二氧化硫腐蚀对混凝土性能影响试验研究

牛建刚，胡伟勋，杨鹏飞

(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头　014010)



二氧化硫腐蚀对混凝土性能影响试验研究

牛建刚，胡伟勋，杨鹏飞

(内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头014010)

通过研究不同水灰比的普通混凝土、不同掺量的粉煤灰混凝土和不同粗骨料类型混凝土在二氧化硫腐蚀下的质量变化率、强度、硫化深度，揭示了混凝土在二氧化硫环境中的腐蚀规律。结果表明：粉煤灰混凝土在抵抗二氧化硫腐蚀方面优于普通混凝土，轻骨料混凝土仅仅在减轻硫化深度方面优于普通混凝土。

混凝土； 二氧化硫； 腐蚀规律

1　引　言

由于我国的能源结构以煤炭为主，自燃煤和工业燃煤会产生大量的二氧化硫。在大气中，二氧化硫会形成酸雨对建筑物进行腐蚀，造成建筑物耐久性降低。国内在这方面已经有了相当多的研究[1-4]。但由于大气中的二氧化硫浓度相对较低，并不能反映出工业环境中高浓度二氧化硫对混凝土的破坏情况。

文献[5]指出，长期暴露于工业厂区高浓度二氧化硫环境中的混凝土建筑物或构筑物，会与二氧化硫气体发生一系列复杂的化学反应，最终导致混凝土结构产生不可逆的腐蚀破坏。方胜乔[6]通过对金昌冶炼厂调查，发现由于生产区内的二氧化硫烟气和稀硫酸的腐蚀，混凝土柱身与地面接触处、柱周边表层混凝土被腐蚀成灰白色的酸泥，形成颈缩状凹坑，损坏程度比上部结构更严重。通过在钢铁厂进行实地调研，发现在二氧化硫浓度较高的区域，混凝土结构长时间受到二氧化硫腐蚀，破坏较为严重，如图1所示。

目前，有关工业环境中二氧化硫对混凝土的腐蚀研究，主要集中在火电厂混凝土烟囱和硫酸厂等方面。唐志永等[7]采用人工加速腐蚀试验方法，研究了电站尾部烟气中二氧化硫对烟囱混凝土的影响；司振朝[8]通过对南方某电厂升电站混凝土结构进行检测，发现由于二氧化硫、二氧化碳等的侵蚀，该处梁、柱开裂、防护层剥落、钢筋锈蚀现象严重，需要进行修补；李益民[9]通过对巨化硫酸厂调查，发现硫酸厂建筑物因腐蚀严重造成混凝土保护层剥落，主受力钢筋变细或断裂，以致柱、梁开裂,结构破坏，后虽经加固，但已很难维持安全生产。这些研究大多是通过检测混凝土结构的损坏情况，给出合理的修复意见，并没有反映出工业环境中二氧化硫对混凝土的腐蚀规律。针对这种情况，本文采用试验室快速硫化试验，来研究普通混凝土、粉煤灰混凝土和轻骨料混凝土在二氧化硫侵蚀下的质量变化率、强度、硫化深度，揭示三种混凝土在抵抗二氧化硫腐蚀方面的能力，进一步探讨混凝土在二氧化硫环境中的腐蚀规律。

图1　二氧化硫环境中混凝土结构破坏情况Fig.1　Damage of concrete structure in sulfur dioxide environment

2　试　验

2.1原材料

水泥：包钢综合企业(集团)公司水泥厂生产的“草原牌”P·O42.5普通硅酸盐水泥。细骨料：中砂粒径小于5mm。普通粗骨料：碎石粒径5～25mm。骨料堆积密度、细度模数、含泥量、表观密度、级配等各项性能指标合格。粉煤灰：包头市达旗电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其各项性能指标如表1所示。

表1　粉煤灰性能指标

粉煤灰陶粒：山西文峰有限公司生产的粉煤灰陶粒，主要性能指标见表2和表3。

表2　粉煤灰陶粒性能指标

表3　粉煤灰陶粒颗粒级配

2.2混凝土配合比

本试验选用100mm×100mm×100mm的混凝土试块，参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)、《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T50146-2014)和《轻集料及其试验方法》(GB/T17431.1-2010)等规范和标准所规定的内容，得到各组混凝土配合比及分组如表4所示。

表4　各组混凝土配合比及分组

2.3试验方法

参照文献[7]和文献[10]中所选取的二氧化硫浓度值，确定本试验二氧化硫浓度为3000ppm，硫化箱温度(25±1) ℃，湿度80%±1%。试验周期9d，每3d进行一次测试，共进行三次试验循环。放入硫化箱之前，用于硫化深度测试的试件上下两个面用加热的石蜡密封，防止在硫化过程中，上下两个面受到二氧化硫气体的侵蚀而影响试验结果。

