王永周，趙洪學(xué)，劉 斌，魏永政

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024)

硫酸鹽侵蝕會(huì)造成混凝土膨脹、開裂、剝落、腐蝕變質(zhì)等現(xiàn)象,從而使得混凝土強(qiáng)度降低甚至破壞,是導(dǎo)致水泥基材料耐久性退化和服役壽命縮短的主要環(huán)境因素之一[1-4]。我國(guó)西部鹽堿地和鹽湖區(qū)、東部沿海地區(qū)、地下水附近的混凝土構(gòu)筑物所服役的環(huán)境中均存在硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象[5-7]。為解決混凝土結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境下的性能劣化問題,通過加入粉煤灰等固廢類活性礦物摻合料,能有效降低膠凝材料中C3A的含量,消耗多余的水化產(chǎn)物Ca(OH)2,從而提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能,同時(shí)消納固廢資源、降低成本,有利于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下高性能混凝土的發(fā)展與應(yīng)用[8-11]。

本文研究單摻不同摻量F類Ⅱ級(jí)粉煤灰以及與S95級(jí)礦粉復(fù)摻配制高性能混凝土,在質(zhì)量濃度5%的Na2SO4溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn),通過混凝土抗壓強(qiáng)度、耐蝕系數(shù)、質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈模量對(duì)礦物摻合料影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力進(jìn)行綜合評(píng)定,以期為硫酸鹽侵蝕地區(qū)的高性能混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:山東東華水泥有限公司淄博萬華分公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,28 d膠砂強(qiáng)度為48.9 MPa;粉煤灰:F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,需水量比91%;礦粉:S95級(jí),需水量比96%,活性指數(shù)100%;細(xì)骨料:河沙,中砂,細(xì)度模數(shù)2.8,表觀密度2 640 kg/m3;粗骨料:由粒徑5 mm～10 mm和10 mm～20 mm的碎石按照質(zhì)量比3∶7混合后使用,表觀密度2 760 kg/m3;減水劑:山西方興建材有限公司生產(chǎn)的FX-1H緩凝型高性能聚羧酸減水劑,減水率30%;拌合水:自來水。

1.2 混凝土配合比

A組為基準(zhǔn)混凝土,B組為單摻粉煤灰的混凝土,C組為復(fù)摻粉煤灰+礦粉混凝土,膠凝材料用量為482 kg/m3、水膠比0.33、砂率39%,通過調(diào)整減水劑摻量,將混凝土坍落度控制在(220±20) mm,混凝土配合比如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

表1 混凝土配合比

試驗(yàn)按照GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 50082—2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)將試塊養(yǎng)護(hù)56 d后進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn),侵蝕溶液為質(zhì)量濃度5%的硫酸鈉溶液,1次干濕循環(huán)周期為1 d,每隔30測(cè)定抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量,直至300次干濕循環(huán)。

1)抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)計(jì)算公式:

其中,Ks為耐蝕系數(shù),%;fn為混凝土干濕循環(huán)n次抗壓強(qiáng)度,MPa;fn′為混凝土標(biāo)養(yǎng)n齡期抗壓強(qiáng)度,MPa。

2)質(zhì)量損失率ω的計(jì)算公式:

其中,ω為質(zhì)量損失率,%;M0為干濕循環(huán)試驗(yàn)前試件的初始質(zhì)量,g;Mi為第i次干濕循環(huán)試驗(yàn)后試件的質(zhì)量,g。

3)相對(duì)動(dòng)彈性模量的計(jì)算公式:

其中,Erd為相對(duì)動(dòng)彈性模量,%;Edn為混凝土干濕循環(huán)n次后的動(dòng)彈性模量,GPa;Ed0為混凝土標(biāo)養(yǎng)n齡期后的動(dòng)彈性模量,GPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰-水泥二元體系高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù)

不同摻量粉煤灰高性能混凝土在硫酸鹽溶液干濕循環(huán)和標(biāo)養(yǎng)下抗壓強(qiáng)度值見圖1,圖2,耐蝕系數(shù)見圖3。

由圖1可知,由于粉煤灰的加入,混凝土早期強(qiáng)度均有不同程度的降低,但后期強(qiáng)度開始增長(zhǎng)。在標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下,B1組混凝土180 d,210 d,240 d,270 d,300 d的抗壓強(qiáng)度比A1組提高了-2.9%,-0.1%,-0.3%,0.6%,0.3%;B3組混凝土180 d,210 d,240 d,270 d,300 d的抗壓強(qiáng)度比A1組提高了0.5%,1.3%,1.4%,1.5%,0.6%;B2和B4組混凝土各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度均小于A1組。

