钙，当水泥浆体与硫酸根离子接触时，两种含铝的水化物转变成高硫型(钙钒石，C3A·3CS·H32):

通常认为，混凝土中与硫酸盐相关的膨胀都和钙钒石有关;但是，形成导致膨胀的机理仍然是一个有争议的问题［1］。

2 研究项目情况及方法

原材料:

水泥:采用太钢双良普通硅酸盐42.5 级水泥;矿粉:采用S95级太钢磨细矿渣粉;粉煤灰:采用太原第一热电厂Ⅱ粉煤灰，砂子:交城水洗砂，细度模数2.8;石子:采用交城碎石(5 mm～25 mm)连续粒径;外加剂:采用山大合盛生产的HS-209 聚羧酸高性能减水剂，掺量2.0%;试验采用的外加剂为聚羧酸高性能减水剂，普通萘系高效减水剂中Na2SO4含量为16%左右，而高浓高效萘系减水剂Na2SO4含量为2.6%，聚羧酸高性能减水剂几乎不含Na2SO4，这样混凝土中Na2SO4含量极低，可以使粉煤灰和磨细矿渣粉消耗更多的Ca(OH)2，充分阻断硫酸盐侵蚀反应的发生。

2.1 单掺粉煤灰时混凝土抗硫酸盐侵蚀情况

按照现行的GB/T 50082—2009 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中抗硫酸盐侵蚀试验进行试验，试验的抗硫酸盐等级为KS90，进行90 次5%NaSO4溶液干湿交替的试验结果为:当水灰比为0.45 时，单掺加粉煤灰混凝土的配合比见表1，抗压强度耐腐蚀系数见表2，图1。

表1 水灰比为0.45 时，单掺加粉煤灰混凝土配合比表

图1 水灰比为0.45 时，单掺加粉煤灰混凝土抗压强度耐腐蚀系数曲线

表2 水灰比为0.45 时，单掺加粉煤灰混凝土抗压强度耐腐蚀系数

当水灰比为0.38 时，单掺加粉煤灰的混凝土配合比见表3，其抗压强度耐腐蚀系数见表4，图2。

表3 水灰比为0.38 时，单掺加粉煤灰的混凝土配合比表

表4 水灰比为0.38 时，单掺加粉煤灰的混凝土抗压强度耐腐蚀系数

图2 水灰比为0.38 时，单掺加粉煤灰混凝土抗压强度耐腐蚀系数曲线

当水灰比为0.33 时，单掺加粉煤灰的混凝土配合比见表5，抗压强度耐腐蚀系数见表6，图3。

表5 水灰比为0.33 时，单掺加粉煤灰的混凝土配合比表

表6 水灰比为0.33 时，单掺加粉煤灰的混凝土抗压强度耐腐蚀系数

图3 水灰比为0.33 时，单掺加粉煤灰混凝土抗压强度耐腐蚀系数曲线

从以上试验结果可以看出，当粉煤灰掺量超过20%时，抗硫酸盐效果变得较为明显。证明加入粉煤灰矿物掺合料对于抑制硫酸盐的侵蚀是一种有效手段。而掺加的量不宜小于20%。

一般来说混凝土水胶比的减小，混凝土抗渗透性能提高，密实程度增加，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能也提高。随着水灰比的降低，混凝土的抗硫酸盐性能显著提高，这是由于混凝土的水灰比降低改善了混凝土的孔隙结构，提高了混凝土的抗渗性能而低渗透性是用来抗硫酸盐最好的防护［1］。根据试验得出:粉煤灰掺量加大，混凝土的抗硫酸盐性能增加，但是粉煤灰掺量过大时，混凝土力学性能也会下降，反而不利于抗硫酸盐侵蚀，需根据具体的配合比，尤其是所使用减水剂的性能而定。在高性能减水剂配合下粉煤灰掺量可以达到40%以上，但使用高效减水剂时掺量不宜超过30%。在粉煤灰掺量超过30%时，抗硫酸盐性能明显，表明低水胶比、高掺量粉煤灰的混凝土配合比具有良好的抗硫酸盐性能。水胶比不宜大于0.45，最好控制在0.4 以下。

2.2 双掺合料高性能混凝土的抗硫酸盐性能

磨细矿渣与粉煤灰双掺的配合比见表7，双掺合料混凝土抗压强度耐腐蚀系数见表8。

表7 磨细矿渣与粉煤灰双掺的配合比表

表8 双掺合料混凝土抗压强度耐腐蚀系数表

使用粉煤灰和磨细矿渣粉可以达到理想的抗硫酸盐的效果，有资料表明“水化后不含或含极少量氢氧化钙的水泥性能要好得多”，大量使用矿物掺合料可以最大限度的减少氢氧化钙的含量，磨细矿渣粉活性高可以大量使用在混凝土中并且保持混凝土的力学强度。

3 研究结论

1)使用现在大量生产的矿渣水泥配制高性能抗硫酸盐混凝土，而非专用的抗硫酸盐水泥，是可行的。

2)在中低强度等级混凝土中大量掺加粉煤灰，虽然强度有所下降但硫酸盐侵蚀的强度损失却在上升。可以在中低强度混凝土中单掺粉煤灰来实现抗硫酸盐侵蚀的效果，掺量不宜小于20%。

3)使用粉煤灰和磨细矿渣粉两种掺合料配制的高性能混凝土，其抗硫酸盐混凝土性能更佳，水胶比0.33 的“双掺”混凝土具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能。

4)抗硫酸盐混凝土的性能与矿物掺合料的使用量有关，同时与混凝土水胶比关系更为密切，使用低水胶比，高矿物掺合料是配制抗硫酸盐混凝土的有效技术手段。

4 推广应用前景

该研究针对结构混凝土因硫酸盐侵蚀破坏影响工程结构安全等问题，通过试验，研究应用矿渣硅酸盐水泥，掺加粉煤灰、磨细矿渣粉、高效减水剂等配制成抗硫酸盐混凝土，并应用到工程实践中，结合工程实际情况，研究方法先进，实验数据详实。随着对工程耐久性问题的日益重视，抗硫酸盐混凝土应用将会越来越多，该试验成果保证了抗硫酸盐混凝土的性能、质量，节约配制成本，具有广阔的推广应用前景，经济社会效益显著。

［1］P.Kumar Mehta.混凝土微观结构、性能和材料［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［2］梁永宁，袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响［J］.中国矿业学学报，2005(32):452-457.