碱矿渣陶粒混凝土密实性及硫酸盐腐蚀试验

林华艺，林旭健，季 韬，梁咏宁，程可佳，郑文元，朱木强

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

碱矿渣陶粒混凝土密实性及硫酸盐腐蚀试验

林华艺，林旭健，季 韬，梁咏宁，程可佳，郑文元，朱木强

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350116)

通过孔结构、抗渗性和硫酸盐腐蚀试验，研究碱矿渣陶粒混凝土的密实性以及受硫酸盐腐蚀混凝土的退化性能.研究结果表明，对于同种骨料，碱矿渣混凝土的密实性优于普通混凝土；对于同种水泥，陶粒混凝土的电通量较高，其密实性比砾石混凝土的差.混凝土在硫酸盐溶液中浸泡会使混凝土强度先提高再降低，但碱矿渣混凝土强度下降幅度比普通混凝土的小，且碱矿渣陶粒混凝土的下降幅度比碱矿渣砾石混凝土的小.碱矿渣陶粒混凝土具有较好的耐硫酸盐腐蚀能力.

碱矿渣陶粒混凝土; 孔结构；抗渗性；硫酸盐腐蚀；密实性

0 引言

硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但随着我国建材行业的发展和国家政策的调整，建筑材料逐渐转向环保、节能、无污染.在绿色材料发展潮流的冲击之下，硅酸盐水泥存在的不足显露出来：一方面，能源与资源消耗大，另一方面，熟料煅烧过程中会释放大量温室气体，对环境污染极大[1-2].因此，研究胶凝材料制备的新原理，加强工业废渣的利用，是一项具有科学意义和实际意义的工作[3-4].

20世纪30年代，Purdon等[5]研究发现，少量NaOH在水泥硬化过程中可起催化作用，使水泥中铝硅酸盐易溶而形成硅酸钠和偏铝酸钠，进一步与氢氧化钙反应形成水化硅、铝酸钙，使水泥硬化并重新生成NaOH，催化下一轮反应，由此提出“碱反应”理论.此后，前苏联开展大量相关研究，开发新型碱矿渣水泥，我国于20世纪80年代也开始相关研究，取得大量的研究成果[6].大量研究和实践发现，与硅酸盐水泥相比，碱矿渣水泥具有低需水量、低水化热、强度高、耐久性好、护筋性优良、优越的负温硬化性能等优点[7-11].陶粒混凝土属于高性能轻骨料混凝土，比传统混凝土轻20%以上，而且耐久性好.从建筑节能方面考虑，其能耗将节约40%～60%[12].另外, 轻骨料原料主要为工业废渣，可以节约碎石的消耗，也有利于环境保护和可持续发展的需要.

目前，还没有学者研究碱矿渣水泥在轻骨料混凝土中的性能，对于碱矿渣水泥在混凝土中的应用也比较少.碱矿渣陶粒混凝土的研发，将充分发挥轻质、保温隔热、耐久性好等优点，更好地应用到建筑结构中，比如轻质砌块、建筑板材(空心隔墙板、屋面板)、耐火隔热制品等，随着研究深度的增加，必然会逐渐应用到框架结构上.本研究将通过孔结构试验、抗渗性试验和硫酸盐腐蚀试验等，着重碱矿渣陶粒混凝土的密实性及受硫酸盐腐蚀退化性能.

1 试验研究

1.1 试验材料

1) 水泥：福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度为 3 050 kg·m-3，比表面积为360 m2·kg-1，烧失量LOI为1.06%.其中主要成分有82.5%的熟料、5.5%的二水石膏、4.0%的粉煤灰、4.0%的石灰石及4.0%的矿渣.

2) 细骨料：采用闽江河砂，根据GB/T 14684-2001[13]测得细骨料的细度模数为2.5，粒径小于5 mm，堆积密度为1 481 kg·m-3，表观密度为2 590 kg·m-3.

