人工海水环境中浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能

贺行洋 苏 英 熊健民 孙 维 竺万发

（湖北工业大学土建学院, 湖北 武汉 430068）

基于湿磨处理方式的低能耗及工业废渣通常含有水分的特点，作者提出用搅拌磨湿磨处理工业废渣制备含有一定水分的浆体状混凝土矿物掺合料（简称“浆状掺合料”）[1-2]。通过一定的控制措施，湿磨能制得分散性及流变性良好的浆状掺合料，并可直接用于配制各强度等级混凝土2。然而，湿磨方式制备的浆状掺合料，因水介质的存在，使得浆状掺合料性能与通常干磨方式制备的粉状矿物掺合料有所不同。水泥混凝土作为大量应用的工程材料，耐久性是其重要的工程性质之一，耐久性的好坏直接关系到混凝土结构功能的实现和服役年限的长短[3]。因此，有必要对浆状掺合料混凝土耐久性能进行研究。

海水对混凝土材料来说是一种极复杂的侵蚀溶液，其中的SO42-、Mg2+会对混凝土形成硫酸盐和镁盐双重侵蚀[4]；而对掺有矿物掺合料的混凝土来说，海水中Na+、SO42-等离子又会激发矿物掺合料的二次水化反应，可促进其混凝土的强度发展[4-5]。为研究浆状掺合料混凝土的耐久性，本文参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-85），运用人工海水环境对浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能进行了研究。

1 实验

1.1 原材料

用于制备浆状掺合料的工业废渣为石景山二级粉煤灰、首钢矿渣原渣，水泥为华新水泥厂旋窑熟料与石膏配制的纯硅酸盐水泥，粉煤灰、矿渣及水泥的化学组成及物理性能如表1所示。

混凝土粗、细骨料分别采用最大粒径为20mm的碎石及细度模数为2.7的河砂。

外加剂为密云混凝土外加剂厂的FDN粉剂，最佳掺量范围是胶结材用量的0.5%~1.0%。

1.2 实验方法

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》国家标准GBJ82-85，按一定配比成型7.07×7.07×7.07cm的混凝土试件(粗集料最大粒径为15mm)，养护1天后拆模并将试件移入雾室养护。养护56天后取出试件并对每块试件进行称重并编号，然后将试件分别移入侵蚀介质溶液中进行化学侵蚀，侵蚀溶液为4倍浓度的人工海水(注：取标准海水的组成为2.75%NaCl、0.32%MgCl2、0.224MgSO4、0.11%CaSO4及0.05%CaCl2，以上浓度均为质量百分比浓度)，并每组取3个试块放入清水中养护，以便比较。

表1 粉煤灰、矿渣及水泥的化学成分与物理性能

化学侵蚀到规定龄期，取出试件自然晾干后，测试试件的抗压强度。计算侵蚀前后试件的强度损失率。

强度损失率的计算公式为：

式中，ΔR ——腐蚀前后的强度损失率（%）；

R标——同龄期清水养护混凝土试件的强度（MPa）；

R1——腐蚀后混凝土试件的强度（MPa）

1.3 实验方案

对比组混凝土单方水泥用量定为450kg，水 胶 比 为0.4，砂 率 为40%，外 加 剂 掺 量为 胶 结 材0.7%，配 合 比 为 水 泥：水：砂：石=1：0.4：1.57：2.36。不同矿物掺合料掺量以38%等体积掺量内掺方式掺入，并保证单方胶凝材料总体积量不变，相当于掺粉煤灰时其重量掺量为30%且胶凝材料总量为397kg，掺矿渣时其重量掺量为36%且胶凝材料总量为438kg（注：水泥、粉煤灰和矿渣的密度分别为3.10、2.10和2.89）。混凝土外加剂基本掺量为胶结材重量0.7%，为保证混凝土流动性，外加剂掺量可适当调整。

表2 混凝土实验方案及混凝土工作性

另外，因矿物掺合料复合超叠加效应的发挥，不仅与各组分水化活性有关，还受其细度匹配影响，在设计复合浆状掺合料混凝土实验方案时，对不同矿物掺合料进行了粒径匹配设计。在复合浆状掺合料中，粉煤灰和矿渣的体积掺量是相等的，通过分别改变粉煤灰、矿渣的细度，探讨复合浆状掺合料对其混凝土抗化学侵蚀性能的影响。