3　结果与讨论

3.1硫化作用对混凝土质量的影响

3.1.1硫化作用对普通混凝土质量的影响

用3组不同水灰比的试件，研究硫化作用对普通混凝土质量的影响。试件在各硫化龄期的质量变化率如表5所示。

表5　不同水灰比的普通混凝土质量变化率试验结果

通过表5中的数据，绘出不同水灰比的普通混凝土质量变化率如图2所示。

图2　不同水灰比的普通混凝土的质量变化率Fig.2　Quality rate of common concrete in different water cement ratio

由图2可以看出，3组水灰比的混凝土试块在腐蚀前期和中期质量变化率随着水灰比增大而增加。在硫化反应前期，由于二氧化硫与混凝土内部碱性物质发生化学反应，使得混凝土孔隙中充满了反应生成的化学产物，混凝土质量的增加。在腐蚀后期，各组试块质量变化率均出现降低，水灰比越大，降低幅度越大。到了反应后期，反应生成的钙矾石等膨胀性物质使得混凝土表层变得疏松，甚至出现剥落，引起混凝土试件质量的减小；水灰比越大，混凝土在硬化成型过程中形成的毛细孔和微小缝隙越多，二氧化硫的扩散与化学反应过程也越容易，硫化后期质量损失越大。

3.1.2硫化作用对粉煤灰混凝土质量的影响

粉煤灰掺量分别取10%、20%、30%，用来研究硫化作用对粉煤灰混凝土质量的影响，并以相同水灰比的普通混凝土质量变化率作为参照。试件在各硫化龄期的质量变化率如表6所示。

表6　不同掺量粉煤灰混凝土的质量变化率试验结果

通过表6中的数据，绘出不同掺量的粉煤灰混凝土质量变化率如图3所示。

由图3可以看出，粉煤灰混凝土的质量变化率小于普通混凝土。掺入粉煤灰后，混凝土中的碱性物质含量减少，并且粉煤灰的二次水化反应会消耗一部分Ca(OH)2，进一步降低混凝土的碱含量，使得硫化反应的剧烈程度减弱，因此粉煤灰混凝土的质量变化率较小。在各腐蚀龄期内，粉煤灰掺量在10%和20%时的质量变化率波动较小；掺量在30%时，质量变化率与普通混凝土类似，呈现先上升后下降的趋势，波动较大。随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土的抗硫化储备逐渐降低，因此掺量为30%时质量变化率波动较大。

图3　不同掺量的粉煤灰混凝土的质量变化率Fig.3　Quality rate of fly ash concrete in different dosage

图4　普通骨料与轻骨料混凝土的质量变化率Fig.4　Quality rate of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.1.3硫化作用对不同粗骨料混凝土质量的影响

通过同一水灰比的普通混凝土与轻骨料混凝土试件，研究硫化作用下不同粗骨料类型混凝土的质量变化规律。试件在各硫化龄期的质量变化率如表7所示。

表7　不同粗骨料类型混凝土的质量变化率试验结果

通过表7中的数据，绘出不同粗骨料类型的混凝土质量变化率如图4所示。

由图4对比可以看出，轻骨料混凝土的质量变化率远高于普通混凝土，说明轻骨料混凝土抵抗硫化的能力相对较差。普通骨料属于致密材料，在硫化过程中可以在一定程度上阻止二氧化硫的侵入，降低硫化反应速度；粉煤灰陶粒属于多孔材料，二氧化硫能轻易侵入到混凝土内部，影响混凝土质量。

3.2硫化作用对混凝土强度的影响

3.2.1硫化作用对普通混凝土强度的影响

用3组不同水灰比的试件，研究硫化作用对普通混凝土强度的影响。试件在各硫化龄期的强度如表8所示。

表8　不同水灰比的普通混凝土硫化强度

通过表8数据，绘出不同水灰比的普通混凝土强度如图5所示。

由图5可以看出，3组水灰比的普通混凝土在二氧化硫侵蚀下强度表现为先增长后降低；各腐蚀龄期内，混凝土强度随着水灰比的增大而降低。在腐蚀前期，混凝土孔隙中充满了水泥与二氧化硫的水化产物，混凝土结构变得紧密，所以强度会有所提高。腐蚀中后期，随着水化反应的不断进行，在混凝土内部产生极大的膨胀应力，表层混凝土出现剥落，混凝土的强度也开始降低。

图5　不同水灰比(W/C)的普通混凝土硫化强度变化曲线Fig.5　Change curve of sulfide intensity of ordinary concrete in different water cement ratio(W/C)