3) 粗骨料：所用普通砾石按照GB/T 14685-2011[14]规定的方法对砾石的各项指标进行测定，测得砾石的表观密度为2 660 kg·m-3，堆积密度为1 532 kg·m-3，吸水率为0.2%，压碎值为8.45%.选用湖北宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的圆球型页岩陶粒，参照GB/T 17431.2-2010[15]测定轻骨料陶粒的基本性能指标，其中：表观密度为1 460 kg·m-3，堆积密度为845 kg·m-3，筒压强度为5.6 MPa，空隙率为42.1%，1 h和24 h吸水率分别为2.0%和4.06%.圆球型页岩陶粒的颗粒级配见表1.

表1 圆球型页岩陶粒的颗粒级配Tab.1 Gradation of ceramsite

4) 矿渣：所用矿渣为泰宇混凝土厂提供，其主要化学成分为32.85%的SiO2、37.44%的CaO、13.01%的Al2O3等.其中:碱度系数M0为1.051，质量系数KKC为1.731，活性系数Ma为0.39.

5) 水：所用水为福州地区的自来水.

6) 碱激发剂：NaOH由北京康普汇维科技有限公司生产，为颗粒状，纯度为99%.Na2SO4采用上海埃彼化学试剂有限公司生产的无水硫酸钠，为颗粒状，纯度为99%.Na2SiO3采用液体水玻璃，固体含量为33.7%，其中：Na2SiO3含量为25.86%，Na2O含量为7.84%，模数为3.3.

1.2 试验配合比

采用两组碱矿渣水泥作为研究对象，一个是中性钠盐碱矿渣水泥，各组分比例为Na2SO410%、普通硅酸盐水泥5%、矿渣85%，另一个是以Na2SO4和Na2SiO3作为复合剂激发剂的碱矿渣水泥，各组分的比例为Na2SO47.5%、Na2SiO32.5%、普通硅酸盐水泥5%、矿渣85%，并以普通硅酸盐水泥作为基准组进行参考.采用两种骨料作为研究对象，分别为天然碎石和页岩陶粒.参考JGJ 55-2011[16]、JGJ 51-2002[17]和文[18]设计混凝土配合比，并利用正交试验对水泥用量、净水灰比、体积砂率等参数进行优化，最终选定水泥用量为480 kg·m-3，净水灰比为0.35，体积砂率为0.35.试验配合比见表2.表2中，JZT表示采用普通硅酸盐水泥和陶粒制成的混凝土；JZS表示采用普通硅酸盐水泥和砾石制成的混凝土；FHT表示采用Na2SiO3和Na2SO4复合激发的碱矿渣水泥和陶粒制成的混凝土；FHS表示采用Na2SiO3和Na2SO4复合激发的碱矿渣水泥和砾石制成的混凝土.

表2 中性钠盐碱矿渣混凝土配合比

Tab.2 Mix proportion of neutral sodium-salt alkali-activated slag (AAS) cement concrete(kg·m-3)

组别ρ水泥ρ砾石ρ陶粒ρ砂ρ水ρ矿渣ρNa2SO4ρNa2SiO3ρNaOHJZT480-638607168----JZS4801157-607168----FHT24-638607168408367.14.9FHS241157-607168408367.14.9

普通水泥混凝土搅拌过程：陶粒在净水中预湿24 h→将陶粒、砂和水泥倒入搅拌机中搅拌0.5 min→将水倒入搅拌机中搅拌2.5 min→振捣采用振动台振实和手工压实结合，振捣时间以拌合物捣实和避免轻骨料上浮为原则，宜为10～30 s.

碱矿渣水泥混凝土搅拌过程：陶粒在净水中预湿24 h→将矿渣和水泥倒入搅拌机中干拌3 min→将激发剂(Na2SO4、Na2SiO4、NaOH)溶解在水中，再将水倒入上一步中得到的混合物中，搅拌1 min→将砂和预湿的陶粒倒入搅拌机中搅拌2.5 min→振捣采用振动台振实和手工压实结合，振捣时间以拌合物捣实和避免轻骨料上浮为原则，宜为10～30 s.