由圖2,圖3可知,B3組抗蝕系數(shù)一直大于100%,B1組、B2組和B4組的強(qiáng)度下降齡期分別為270 d,240 d和210 d,說明B4組最先出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象。侵蝕齡期達(dá)到300 d時(shí),B3組混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變化最小,侵蝕系數(shù)為100.3%,強(qiáng)度仍保持增長(zhǎng),為基準(zhǔn)組的1.04倍。B1組、B2組、B4組耐蝕系數(shù)分別為97.9%,98.7%,96.1%,分別為基準(zhǔn)組的1.01倍、1.02倍、0.99倍。根據(jù)以上分析可知,粉煤灰二次水化反應(yīng)能消耗Ca(OH)2,并效降C3A,使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高,抗硫酸鹽侵蝕性增強(qiáng),在一定摻量范圍內(nèi)的粉煤灰摻入有利于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕,粉煤灰摻量為30%時(shí),抗硫酸鹽侵蝕效果最好,粉煤灰摻量為40%時(shí),抗硫酸鹽侵蝕效果最差。

2.1.2 質(zhì)量損失率

不同摻量粉煤灰高性能混凝土質(zhì)量損失率見圖4?？芍?隨著粉煤灰摻量增加,混凝土質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),但質(zhì)量增長(zhǎng)速率有明顯不同。A1組、B1組、B2組、B3組、B4組的質(zhì)量減小齡期分別為210 d,210 d,240 d,240 d,210 d。經(jīng)過300 d的侵蝕齡期后,各組的質(zhì)量損失率分別為 -0.17%,-0.16%,-0.19%,-0.24%和-0.02%,原因是由于干濕循環(huán)會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)粉煤灰二次水化反應(yīng)的進(jìn)行,混凝土孔隙被水化產(chǎn)物填充,再加上硫酸鹽的結(jié)晶與化學(xué)反應(yīng),使混凝土質(zhì)量增加。4種不同粉煤灰摻量混凝土在侵蝕過程中質(zhì)量變化都是緩慢增加,后期加速下降,粉煤灰摻量越多,質(zhì)量增加過程增加量越小,在一定范圍內(nèi),隨著粉煤灰摻量的增加,損失率為正值,表明混凝土質(zhì)量增加,當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí),質(zhì)量增加最多。從質(zhì)量損失率角度分析,粉煤灰混凝土抗硫酸鹽侵蝕從優(yōu)到劣的摻量依次為:30%粉煤灰>20%粉煤灰>10%粉煤灰>40%粉煤灰。

2.1.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

不同摻量粉煤灰高性能混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量見圖5。隨著粉煤灰摻量的增加,相對(duì)動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);后期混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量有所提高,這與粉煤灰增加混凝土后期強(qiáng)度有密切關(guān)系,對(duì)于混凝土長(zhǎng)期耐久性有一定改善作用。B1,B2,B3,B4相對(duì)動(dòng)彈性模量峰值依次為104.4%,102.7%,104.6%,102.5%,所對(duì)應(yīng)齡期分別為210 d,240 d,240 d和180 d,總體上呈現(xiàn)峰值降低和對(duì)應(yīng)齡期延長(zhǎng)的趨勢(shì)。侵蝕臨期300 d時(shí),B1組相對(duì)動(dòng)彈性模量為98.4%,B2組相對(duì)動(dòng)彈性模量為99.3%,B3組相對(duì)動(dòng)彈性模量為100.2%,B4組相對(duì)動(dòng)彈性模量為95.2%,分別為A1組相對(duì)動(dòng)彈性模量的1.01倍、1.02倍、1.03倍、0.98倍。從相對(duì)動(dòng)彈性模量角度分析,粉煤灰混凝土抗硫酸鹽侵蝕從優(yōu)到劣的摻量依次為:30%粉煤灰>20%粉煤灰>10%粉煤灰>40%粉煤灰。

2.2 粉煤灰-礦粉-水泥三元體系高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 抗壓強(qiáng)度及耐蝕系數(shù)

