油菜秸秆灰分混凝土抗硫酸盐的侵蚀性能

黄伟，刘保华,2*，齐臻，易督航，邓理(.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 4028；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 4028)



油菜秸秆灰分混凝土抗硫酸盐的侵蚀性能

黄伟1，刘保华1,2*，齐臻1，易督航1，邓理1
(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

摘 要：用油菜秸秆灰分等量替代5%、10%、15%、20% 和25%的水泥，在水胶比分别为0.4、0.45、0.5下制作油菜秸秆灰分混凝土试件，采用全浸泡方式进行混凝土的抗硫酸盐侵蚀试验，通过对试件变形、质量损失和抗压强度的测试，考察油菜秸秆灰分混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。结果表明：水胶比0.4的油菜秸秆灰分混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力强于水胶比0.5 的；当水胶比为0.45，油菜秸秆灰分掺量15%时，油菜秸秆灰分混凝土抗硫酸盐侵蚀能力较普通混凝土增强约46%。

关 键 词：油菜秸秆灰分混凝土；硫酸盐侵蚀；质量损失；抗压强度

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外界硫酸根离子易渗入到混凝土内部并与水化产物Ca(OH)2发生化学反应，生成膨胀性物质，导致混凝土开裂、剥落[1–3]，影响混凝土的耐久性[4–7]，因此，减少混凝土中Ca(OH)2的含量是提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的关键。牛全林[8]研究表明，环境中具有水硬活性的物质如活性SiO2和活性Al2O3，与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2发生二次反应，会生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，填充在混凝土的孔隙中，一方面可减少混凝土中Ca(OH)2的含量，另一方面可提高混凝土的密实性，减少硫酸根离子进入混凝土内部。刘巧玲等[9]、张强等[10]研究表明，油菜秸秆通过水洗处理，经500 ℃煅烧5 h后所得灰分，SiO2含量达到61.76%，具有较好的水硬活性。基于水胶比也是影响混凝土抗侵蚀能力的重要因素[11–13]，笔者尝试用油菜秸秆灰分等量替代0～25%的水泥，通过调控水胶比，研究油菜秸秆灰分混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，现将结果报道如下。

1　材料与方法

1.1材料

油菜秸秆灰分采用湖南农业大学试验基地湘杂油1613号油菜秸秆，通过水洗，在500 ℃下高温煅烧5 h，过150 μm筛制得。秸秆灰分表观密度2.98 g/cm3，SiO2含量61.76%。

使用湖南红狮建材有限公司生产的复合硅酸盐水泥，强度为P·C32.5(旋窑)。

5%的Na2SO4溶液采用西陇化工股份有限公司生产的无水硫酸钠配制。

骨料：细骨料为河砂，人工级配，细度模数为2.75，属中砂，含泥量小于1%；粗骨料为卵石，最大粒径为20 mm，连续级配。

混凝土拌合水、养护水均为自来水。

1.2方法

参照JCJ55—2011， 设计水胶比为0.4、0.45、0.5，以油菜秸秆灰分等量替代5%、10%、15%、20%、25%水泥，制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，每组6个试件，共16组。成型后拆模放入恒温、恒湿标准养护箱，28 d后取出试件，放入(80±5) ℃烘箱中干燥6 h，再自然冷却2 h，记录试件的初始质量。将每组3个试件移入5%的Na2SO4溶液中，进行化学侵蚀，另3个试件放入淡水作为对照养护；28 d后取出试件，用钢丝刷除去试件表面的水化产物，清洁腐蚀层，自然晾干后称取试件侵蚀后的质量，用数显混凝土压力试验机测试水养护试件抗压强度、硫酸钠溶液养护试件抗压强度，计算质量损失和强度损失[9]。依据GB/T50082—2009，从表观变化、质量损失和抗压强度3个方面考察油菜秸秆灰分混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

2　结果与分析

2.1油菜秸秆灰分混凝土硫酸盐侵蚀后的表观变化

同一水胶比下，随着油菜秸秆灰分掺量的增加，混凝土试块颜色由深变浅。水胶比0.4、油菜秸秆灰分掺量20%的混凝土，经硫酸盐侵蚀后，除了棱角受到轻微破坏外，表面基本保持完整(图1–1)；水胶比为0.45，油菜秸秆灰分掺量为20%的混凝土，经硫酸盐侵蚀后出现1条粗大的裂缝，边缘骨料出现部分脱落现象(图1–2)；水胶比为0.5，油菜秸秆灰分掺量为25%的混凝土，经硫酸盐侵蚀后，严重开裂(图1–3)。

图1　油菜秸秆灰分混凝土硫酸盐侵蚀后的开裂情况Fig.1 The cracking situation of the rape straw doped ash content concrete after erosion

