陳 錚，陳 蒙，祝小靚，謝幫華

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；3.中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，四川 成都 610221；4.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

我國水利工程領(lǐng)域中出現(xiàn)的酸腐蝕問題比較多，如尾礦壩混凝土酸洗的酸腐蝕和防滲帷幕排渣廢液的酸腐蝕。江西省德興銅礦尾礦庫是亞洲最大的尾礦庫，位于大山選廠西源大溝內(nèi)，總庫容8.35億m3，最終堆積壩標(biāo)高280.00m，最大壩高208.00m。提煉礦的過程需要進(jìn)行酸洗，因而酸腐蝕是尾礦壩混凝土需要解決的技術(shù)關(guān)鍵。湖北大峪口磷石膏礦位于大峽口礦肥結(jié)合工程指揮部西北約5km，截止目前，壩頂堆積標(biāo)高已達(dá)180.00m，最終設(shè)計(jì)標(biāo)高為220.00m。其排渣的渣漿廢液的pH值為1.5～2.0，具有較強(qiáng)的酸腐蝕性[1]。為滿足環(huán)境保護(hù)的要求，最大限度地延長尾礦壩基礎(chǔ)防滲帷幕混凝土的使用壽命和提高建筑物的經(jīng)濟(jì)效益，有必要使用抗酸混凝土，這對于混凝土酸腐蝕防治領(lǐng)域進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Fattuhi等[2]對摻入粉煤灰及減水劑能否提高混凝土的抗酸性能進(jìn)行了一系列的研究，通過1%硫酸配制的酸性溶液來模擬混凝土所處的酸性環(huán)境，試驗(yàn)表明摻入粉煤灰后的混凝土質(zhì)量損失要小于摻入減水劑后的混凝土的質(zhì)量損失。Shi等[3]也對摻入粉煤灰的混凝土進(jìn)行抗酸腐蝕性研究，得出的結(jié)論為摻入粉煤灰的混凝土抗酸腐蝕性能要優(yōu)于普通硅酸鹽水泥。盡管國內(nèi)外學(xué)者在摻合物及外加劑對混凝土抗酸性能效果方面取得了一定的成果，然而，粉煤灰、硅粉、礦粉等作為摻合料能否提高混凝土的抗酸性能一直還存在著爭議。Roy等[4]對比摻入低鈣粉煤灰混凝土與普通混凝土的抗酸腐蝕性能，采用0.36和0.40兩種不同的水灰比，用磷酸、硫酸、醋酸來模擬酸性環(huán)境，試件養(yǎng)護(hù)至28d后再置于酸性溶液中，結(jié)果顯示混凝土的質(zhì)量損失隨粉煤灰摻量的增加而變大，說明了摻入粉煤灰并沒有提高混凝土的抗酸腐蝕性能。

1 試驗(yàn)與結(jié)果

1.1 原材料

海螺牌P·O42.5水泥；粉煤灰（燒失量5.46%，需水量比100%，細(xì)度12.8%）；一級高爐礦粉（表觀密度1.60g/cm3）；聚丙烯纖維（密度 0.91g/cm3）；粉末狀聚羧酸高效減水劑（減水率24%）；標(biāo)準(zhǔn)砂（燒失量≤0.4%）；水玻璃 （Na2O·nSiO2，Na2O 含量≥21%，SiO2含量≥58%）；自來水。

1.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

混凝土抗酸試驗(yàn)的水膠比一般選取0.35～0.45[5，6]，強(qiáng)酸下應(yīng)盡可能降低水膠比，并保證流動性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)水膠比為0.4?！陡邚?qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》GB/T 18736[7]規(guī)定：粉煤灰摻量一般在30%以內(nèi)，礦粉一般在50%以內(nèi)，研究中粉煤灰、礦粉的用量為取代膠凝材料的15%、30%、45%。試樣采取恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)14天后放入pH=2、pH=4、pH=7的3種溶液進(jìn)行浸泡，分別測試腐蝕設(shè)計(jì)齡期對應(yīng)的強(qiáng)度，配合比如表1所示。

2 分析與討論

研究酸性環(huán)境中摻入不同摻合料對混凝土抗酸腐蝕性能的影響，本文采用水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度損失率進(jìn)行分析，抗壓強(qiáng)度損失率為：

式（1）中，K為抗壓強(qiáng)度損失率；fcun為清水環(huán)境下試塊的抗壓強(qiáng)度，MPa；fcuT為同周期內(nèi)酸性溶液下試塊的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.1 粉煤灰對混凝土抗酸性能的影響

酸腐蝕是一個(gè)漸進(jìn)的過程，進(jìn)程相對緩慢，本文選取浸泡齡期為56d的試樣計(jì)算抗壓強(qiáng)度損失率。不同粉煤灰摻量的抗壓強(qiáng)度損失率，見表3所示。

