硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能演变规律

肖静宇 龙杰

1.湖南农业大学东方科技学院，湖南长沙 410128；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410007

高性能粉煤灰轻骨料混凝土不仅可以减轻结构物自重，增加结构物跨径，同时利用工业废弃物粉煤灰等量取代部分水泥，减少了环境污染，这一特性使高性能轻骨料混凝土有非常重要的应用价值。有资料研究表明，相比普通混凝土，粉煤灰轻骨料混凝土耐久性表现优异，高抗渗、自收缩小[1]、抗裂性能好[2]，并在很大程度上减轻碱集料反应[3]。现今对轻骨料研究主要有抗碳化，硫酸盐腐蚀及轻骨料混凝土耐久性等方面，对轻骨料混凝土的抗硫酸盐腐蚀和力学演变规律综合研究较少。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

水泥：湘乡水泥厂出产P.O42.5。

细骨料：湘江河沙，细度模数2.85，表观密度2650kg/m3，堆积密度1480kg/m3。

粉煤灰：湖南湘潭火电厂生产，一级粉煤灰（Fly ash(I)，简写FA(I)），比表面积为425m2/kg。

粗骨料：武汉宜昌宝珠陶粒开发责任有限公司生产的5～20mm连续级配圆球型和破碎性高强页岩陶粒。

外加剂：聚羧酸高效减水剂，减水率30%。

1.2 试验方法

（1）强度试验：混凝土力学性能试验按GBJ 81—85《普通混凝土力学性能试验方法》进行，试件尺寸100mm×100mm×100mm标准养护。

（2）耐久性试验：抗折强度试件尺寸为100mm×100mm×400mm，选用三种不同浓度的硫酸钠分别为0%、5%、10%溶液，进行干湿循环试验（浸泡12h，再在65～76℃的烘箱中烘干12h，作为一次循环）在循环0、10、30、50次后分析抗压及试件破坏情况，定义抗腐蚀折减系数K值，K=干湿循环后强度标准值/试件干湿循环前强度标准值。

1.3 混凝土配合比设计

按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行陶粒混凝土配合比设计，主要配合比参数是：胶凝材料（C+FA）总量在500kg左右，粉煤灰等量取代水泥，取代率为30%；混凝土水胶比在0.28～0.3，减水剂掺量以拌合物坍落度在（200±20）mm为准，陶粒预湿时间为1h，体积砂率为38%～40%，；同时设计一组正交试验L9（34），采用拟水平法，胶凝材料总量、粉煤灰等量取代水泥，具体如表1所示。

表1 因素水平表

2 试验结果与分析

2.1 拟水平法正交试验结果

结合表2和表3，影响轻骨料混凝土强度因素权重从高到低依次为A、B、C、D，最优方案为A1B3C2D1。观察试件破坏的全过程，在荷载作用下，试件首先出现一系列微小表皮炸开的声音。随着荷载持续增加，试件棱和侧面出现竖向裂缝，裂缝逐渐扩展延伸至角部最终导致试件的破坏。与普通混凝土相比，试件的破坏面不是骨料表面薄弱区而是轻骨料骨料本身受压破坏，因素A是影响骨料抗压强度最主要因素。从单一粗骨料类型上看，骨料强度越高混凝土强度越高。

表2 混凝土的3、7、28d抗压强度（MPa）

表3 试验结果分析

B因素（材料级配和粒型因素）：由表3可知，B3人工连续级配明显优于单一级配和自然级配，圆球型陶粒由于表面致密且内部多孔，但内部孔隙分布均匀，连通率低，有利于降低轻骨料集料的吸水率，提高了轻骨料混凝土的工作性能。破碎型页岩陶粒表面开口孔洞增多，在表面张力作用下，骨料吸水率增加，考虑到粒型系数影响，页岩圆陶粒型系数远小于规范值≤3.0，导致试件强度低于圆球型陶粒混凝土。

与此同时，采用人工级配设计，在圆陶中掺加破碎型陶粒，取代率为12%。在破碎型陶粒混凝土中，受针片状颗粒影响，混凝土在成型过程中针片状颗粒多数被其它颗粒呈简支粱状支承，个别针状颗粒又起尖劈作用产生应力集中，在受力时薄弱易断裂。但当粗骨料针片状含量小于一定含量时，随着破碎型陶粒的加入能有效的阻止圆型陶粒相对滑动，在混凝土界面形成界面过渡区，进一步增加骨料横向拉力，减少了贯通缝的形成，增强了其抗压强度。

C因素：随着砂率的提高，轻骨料混凝土抗压强度随着上升。由于普通中砂强度高于页岩骨料抗压强度，砂率的提高进一步减小结构物空隙率，但砂率达到一定值后，试件强度增长缓慢。

2.2 抗硫酸盐腐蚀

2.2.1 粉煤灰取代量对混凝土抗腐蚀性影响

在轻骨料混凝土中用FA(I)等量替代水泥，取代率分别为0%～50%，同时在5%液硫酸钠溶液环境下干湿循环50次。FA(I)掺量从0%～30%，其抗压强度损失率随之降低。取代率为30%时，达到最低值，普通混凝土强度损失率为7.5%，轻骨料混凝土为4.8%；FA(I)取代量超过30%时其强度损失率有所升高，当掺量为50%时，强度损失率分别为17%、16.3%。分析其原因：首先，轻骨料混凝土掺入FA(I)活性材料，FA(I)能与水泥水化产生的CH发生二次水化发应，降低了混凝上中的Ca2+浓度，生成C—S—H凝胶，优化了混凝土孔隙结构和界面过渡区；其次，由于FA(I)自身细度高，进一步填充密实了混凝土内部结构孔隙，在一定程度上阻隔了水分和气体渗入通道，降低了混凝中有害孔隙率，在一定程度上降低了侵蚀溶液向内部的扩散几率；此外，硫酸盐是火山灰反应的促进剂，硫酸钙加快了粉煤灰活性材料反应速度，有效降低了其强度损失率，表现出更好抗侵性。

2.2.2 硫酸盐腐蚀对抗压强度影响

FA(I)等量取代30%水泥，在不同浓度硫酸盐溶液干湿循环试验，试验次数为10、30、50次后测量其抗压强度值。结合表3，试样抗压曲线总体表现为先上升后下降趋势。干湿循环从0～30次，试件抗压强度表现为上升趋势，30次时达最高点；循环到50次时，普通混凝土三种溶液K值依次为94.3%、92.5%、89.2%，轻骨料混凝土三种溶液K值依次为97.5%、95.2%、92.1%。

3 结语

（1）正交拟水平试验表明轻骨料混凝土抗压强度影响因素权重从高到底依次为粗骨料强度、骨料级配、砂率、水胶比。

（2）相比于普通混凝土，轻骨料混凝土中粉煤灰最优取代量为30%。

（3）硫酸盐干湿循环条件下，轻骨料混凝土抗压曲线总体表现为先上升后下降趋势。