王 宇， 左 工， 李 琳， 王 軍

宿遷學(xué)院建筑工程系（223800）

混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是混凝土耐久性研究領(lǐng)域中最重要的組成部分之一,也是目前我國混凝土工程所面臨的問題之一。近年來在水利、公路等工程中都發(fā)生了硫酸鹽侵蝕的問題,嚴(yán)重的威脅到建筑物和構(gòu)筑物的安全性同時(shí)還造成了大量人力和財(cái)力的浪費(fèi)。產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕的介質(zhì)環(huán)境很常見，土壤或巖石裂隙水中往往含有一定的硫酸鹽離子，SO42-濃度的高低對(duì)混凝土侵蝕破壞的程度也有所不同。此外，工業(yè)廢水中常含有硫酸、鹽酸或者硝酸。它可使水泥水化物喪失膠結(jié)能力,嚴(yán)重時(shí)可使水泥混凝土呈酥狀或糊狀，直至混凝土建筑物遭受破壞。目前混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)還沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，不同的研究者在對(duì)混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)分析時(shí)會(huì)選取不同的性能指標(biāo)進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)[1]。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1）水泥:冀東水泥 P.O42.5級(jí)水泥。

2）砂:江蘇鎮(zhèn)江市句容市赤山砂石廠Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為 2.8。

3）礦渣:江蘇靖江市礦渣。

4）粉煤灰:南京聚力粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。

5）拌合水:飲用水。

6）無水硫酸鈉（Na2SO4）:上海中試化工總公司分析純試劑。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參照快速試驗(yàn)硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)方法（GB2420-81）《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》[2]。在保持水膠比（0.50）一定的情況下，將試驗(yàn)中用的水泥、礦渣、粉煤灰等膠凝材料按照表1中的配合比進(jìn)行配合。

筆者分別對(duì)各個(gè)規(guī)定齡期(28 d，56 d，84 d)的試件進(jìn)行宏觀現(xiàn)象觀察和抗折試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)，同期進(jìn)行試件在飲用水中的同齡期抗折對(duì)比試驗(yàn)和抗壓對(duì)比試驗(yàn)。在試件浸泡過程中,定期用H2SO4溶液滴定以中和試件在溶液中釋放的氫氧化鈣，使得溶液的pH值保持在7.0左右，在硫酸鈉溶液中浸泡的試件頂面要低于液面10 mm。隨時(shí)觀察試件表面變化情況，所有溶液每隔28天更換1次。本試驗(yàn)以抗蝕系數(shù)K1和抗蝕系數(shù)K2來作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即:

式中，k1為抗蝕系數(shù)1,fs為在硫酸鈉溶液中浸泡到規(guī)定齡期的試件的抗折強(qiáng)度，fw為同齡期飲用水中試件的抗折強(qiáng)度。

式中，k2為抗蝕系數(shù)2,fs為在硫酸鈉溶液中浸泡到規(guī)定齡期的試件的抗壓強(qiáng)度，fy為同齡期飲用水中試件的抗壓強(qiáng)度。

表1 混凝土的配合比

2 硫酸鹽侵蝕機(jī)理

1）鈣礬石

SO42-與水泥石中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致體積發(fā)生膨脹，大約為原來的3倍，使混凝土表面產(chǎn)生開裂、膨脹、剝落現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)使得粘結(jié)性下降，最終喪失耐久性。鈣礬石生長過程中的內(nèi)應(yīng)力也進(jìn)一步加劇了膨脹。這和液相的堿度密切相關(guān),當(dāng)堿度低時(shí)所形成的鈣礬石為大的板條狀的晶體,此類鈣礬石一般不會(huì)帶來有害的膨脹。但堿度高時(shí)則在純硅酸鹽水泥混凝土中形成的鈣礬石為針狀或片狀，甚至呈凝膠狀析出，形成極大的結(jié)晶應(yīng)力,因此合理控制液相的堿度是減輕鈣礬石危害性膨脹的有效途徑之一[3]。

2）石膏

如果硫酸鹽濃度較高時(shí),則不僅生成鈣礬石，而且還會(huì)有石膏結(jié)晶析出。一方面石膏的生成使固相體積增大124%,引起混凝土膨脹開裂,另一方面消耗了CH,而水泥水化生成的CH不僅是水化礦物穩(wěn)定存在的基礎(chǔ),而且它本身以波特蘭石的形態(tài)存在于硬化漿體中,對(duì)混凝土的力學(xué)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，因此導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度損失和耐久性下降。根據(jù)濃度積規(guī)則,只有當(dāng)SO42-和 Ca2+的濃度積大于或等于CaSO4的濃度積時(shí)才能有石膏結(jié)晶析出。