图6　不同掺量(f)的粉煤灰混凝土硫化强度变化曲线Fig.6　Change curve of sulfide intensity of fly ash concrete with different dosage(f)

3.2.2硫化作用对粉煤灰混凝土强度的影响

粉煤灰掺量分别取10%、20%、30%，用来研究硫化作用对粉煤灰混凝土抗压强度的影响，并以相同水灰比的普通混凝土强度作为参照。试件在各硫化龄期的强度如表9所示。

表9　不同掺量的粉煤灰混凝土硫化强度

通过表9数据，绘出不同掺量的粉煤灰混凝土强度如图6所示。

由图6中可以看出，掺粉煤灰的混凝土在硫化早期和中期强度有所提高，在硫化后期强度降低；粉煤灰混凝土抗压强度出现降低的时间比普通混凝土晚。这是由于粉煤灰具有活性效应、形态效应和微集料效应[11]，掺加一定量的粉煤灰，使得混凝土的碱性储备有所下降，所以硫化反应的程度比普通混凝土小。粉煤灰的二次水化会使混凝土强度有一定的提高，这样可减轻硫化反应对混凝土强度的影响，使得粉煤灰混凝土的强度出现降低的时间比普通混凝土晚。

3.2.3硫化作用对不同粗骨料类型混凝土强度的影响

通过同一种水灰比的普通混凝土与轻骨料混凝土试件，研究硫化作用对不同粗骨料类型混凝土强度的影响。试件在各硫化龄期的强度如表10所示。

表10　不同粗骨料类型的混凝土硫化强度

通过表10数据，绘出不同粗骨料类型的混凝土强度如图7所示。

通过图7中普通骨料混凝土与轻骨料混凝土强度之间的对比可以发现，普通骨料混凝土试件强度先增长后降低，而轻骨料混凝土试件强度则表现为持续地增长。轻骨料混凝土硫化后强度比普通骨料混凝土低。普通混凝土在养护过程中由于失水收缩会产生较多的微裂缝，二氧化硫会通过这些裂缝进入混凝土内，会导致混凝土强度呈现先增大后减小的趋势。轻骨料混凝土由于制备时骨料需要预湿，使得内部孔隙会比较均匀，能够更好的抵抗二氧化硫进入混凝土内部，所以在二氧化硫侵蚀过程中其强度发展比较缓慢。

图7　普通骨料与轻骨料混凝土硫化强度变化曲线Fig.7　Change curve of sulfide intensity of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

图8　不同水灰比(W/C)的混凝土硫化深度Fig.8　Sulfide depth of concrete with different water cement ratio

3.3硫化作用对混凝土硫化深度的影响

3.3.1普通混凝土硫化深度的研究

用3组不同水灰比的试件，研究硫化作用对普通混凝土硫化深度的影响。试件在各硫化龄期的硫化深度如表11所示。

表11　不同水灰比的普通混凝土硫化深度

通过表11中的数据，绘出不同水灰比的普通混凝土硫化深度如图8所示。

由图8可以看出，在腐蚀前期，3组水灰比的混凝土硫化深度差别不大。在腐蚀中后期，硫化深度随着水灰比的增大而增加。水灰比越大，在混凝土制作过程中越容易留下孔隙，二氧化硫气体更容易向进入混凝土内部，所以水灰比越大，硫化深度越大。

3.3.2硫化作用对粉煤灰混凝土硫化深度的影响

粉煤灰掺量分别取10%、20%、30%，用来研究硫化作用对粉煤灰混凝土硫化深度的影响，并以相同水灰比的普通混凝土硫化深度进作为参照。试件在不同硫化龄期的硫化深度如表12所示。

表12　不同掺量的粉煤灰混凝土硫化深度

通过表12中的数据，绘出不同粉煤灰掺量的混凝土硫化深度如图9所示。

由图9可以看出，不同掺量的粉煤灰混凝土硫化深度均比普通混凝土硫化深度小。在腐蚀前期，粉煤灰各掺量的硫化深度曲线与普通混凝土的硫化深度变化曲线基本类似；在腐蚀后期，随着粉煤灰掺量的增加，硫化深度增长速度逐渐减小。说明粉煤灰只要掺量在合理的范围内，不但不会影响混凝土抵抗中性化的效果，相反还会使混凝土在酸性环境中表现出更优的抗中性化效果[12]。

图9　不同粉煤灰掺量(f)的混凝土硫化深度Fig.9　Sulfide depth in different fly ash replacement

图10　普通骨料与轻骨料混凝土硫化深度Fig.10　Sulfide depth of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.3.3硫化作用对不同粗骨料类型的凝土硫化深度的影响