2 试验方案

2.1 孔结构试验

孔结构采用的试验仪器为北京金埃谱公司生产的V-Sorb2800孔结构分析仪.

1) 样品制备.将达到测试龄期的混凝土试块放入烘箱内，在60 ℃温度下烘干，用锤头破碎混凝土试块，得到混凝土小颗粒，然后装入洁净的样品管中.

2) 样品预处理.将装有样品的样品管安装到预处理区域，此时应当注意预处理温度不应高于80 ℃，因为研究表明钙矾石在80 ℃时会开始分解.

3) 样品测试.将预处理后的样品管安装到测试区，选择“孔径分布测定”，开始测试.

2.2 抗渗性试验

采用电通量法(ASTMC1202法)测定混凝土渗透性能.

1) 真空饱水：使用NEL-VJH型混凝土智能真空饱水机，将试样放入真空室中，层间应保持通气.开启真空饱水机自动真空饱水，饱水完毕后从真空室中取出试样进行电通量试验.

2) 配制溶液：配制3%的NaCl溶液、0.3 mol·L-1的NaOH溶液，使之充分溶解后静置备用.

3) 电通量试验：将真空饱水后的混凝土试件安装在有机玻璃夹具上，先在夹具里注入清水，检测是否漏水，当不漏水后用石蜡封住试块四周；然后在正极(红色接线柱)夹具中注入已配制好的NaOH溶液，负极(黑色接线柱)夹具中注入已配制好的NaCl溶液.将各组夹具与电通量测试主机用信号线连接起来，打开电源，设置各通道及时间步数，每隔15 min仪器将自动记录显示的电量，6 h后试验完成，读取各通道的电量.其中，电量数值>4 000 C、2 000～4 000 C、1 000～2 000 C、100～1 000 C、<100 C分别对应混凝土渗透性高、中等、低、很低、可忽略五个等级，由此来评价混凝土渗透性的好坏.

2.3 受硫酸盐腐蚀混凝土退化性能试验

采用加速腐蚀试验方法(烘干-浸泡循环)进行研究，研究表明[19]，烘干-浸泡的加速腐蚀方法比全浸腐蚀的速率更快.按照以下步骤配置质量分数为10%的Na2SO4溶液：将纯度98%以上(近似100%)的无水硫酸钠倒入水中搅拌至完全溶解，无水硫酸钠与水的质量比为1 ∶9.

所设计的循环制度为：室温25 ℃下，采用质量分数为10%的Na2SO4溶液浸泡2 d(48 h)→取出擦干表面水分2 h→80 ℃恒温烘干20 h→冷却观察2 h，即为一个循环，每个循环为72 h(3 d).

本试验主要研究受硫酸盐腐蚀时，碱矿渣陶粒混凝土与普通混凝土早期退化过程的不同，快速区分不同混凝土耐硫酸根离子的能力，最多循环次数定为10次.试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，成型24 h后脱模，标准养护28 d，在清水中浸泡2 d后，直接测量和进行5次上述循环后测量以下指标：① 擦干试件表面，测得干质量；② 80 ℃烘干20 h，测得干质量；③ 测5、10次循环后试件的抗压和抗折强度.

3 试验结果及分析

3.1 混凝土孔结构试验结果及分析

通过对混凝土采样后测定孔结构，得到的孔径分布情况见表3、表4.

表3 混凝土不同孔径范围的总孔体积

Tab.3 Total pore volume of different range of diameter of concrete

(mL·g-1)

编号总孔体积总孔体积分布d=2～20nmd=20～50nmd=50～200nmJZT0.038210.008790.015320.01410JZS0.039850.008890.017360.01359FHT0.015850.012140.001430.00029FHS0.016570.014140.001890.00054

表4 混凝土不同孔径孔隙的体积分布情况Tab.4 Volume distribution of concrete of different diameter pore