表1 試驗(yàn)材料配合比

不同粉煤灰摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率變化規(guī)律如圖1所示，粉煤灰摻量在15%～30%，抗壓強(qiáng)度損失率較低，說明粉煤灰能有效提高混凝土的抗酸性能，特別是長期浸泡在酸性溶液的混凝土表現(xiàn)更為明顯。粉煤灰摻入普通硅酸鹽水泥中，填充了水泥顆粒中的孔隙，粉煤灰中的活性物質(zhì)氧化硅與氧化鋁會與水泥的水化產(chǎn)物CH發(fā)生反應(yīng)生成C-S-H和C-A-H，從而減少硬化后水泥膠砂的總孔隙體積和單獨(dú)孔隙的大小，改變了孔隙結(jié)構(gòu)，使硬化的水泥膠砂整體更加致密，細(xì)化了酸性介質(zhì)通過漿體的毛細(xì)孔的通道，使得酸性溶液從外界滲透到水泥膠砂的內(nèi)部侵蝕的速率大大下降。同時(shí)，火山灰反應(yīng)也消耗了部分對酸性環(huán)境最不穩(wěn)定的CH，使得水泥膠砂的抗酸性能大大增強(qiáng)[8]。

表2 水泥膠砂材料的抗壓強(qiáng)度（酸環(huán)境下）

表3 不同粉煤灰摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率

圖1 粉煤灰摻量與水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

2.2 礦粉對混凝土抗酸性能的影響

不同礦粉摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率，見表4所示。

如圖2所示，礦粉有助于提高水泥膠砂的抗弱酸性能，但在抗強(qiáng)酸方面表現(xiàn)不佳。因此，當(dāng)實(shí)際工程中混凝土所處酸性環(huán)境較弱時(shí)，可在混凝土中摻入適量的礦粉，以15%～30%為宜。礦粉也同樣具有與粉煤灰類似的火山灰活性的氧化物，也會與水泥的水化產(chǎn)物CH發(fā)生反應(yīng)得到使水泥膠砂內(nèi)部更致密的凝膠物質(zhì)，但礦粉沒有粉煤灰那么明顯，因?yàn)榈V粉的活性要低于粉煤灰的活性，A.Bertron[9]認(rèn)為礦粉中的氧化鈣含量較高，與CH反應(yīng)所生成的凝膠材料C-S-H中的Ca/Si比較高，而粉煤灰中的氧化鈣含量相比礦粉來說要低得多，生成的C-S-H中Ca/Si比較低[10]。在酸性介質(zhì)中，低Ca/Si比的C-S-H凝膠材料的穩(wěn)定性更好，更難釋放出鈣離子。

表4 不同礦粉摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率

圖2 礦粉摻量與水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

2.3 水玻璃對混凝土抗酸性能的影響

不同水玻璃摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率，如表5所示。

表5 不同水玻璃摻量的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率

如圖3所示，水玻璃模數(shù)為2.85時(shí)，水玻璃摻量為1.5%的水泥膠砂材料抗酸性能較好。水玻璃的摻入可以激發(fā)礦粉的活性，礦粉是由富鈣相包裹富硅相的一種玻璃體結(jié)構(gòu)，當(dāng)磨細(xì)的礦粉單獨(dú)與水泥漿體攪拌時(shí)，水分子的作用不足以分解外層富鈣相的活化能，從而使礦粉玻璃體保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)摻入水玻璃時(shí)，水玻璃水解所得到的[OH]-離子會分解富鈣相的活化能，從而與內(nèi)部的富硅相接觸，促使富硅相中的化學(xué)鍵斷裂，使得內(nèi)部的[SiO4]4-與鈣離子重新組合，生成低堿度的CS-H凝膠，硅酸鈉水解除了提供[OH]-還能提供[SiO4]4-，加速了[SiO4]4-與玻璃體分解后游離的鈣離子的反應(yīng)，起到了雙重堿激發(fā)的效果[11～13]。凝膠越多，材料水泥膠砂的孔隙越少，可以減緩?fù)饨绲乃嵝越橘|(zhì)侵蝕漿體的內(nèi)部，最終起到抗酸效果。

圖3 水玻璃摻量與水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

2.4 復(fù)摻對混凝土抗酸性能的影響

在復(fù)合摻入中，控制水玻璃的摻量為1.5%。粉煤灰和礦粉的摻入量共為45%，如表6所示。

表6 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率（復(fù)摻時(shí)）

由圖4可知，復(fù)摻時(shí)，抗酸效果最好的配合比是粉煤灰：礦粉：水玻璃=1：2：0.1。復(fù)合摻入時(shí)，粉煤灰顆粒與礦粉顆粒可以進(jìn)行交替填充水泥顆粒中的空隙，使水泥膠砂內(nèi)部更加致密，置換出水泥顆?？紫吨械乃欣谶M(jìn)行二次水化反應(yīng)從而生成更多的C-S-H[14，15]。

圖4 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度損失率（復(fù)摻時(shí)）

3 結(jié)論

文中研究了粉煤灰、礦粉、水玻璃等單獨(dú)摻入和復(fù)合摻入對水泥膠砂抗酸腐蝕性能的影響，粉煤灰、礦粉和水玻璃都能有效地改善混凝土的抗酸腐蝕性能。

（1）單獨(dú)摻入時(shí)，粉煤灰摻量在15%～30%范圍內(nèi)水泥膠砂的抗酸性能較好；

（2）礦粉摻量在15%～30%范圍內(nèi)水泥膠砂的抗弱酸性能較好，但無法提高水泥膠砂的抗強(qiáng)酸性能；

（3）水玻璃摻量在1.5%～3.0%范圍內(nèi)水泥膠砂的抗酸性能較好。復(fù)合摻入時(shí)，粉煤灰：礦粉：水玻璃=1：2：0.1水泥膠砂的抗酸效果較佳。