比较各试块表观破坏情况，水胶比在0.4、0.45、0.5时，水胶比越小，抗硫酸盐侵蚀性能越强。

2.2油菜秸秆灰分混凝土硫酸盐侵蚀后的质量损失

表1结果表明，油菜秸秆灰分掺量在15%时，混凝土试块受硫酸钠溶液侵蚀，质量损失较小；当油菜秸秆灰分掺量超过15%时，试块的质量损失增大。在同一水胶比下，秸秆灰分掺量为15%试件质量损失较小，水胶比0.45时，秸秆灰分掺量15%时，质量损失仅为0.5%；秸秆灰分掺量超过20%时，质量损失达到1%。秸秆灰分掺量在15%时，水胶比0.4的混凝土质量损失为0.75%，水胶比0.5的为1%，质量损失均小于其他油菜秸秆灰分掺量的混凝土。由质量损失分析可知，油菜秸秆灰分能有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，且掺量为15%时，混凝土抗侵蚀能力最强。

表1　不同油菜秸秆灰分掺量混凝土硫酸盐侵蚀的质量损失Table 1　Mass loss of the ash concretes with different rape straw content after erosion

2.3油菜秸秆混凝土硫酸盐侵蚀后的强度变化

由表2可知，混凝土抗压强度随油菜秸秆灰分掺量的增加而降低，当灰分掺量低于15%时，混凝土的实际抗压强度仍然高于设计强度值。油菜秸秆灰分掺量在10%以内，同等掺量的混凝土，抗压强度随水胶比的增大而加强。

表2　不同秸秆灰分掺量混凝土试块的抗压强度Table 2　Mass loss of the ash concretes with different rape straw content after erosion

由表3可知，硫酸盐溶液侵蚀后，混凝土的强度损失率随秸秆灰分掺量的增加呈现先减小后增大的趋势。油菜秸秆灰分掺量为15%，混凝土强度损失最小。水胶比0.4时，强度损失最小，为1.6%；水胶比为0.45时，强度损失为1.5%；水胶比为0.5时，强度损失3.1%。由强度损失可知，水胶比为0.45，油菜秸秆灰分掺量15%时，混凝土抗侵蚀性能最佳，且较普通混凝土增强约46%。

表3　不同秸秆灰分掺量混凝土试块的抗压强度损失率Table 3　The loss percentage of compressive strength for the ash concretes with different rape straw content after erosion

3　结论

水胶比为0.4、0.45、0.5时，水胶比越小，油菜秸秆灰分混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越强。等量掺入15%油菜秸秆灰分替代水泥，能够获得最佳抗硫酸盐侵蚀效果。

在油菜秸秆灰分最佳掺量为15%，水胶比为0.45时，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能较普通混凝土增强约46%。

参考文献：

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[3] 吴长发．水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法研究[D]．成都：西南交通大学，2007．

[4] 申春妮，黄林青，陈明政，等．混凝土硫酸盐侵蚀影响因素的试验研究[J]．水利与建筑工程学报，2010，8(3)：38–42．

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[9] 刘巧玲，刘保华，张强，等．灰化条件对油菜秸秆灰分特性的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2013，39(1)：107–110．

[10] 张强，刘保华，刘巧玲，等．双掺油菜秸秆灰分和硅粉对混凝土性能的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2014，40(3)：334–336．

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责任编辑：罗慧敏英文编辑：吴志立

Erosion resistance on the sulfate for the rape straw doped ash concretes

Huang Wei1，Liu Baohua1,2*，Qi Zhen1，Yi Duhang1，Deng Li1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

Abstract:A series of ash concretes with 5%, 10%, 15%, 20% and 25% rape straw was used to make the test samples with the water-binder ratio of 0.4, 0.45, and 0.5. The deformation, mass lost, and compressive strength of the samples were detected to evaluate the erosion resistance by the sulfate erosion test with complete soaking treatment. The results indicated that the ash concrete with water-binder ratio of 0.4 have the high resistance to sulfate erosion than that with water-binder ratio of 0.5. For the 15% rape straw doped ash concretes with water-binder ratio of 0.45, the resistance to sulfate erosion increased 46% than the normal concretes.

Keywords:rape straw doped ash concrete; sulfate erosion; mass loss; compressive strength

中图分类号：TU528.33

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)02−0222−03

收稿日期：2015–12–19 修回日期：2016–01–18

基金项目：湖南省政府重大专项(湘府阅[2012]35号)；湖南省教育青年基金项目(15B108)

作者简介：黄伟(1989—)，男，湖南益阳人，硕士研究生，主要从事新型建筑材料研究，937118796@qq.com；*通信作者，刘保华，副教授，主要从事农业废弃物在建筑材料中的应用、土木工程结构理论研究，bhliu@hunau.edu.cn