碱矿渣混凝土的孔直径比普通混凝土小得多，直径小于20 nm的孔占70%以上，而普通混凝土仅占约20%.普通混凝土50 nm以上的孔达到30%以上，而碱矿渣混凝土仅占10%以下.从水化产物层面来解释，碱矿渣水泥基体内，由矿渣反应生成的水化产物多是箔片状的C-S-H，以未水化矿渣为中心节点形成了密切的网络结构，产生的大部分为凝胶孔，使得混凝土具有更低的孔隙率[20-21].而在普通硅酸盐水泥中C-S-H多为纤维状，其网络连接较弱，大部分为毛细孔[22-23].因此, 普通混凝土的孔径相对较大，且其总孔体积远远大于碱矿渣混凝土.

通过对比陶粒混凝土和砾石混凝土可以发现，两种不同骨料的混凝土总孔径体积相差不大，但在陶粒混凝土中，直径20 nm以下的孔要比砾石混凝土多约3%.这主要是因为陶粒在混凝土中的内养护作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化，水泥石结构也更加致密.

3.2 混凝土电通量结果及分析

表5 混凝土氯离子渗透性试验结果试验结果Tab.5 The results of test of chloride ion permeability in concrete

混凝土氯离子渗透性试验结果见表5.从试验结果看，无论是采用砾石还是陶粒，碱矿渣混凝土的电通量均要低于普通混凝土.其主原因在于，矿渣的比表面积比普通硅酸盐水泥大，其参与反应的接触面积大，其形成的水化产物连接更多，形成更加致密的空间网络.另外，矿渣还具备更强的物理填充作用，因此, 碱矿渣混凝土的水泥石结构比普通混凝土更密实，孔隙率更低.混凝土的氯离子渗透系数与水泥石的孔结构及混凝土的界面过渡区密切相关，合理的水泥石孔径分布及致密的界面过渡区都会使混凝土抗渗性能更加优异.电通量试验结果与孔结构的试验结果一致，均说明碱矿渣混凝土孔径更小、更加密实.因此，碱矿渣混凝土抗渗性能要优于普通混凝土.

另外，陶粒混凝土的电通量均比同种水泥的普通混凝土大.目前陶粒对混凝土抗渗性的影响并没有定论，李宝城[24]认为轻骨料存在自养护作用，让骨料附近的水泥石水化充分；崔宏志[25]认为轻骨料的多孔材性，可以从水泥浆体中吸收部分的水分，改善骨料与硬化水泥石界面，从而改善抗渗性.从本试验结果来看，内部具有较多孔隙的陶粒会为氯离子在混凝土中的迁移提供通道，虽然饱水陶粒对界面过渡区有明显的内养护作用，但是由于本研究所采用的是表面结构较为致密的页岩陶粒，相比于普通陶粒，致密结构会使通道减少，削弱陶粒的吸水返水作用，从而减弱陶粒对混凝土过渡区的增强作用.因此，低吸水率的陶粒会对混凝土的抗渗性产生负面影响.

3.3 受硫酸盐腐蚀混凝土退化性能及分析

采用养护28 d后的混凝土试块进行浸泡，在质量分数为10%的Na2SO4溶液浸泡下，抗压、抗折强度与循环次数的关系见图1，强度损失率见表6.

图1 抗压、抗折强度与循环次数的关系Fig.1 Relation between compressive strength, tensile strength and cycle number

表6 10%Na2SO4浓度浸泡下混凝土的抗压、抗折强度(损失率)Tab.6 The loss of mechanical properties of concrete under 10% Na2SO4 solution