不同摻量粉煤灰和礦粉高性能混凝土在硫酸鹽溶液干濕循環(huán)和標(biāo)養(yǎng)下抗壓強(qiáng)度值見圖6,圖7,耐蝕系數(shù)見圖8。

由圖6—圖8可知,粉煤灰和礦粉使得混凝土初始強(qiáng)度減小,但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)程度大,對(duì)于侵蝕均有不同程度的改善。侵蝕齡期達(dá)到300 d時(shí),C2組混凝土試塊抗壓強(qiáng)度最高,侵蝕系數(shù)為100.78%,強(qiáng)度仍保持增長(zhǎng),為基準(zhǔn)組的1.04倍。C1組、C3組的抗蝕系數(shù)分別為97.43%,99.88%,分別為基準(zhǔn)組的1.01倍、1.03倍,各組的抗壓強(qiáng)度分別為83.5 MPa,90.0 MPa,84.2 MPa,分別為基準(zhǔn)組的0.97倍、1.05倍、0.98倍。由于粉煤灰、礦粉與水泥礦物組成和顆粒級(jí)配方面的差異,可以相互填充,降低孔隙率,并進(jìn)行二次水化反應(yīng),提高密實(shí)度。本次試驗(yàn)中,C2組(20%粉煤灰+20%礦粉)為最優(yōu)復(fù)摻比例,種類不同礦物摻合料的復(fù)合比例控制恰當(dāng)其正效應(yīng)是可以大于單獨(dú)使用一種摻合料的效果的。

2.2.2 質(zhì)量變化

不同摻量粉煤灰高性能混凝土質(zhì)量損失率見圖9?？芍?各組粉煤灰-礦粉-水泥三元膠凝體系混凝土質(zhì)量還是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),但質(zhì)量增加速率及拐點(diǎn)齡期各不相同。C1組、C2組、C3組混凝土質(zhì)量開始下降的時(shí)間分別為210 d,240 d,270 d,最大損失變化率分別為-0.36%,-0.49%和-0.49%。經(jīng)過300 d的侵蝕齡期后,各組的質(zhì)量損失率分別為-0.03%,-0.29%,-0.39%。

2.2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

不同摻量粉煤灰+礦粉高性能混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量見圖10?？梢钥闯?粉煤灰對(duì)早期動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),隨著礦粉的增加早期負(fù)相關(guān)性減小,但總體相對(duì)動(dòng)彈性模量均為早期增長(zhǎng)緩慢,后期有不同程度的增加。不同配合比的相對(duì)動(dòng)彈性模量峰值有所不同,C1組、C2組、C3組依次為101.8%,104.8%,101.7%,所對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)均為180 d。侵蝕臨期300 d時(shí),C1組相對(duì)動(dòng)彈性模量為95.3%,C2組相對(duì)動(dòng)彈性模量為100.5%,C3組相對(duì)動(dòng)彈性模量為99.0%,分別為A1組相對(duì)動(dòng)彈性模量的0.98倍、1.04倍、1.02倍。

3 結(jié)論

1)在硫酸鈉溶液干濕循環(huán)環(huán)境下,摻礦物摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能具明顯的改善作用,不同種類和摻量的礦物摻合料混凝土抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量及相對(duì)動(dòng)彈性模量基本都呈現(xiàn)出前期上升、后期下降的趨勢(shì),只是性能變化的時(shí)間存在不同程度的差異。

2)粉煤灰-水泥二元膠凝體系混凝土中,粉煤灰摻量比例不同,抗硫酸鹽侵蝕能力也不同。通過對(duì)性能指標(biāo)的綜合評(píng)定,粉煤灰摻量比例抗硫酸鹽侵蝕優(yōu)劣排序依次為:30%粉煤灰>20%粉煤灰>10%粉煤灰>40%粉煤灰。適當(dāng)摻入粉煤灰既可以降低材料成本,又可提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性,粉煤灰摻量不宜超過40%。

3)粉煤灰-礦粉-水泥三元膠凝體系混凝土中,礦粉、粉煤灰復(fù)摻比例控制恰當(dāng)具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用,能明顯提高混凝土密實(shí)度及混凝土抗硫酸鹽侵蝕性。通過對(duì)性能指標(biāo)的綜合評(píng)定,粉煤灰、礦粉復(fù)摻比例抗硫酸鹽侵蝕優(yōu)劣排序依次為:20%粉煤灰+20%礦粉》10%粉煤灰+30%礦粉>30%粉煤灰+10%礦粉。