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀現(xiàn)象

觀察84 d齡期1#至6#的試件外觀發(fā)現(xiàn)1#試件掉角和表面鹽析現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且略有膨松?；炷量沽蛩猁}能力于水泥熟料礦物組成關(guān)系很大，特別是C3S水化之后生成Ca(OH)2，能參與硫酸鹽侵蝕反應(yīng)。而C3A水化形成水化鋁酸三鈣，是鈣礬石形成的必要條件。由于2#至6#均摻入了不同摻量的礦質(zhì)混合料降低了混凝土中Ca(OH)2的含量提高了混凝土的密實(shí)性，對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕有了顯著的提高。其次為摻入90 kg粉煤灰的混凝土，而摻入45 kg粉煤灰的2#抗侵蝕性要明顯優(yōu)于3#試件,說明“粉煤灰效應(yīng)”（即活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)）發(fā)揮了作用，但其摻量要適當(dāng)，否則會(huì)使得結(jié)果受到影響。各組試件中5#效果最好，基本上沒有出現(xiàn)掉角、開裂現(xiàn)象。同時(shí)，雙摻入粉煤灰、礦粉的試件以及單摻礦粉的試件表面掉角現(xiàn)象不明顯或者基本無膨脹變化，表明礦渣混凝土的抗侵蝕性較好。

3.2 抗蝕系數(shù)變化

在硫酸鈉溶液中浸泡28 d的混凝土試件抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度不但沒有下降反而均有所提高,其中1#空白混凝土的抗折系數(shù)增長率最高,這是由于其中C3S含量多導(dǎo)致水化產(chǎn)物中水化硅酸鈣含量較其他組多并與硫酸鈉溶液反應(yīng)生成鈣礬石，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實(shí)，從而提高了相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。而摻入混合料的試件因?yàn)閿?shù)量少而且二次水化進(jìn)行較慢，因此早期強(qiáng)度不高。當(dāng)齡期增加到56 d時(shí)，1#的抗蝕系數(shù)明顯降低,這是由于鈣礬石的量逐漸增長導(dǎo)致固相體積增大產(chǎn)生一定的結(jié)晶壓力造成膨脹開裂。而5#和6#的兩個(gè)抗蝕系數(shù)明顯大于其他各組，這是由于此時(shí)混凝土強(qiáng)度分別由水泥水化反應(yīng)所貢獻(xiàn)的強(qiáng)度和摻料火山灰效應(yīng)貢獻(xiàn)的強(qiáng)度兩部分構(gòu)成[4]，同時(shí)礦渣的摻入有效改善了膠砂試件抗硫酸鹽能力。

4 結(jié)論

1）28d時(shí)空白試件的抗蝕系數(shù) K1、K2均大于1而其他組的抗蝕系數(shù)均小于1，早期硫酸鹽侵蝕對(duì)于空白混凝土不明顯。

2）在硫酸鈉溶液中浸泡56 d后5#和6#掉角不顯著說明礦渣的摻入有效改善了膠砂試件抗硫酸鹽能力。

3）56 d雙摻礦渣、粉煤灰的試件和單摻20%礦渣的試件抗侵系數(shù)較高,這是由水化反應(yīng)所貢獻(xiàn)的強(qiáng)度和摻料火山灰效應(yīng)貢獻(xiàn)的強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。早期分別摻礦渣和粉煤灰的試件抗折系數(shù)相比，摻入礦渣的試件較高，但后期有待繼續(xù)研究。

[1] 喬宏霞,周茗如,朱彥鵬,何忠茂.混凝土抗硫酸鹽腐蝕性的參數(shù)評(píng)價(jià)[J].粉煤灰綜合利用2008(5)

[2] GB2420-81,水泥抗硫酸鹽快速侵蝕方法[S]

[3] 呂林女，何永佳，丁慶軍，胡曙光.混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)理及其影響因素[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(22)

[4] 蒲心誠.超高強(qiáng)高性能混凝土原理.配制.結(jié)構(gòu).性能.應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社2004:35