用同一种水灰比的普通混凝土与轻骨料混凝土试件，研究硫化作用对不同粗骨料类型混凝土硫化深度的影响。试件在各硫化龄期的硫化深度如表13所示。

表13　不同粗骨料类型的混凝土硫化深度

通过表13中的数据，绘出不同粗骨料类型的混凝土硫化深度如图10所示。

由图10可以看出，轻骨料混凝土硫化深度在腐蚀前期高于普通混凝土硫化深度，在腐蚀中期与普通混凝土硫化深度持平，在腐蚀后期低于普通混凝土硫化深度。由于轻骨料的孔隙较大，在腐蚀前期二氧化硫进入速度较快，使得轻骨料混凝土硫化深度高于普通混凝土硫化深度。随着反应生成的产物不断填充在混凝土孔隙中，阻止了二氧化硫的继续进入，使得腐蚀后期的硫化深度比普通混凝土硫化深度低。

4　结　论

(1)混凝土在硫化后的质量变化率先增加后减少，水灰比越大，质量变化越明显。粉煤灰混凝土质量变化率小于普通混凝土。轻骨料混凝土的质量变化率远高于普通混凝土；

(2)普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗压强度变化曲线呈现先增长后降低的趋势，并随着水灰比增大而减小；在混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以提高硫化后混凝土强度。轻骨料混凝土抗压强度变化曲线相比普通混凝土更加平稳，呈现持续增长的趋势，但整体强度低于普通混凝土；

(3)普通混凝土的硫化深度随着水灰比的增大而增加。掺加粉煤灰的混凝土硫化深度比普通混凝土小，在合理范围内掺量越大，腐蚀后期硫化深度增长越慢。轻骨料混凝土抗硫化能力小于普通混凝土。

[1] 牛荻涛，周浩爽，牛建刚．承载混凝土酸雨侵蚀中性化试验研究[J]．硅酸盐通报，2009，28(3)：411-415．

[2] 姜健，徐惠，唐佚繁．酸雨模拟液侵蚀混凝土的损伤劣化研究[J].硅酸盐通报，2015，34(5)：1407-1411，1416．

[3] 石立安，麻海燕，柯凯．混凝土的抗酸雨腐蚀性及其机理研究[J]．南京理工大学学报，2012，36(4)：717-723．

[4] 王凯，张泓源，徐文媛，等．混凝土酸雨侵蚀研究进展[J]．硅酸盐通报，2014，33(9)：2264-2268．

[5] 王志强，胡忠义．酸雨区混凝土的耐久性分析与防护[J]．施工技术，2005，34：25-34．

[6] 方胜乔．钢筋混凝土结构的腐蚀防护处理[J]．工程建设与设计．2000，(5)：39-40．

[7] 唐志永，金保升，仲兆平，等．电站烟囱混凝土SO2腐蚀模拟研究[J]．工业建筑，2005，(S1)：710-713．

[8] 司振朝．电厂升压站混凝土构件补强防腐[R]．安徽萧县：中国工业防腐技术协会，2009．

[9] 李益民．硫酸厂建构筑物腐蚀的防治[J]．腐蚀与防护，2002，23(2)：81-83．

[10] 于忠，胡蔚儒．化工大气环境中混凝土的腐蚀机理及性能研究[J]．混凝土，2000，(8)：10-15．

[11]CliftonJR.Predictingtheservicelifeofconcrete[J].ACI Materials Journal,1993,90(6): 611-617.

[12] 胡建勤，管斌均，何庆丰．粉煤灰对混凝土补偿收缩性能的影响[J]．混凝土与水泥制品，2001，(2)：15-17．

ExperimentalInvestigationontheInfluenceofSulfurDioxidetoConcretePerformance

NIU Jian-gang，HU Wei-xun，YANG Peng-fei

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Throughresearchthequalityrate,strengthandsulfidedepthunderthecorrosionofsulfurdioxidewithdifferentwatercementratioofordinaryconcrete、differentreplacementofflyashconcreteanddifferentkindsofcoarseaggregateconcrete,thecorrosionlawabouttheconcreteinsulfurdioxideenvironmenthavebeenrevealed.Theresultsshowedthatflyashconcreteisbetterthanordinaryconcreteintermsofcorrosionresistancetosulfurdioxideandlightweightaggregateconcreteisbetterthanordinaryconcreteonlyintheaspectofreducingsulfidedepth.

concrete;sulfurdioxide;corrosionlaw

国家自然科学基金(50908112)；内蒙古科技大学青年骨干基金(2014QNGG03)

牛建刚(1976-)，男，工学博士，教授，硕导.主要从事结构可靠度和混凝土结构耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0044-08