注：损失率=(1-溶液浸泡下的强度/标准养护下的强度)×100%

由图1可知，4组混凝土的抗压强度在10%硫酸钠溶液浸泡下随干湿循环次数的增加先增长后减小.臧兴震[26]的研究表明，混凝土的抗压强度在初期增长较快，而在浸泡120 d后开始下降，这与本试验的规律是一致的.说明硫酸根溶液对混凝土初期强度有提升作用，对混凝土后期强度有损害.根据文[5]可知，混凝土受到硫酸盐的侵蚀作用后，水泥石内部生成了大量的膨胀性物质(钙矾石)，使得在初期混凝土内部的孔隙变小，内部结构更加紧密，混凝土强度有所增强.但是随着腐蚀程度增加，钙矾石造成的混凝土内部压力逐渐增大，当其达到混凝土的极限抗压强度后，水泥石内部开始出现微裂缝.当侵蚀进一步加深，微裂缝逐渐变大，最后演变成宏观的混凝土表面裂缝，混凝土的强度随着裂缝不断增长而逐渐降低.段德峰等[27]的研究也表明了随着腐蚀循环次数的增加，混凝土孔隙率是先减少后增大的，并通过微观试验，观察了水泥石内部结构的一个破坏过程，与本试验的结果相符.

由表6可知，在抗压强度方面，JZT和JZS两组普通混凝土均先分别增长7.85%和13.40%, 然后强度下降低于初始值，分别降低了12.80%和5.38%，但是FHT和FHS两组碱矿渣混凝土先增长幅度为23.48%和22.63%，后期虽然强度有所下降，但仍高于初始强度.在抗折强度方面，循环5次后，JZT和JZS两组普通混凝土分别增长12.76%和14.76%，循环10次后分别降低8.64%和1.2%，FHT和FHS两组碱矿渣混凝土同样先增长后降低，但是循环10次后抗折强度仍高于初始强度.可以得出碱矿渣混凝土的耐硫酸根离子能力要远远强于普通硅酸盐混凝土.

4 结语

1) 对于同种水泥，陶粒混凝土与砾石混凝土总孔径相差不大，但是因为陶粒在混凝土中的内养护作用，使得陶粒附近的水泥石得到更加充分的水化，水泥石结构也更加致密，其直径20 nm以下的孔要比砾石混凝土的多3%左右.

2) 与普通混凝土相比，碱矿渣混凝土更加密实，其抗氯离子渗透性更强，然而由于陶粒中存在许多孔洞，给氯离子的迁移提供通道，其负面作用比饱水陶粒改善界面过渡区和水泥石孔结构的正面作用大，因此陶粒混凝土的电通量更大.

3) 对于同种骨料，普通混凝土的总孔体积是碱矿渣混凝土的两倍以上.普通混凝土经过硫酸盐浸泡10次循环后强度下降明显，而碱矿渣混凝土强度反而有所增长.从FHT和FHS两组碱矿渣混凝土与JZT和JZS两组普通混凝土的强度衰变对比，可以得出碱矿渣混凝土较硅酸盐混凝土的耐硫酸盐侵蚀能力更好.

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(责任编辑：沈芸)

Experimental study for the compactibility and sulfate corrosion resistance of alkali-activated slag ceramsite concrete

LIN Huayi, LIN Xujian，JI Tao, LIANG Yongning，CHENG Kejia，ZHENG Wenyuan，ZHU Muqiang

(College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

By the pore structure test, the anti-permeability test and sulfate corrosion test of alkali-activated slag ceramsite concrete, the compactibility and degradation under sulfate corrosion of concrete were studied.The results show that, the compactibility of alkali-activated slag concrete is better than that of ordinary concrete for the same kind of aggregate.Compared with the same cement, the ceramsite concrete has higher electric flux, and its compactibility is worse than gravel concrete.The strength of ordinary concrete under sulfate solution decreases after the strength increasing at beginning.However, the situation of decending strength of alkali-activated slag concrete is better than that of ordinary concrete, and the situation of decending strength of alkali-activated slag ceramsite concrete is better than that alkali-activated slag gravel concrete.Therefore, the alkali-activated slag ceramsite concrete has superior resistance to sulphate corrosion.

alkali-activated slag ceramsite concrete; pore structure; anti-permeability; sulfate attack; compactibility

2015-06-24

季韬(1972-)，博士，教授，主要从事结构工程研究，jt72@163.com

国家自然科学基金资助项目(51479036)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0577

1000-2243(2016)04-0577-06

TU528.2

A