干湿循环条件下超细粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀研究

2020-05-18邵阳张凯峰何志旗

商品混凝土 2020年4期

邵阳，张凯峰，何志旗

（1. 机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2. 中建西部建设北方有限公司，陕西西安 710063；3. 陕西旅游集团有限公司，陕西西安 710100）

0 前言

粉煤灰是火力发电厂的工业废弃物，对于粉煤灰的利用目前主要是Ⅱ级粉煤灰和Ⅰ级粉煤灰的利用。粉煤灰原灰由于颗粒较粗，作为混凝土掺合料使用效果不佳，因而对于粉煤灰原灰利用非常有限。本文将粉煤灰原灰进行超细粉磨后作为掺合料配制混凝土，探索粉煤灰原灰利用的新途径。

遭受环境因素的侵蚀是导致混凝土材料与结构性能退化和服役寿命缩短的直接原因之一，硫酸盐侵蚀是混凝土材料与结构受环境因素作用而发生损伤累积破坏的重要形式[1]。在我国沿海地区和西部盐湖地区的混凝土，无时不遭受干湿交替和硫酸盐、氯盐等腐蚀介质的耦合破坏作用，混凝土的寿命大大低于设计寿命，因此，开展对干湿交替和硫酸盐溶液耦合作用下混凝土的损伤过程和机理研究工作显得尤为重要和紧迫。反映混凝土在硫酸盐作用下损伤程度的指标主要有表面形态破坏程度、抗压抗折强度衰减程度、吸水率、重量损失率和混凝土膨胀率等[2]。

本文以超细粉磨至不同粒径的粉煤灰为混凝土掺合料配制超细粉煤灰混凝土。主要以测量抗压抗折强度衰减程度来表征超细粉煤灰混凝土内部的损伤程度，并通过 SEM 分析混凝土的微观结构以期探明干湿交替与硫酸盐溶液耦合作用下混凝土的损伤规律，为沿海或盐湖地区混凝土的寿命预测提供重要依据。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1 试验原材料

（1）水泥：陕西尧柏水泥厂 P·I52.5 级水泥。

（2）粉煤灰：将粉煤灰原灰粉磨成 A、B、C、D四种不同细度的粉煤灰。A 灰平均粒径 22.1μm，B 灰平均粒径 15.03μm，C 灰平均粒径 7.48μm，D 灰平均粒径 4.0μm。粉煤灰的化学组成见表 1，四种灰的粒度分析见表 2。

（3）砂：中砂，细度模数 2.6。

（4）石子：5～10mm 单级配石灰石碎石。

（5）水：自来水。

表 2 四种不同细度粉煤灰粒度分析 %

1.1.2 混凝土配合比

试验用混凝土配合比如表 3 所示，四种粉煤灰掺合料等量取代水泥，取代率分别为 20% 和 40%，配制成40mm×40mm×160mm 的细碎石混凝土。

表 1 粉煤灰化学多元素分析 %

1.2 试验方案

1.2.1 干湿循环方案

试件养至 28d 龄期的前两天时，在 (80±5)℃ 的烘箱中烘 48h 后，冷却至室温再放入 5% 的硫酸钠溶液中浸泡 15h，然后再放入 (80±5)℃ 的烘箱烘 6h，每个干湿循环的总时间为 (24±2)h，每 15 个干湿交替周期进行一次数据测量。

1.2.2 试验检测指标

通过测量不同细度、不同掺量粉煤灰的混凝土强度，比较粉煤灰混凝土的抗压强度耐蚀系数。抗压耐蚀系数是指 5% 硫酸盐溶液中试块的抗压强度与在自来水中相同循环次数试件的抗压强度的比值。

表 3 混凝土配合比 kg/m3

J 450 0 733 1099 225 0.5 A2 360 90 733 1099 225 0.5 B2 360 90 733 1099 225 0.5 C2 360 90 733 1099 225 0.5 D2 360 90 733 1099 225 0.5 A4 270 180 733 1099 225 0.5 B4 270 180 733 1099 225 0.5 C4 270 180 733 1099 225 0.5 D4 270 180 733 1099 225 0.5

2 试验结果及分析

不同种类混凝土干湿循环条件下不同龄期的抗压强度见表 4 和图 1（注：以下龄期均指，混凝土经 28d 标准养护后，重新开始计算龄期，从 0d 计起。）

表 4 不同种类混凝土干湿循环条件下不同龄期的抗压强度 MPa

2.1 粉煤灰细度对混凝土抗压强度的影响

从图 1 可知，随干湿循环龄期增加，掺量为 40%的粉煤灰混凝土强度先缓慢增大后减小。特别是在干湿循环 90d 后混凝土强度迅速降低。J 组混凝土在侵蚀90d 之前强度变化不大，90d 以后强度迅速降低。在同龄期内，D4 试块强度最高，即使在侵蚀 90d 后，D4 试块强度损失也较其他试块要小。这可能是由于超细粉煤灰能使混凝土结构更加致密，从而其强度也较高。加入粉煤灰的混凝土总体上都比基准混凝土在干湿循环 90d后强度高，说明加入不同细度的粉煤灰可改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，粉煤灰越细，强度越高。

图 1 不同种类混凝土干湿循环条件下不同龄期混凝土抗压强度

2.2 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响

从图 1 可知，总体趋势是在干湿循环条件下，同种细度的粉煤灰混凝土，40% 掺量的强度高于 20% 掺量的。这可能是由于粉磨后的粉煤灰粒径细化，可以更好地起到密实填充效应，并且磨细之后粉煤灰内部的活性成分被更大程度的释放出来，从而增加了粉煤灰的活性效应，所以在干湿循环条件下，同种细度的粉煤灰混凝土，40% 掺量的强度高于 20% 掺量的粉煤灰混凝土。

2.3 干湿循环条件下混凝土微观结构分析

从 SEM 图像（图 2～5）可见，D4 组混凝土相对于 A2、A4、D2 组来说更加密实，几乎无毛细孔。其原因主要是采用了超细粉磨的粉煤灰，增大了粉煤灰的火山灰效应和颗粒密实效应。能将混凝土中尤其是浆体与集料界面处大量的 CH 晶体消耗，转化成对强度及致密性更有利的 C-S-H 凝胶，该反应产物有效填充了大的毛细孔，细化了混凝土中的孔结构，改善了界面缺陷，同时其微细颗粒可填充到水泥颗粒填充不到的孔隙中，使混凝土内部的缺陷减少，致密性也得到提高[4]。