按上述实验思路，实验设计方案及测得的新拌混凝土工作性如表2所示。

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能

图1显示了经过4倍浓度海水180天浸泡后，掺有不同方式处理粉煤灰混凝土的强度及相对清水中养护混凝土的强度损失率。

图1 粉煤灰混凝土抗化学侵蚀性能

由图1可看出，经过4倍浓度海水180天的浸泡，掺粉煤灰混凝土的强度大部分较其在自来水中养护的试块强度高，强度损失率为负值。这说明不同方式处理的粉煤灰及原状粉煤灰的掺入，一般在一定程度上改善了混凝土抗化学侵蚀性能；但比表面积为1000m2/kg湿磨处理的粉煤灰浆状掺合料是一个例外，其化学侵蚀强度损失率4.11%，甚至大于空白组混凝土的强度损失率，恶化了混凝土的抗化学侵蚀性能。由图1还可看出，粉煤灰浆状掺合料混凝土的抗化学侵蚀性能与其细度成反比，随粉煤灰细度增加，其抗化学侵蚀性能有一定下降。

对矿物掺合料混凝土来说，海水一方面存在侵蚀，另一方面海水中Na+、SO42-等离子对掺合料的二次水化反应具有激发作用，能够促进掺合料混凝土的强度发展。经过4倍浓度海水180天侵蚀，掺粉煤灰浆状掺合料混凝土强度损失率绝大部分为负值说明，粉煤灰掺入除可改善混凝土微结构外，海水中Na+、SO42-等离子对粉煤灰的激发作用也对混凝土强度发展起到了一定的促进作用，因而使得掺粉煤灰的混凝土抗化学侵蚀性能有较大改善。对于比表面积为1000m2/kg的粉煤灰浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能不佳，主要与其在湿磨处理及放置过程中受到水介质及金属阳离子强烈作用有关[6]，其与水泥拌和后，其后续的二次水化反应较快，因而在56天龄期进行化学侵蚀实验时，其二次水化反应对混凝土强度贡献已得到较好的发挥，此时在化学侵蚀过程中，海水中Na+、SO42-等离子对粉煤灰的激发作用提高其混凝土强度的效果不明显，甚至可能有负面影响，因而在海水中SO42-、Mg2+等离子侵蚀作用下，掺比表面积为1000m2/kg湿磨粉煤灰的混凝土强度出现一定的下降，抗化学侵蚀性能甚至劣于对比组混凝土。

2.2 矿渣浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能

图2显示了矿渣浆状掺合料混凝土经过180天4倍浓度海水侵蚀后的强度及强度损失率。

图2 矿渣混凝土抗化学侵蚀性能

由图2可看出，不同方式处理的矿渣掺合料的加入，均在一定程度上恶化了混凝土的抗化学侵蚀性能。经过4倍浓度海水的180天侵蚀，掺不同细度、不同方式处理矿渣的混凝土强度损失率介于2%~9%之间，而且随细度增加，混凝土强度损失率增加。这说明单掺矿渣不具备改善混凝土抗化学侵蚀性能的能力，这与已有的一些研究结论比较一致；而且在本研究中，湿磨处理的矿渣浆状掺合料与水泥拌和后，其后续的二次水化反应速率较高，在56天龄期时，其混凝土强度已得到较大的发挥，如掺36%的比表面积为750m2/kg矿渣浆状掺合料混凝土经过清水180天的养护后，其强度甚至比56天强度下降了1.4MPa。因此，与比表面积为1000m2/kg的粉煤灰机理类似，经过180天4倍浓度海水的侵蚀，单掺矿渣浆状掺合料混凝土强度均有较大的下降，不具备较好的抗化学侵蚀性能。

2.3 复合浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能

图3为复合浆状掺合料混凝土经过180天4倍浓度海水侵蚀后的强度及强度损失率。

图3 复合掺合料混凝土抗化学侵蚀性能

比较图3与图2可看出，粉煤灰与矿渣的复合，明显地改善了单掺矿渣的混凝土抗化学侵蚀能力差的弱点。经过4倍浓度海水的180天侵蚀，矿渣同粉煤灰的复合使其混凝土强度损失率均小于空白组混凝土强度损失率，部分组混凝土强度损失率甚至为负值，其强度相对于清水中养护的混凝土还出现了一定增长。粉煤灰同矿渣的复合，一方面除可改善胶凝材料体系堆积外，另一方面由于粉煤灰和矿渣二次水化反应的快慢不同，粉煤灰同矿渣复合可改善混凝土的强度递延率，使得混凝土强度在不同龄期有合适的增长，因而能改善混凝土抗化学侵蚀性能。

3 结论

通过对浆状掺合料混凝土抗化学侵蚀性能的研究，可得出以下结论：

1) 不同方式处理的粉煤灰及原状粉煤灰的掺入，一般均在一定程度上改善其混凝土抗化学侵蚀性能。但比表面积为1000m2/kg湿磨处理的粉煤灰浆状掺合料是一个例外，其化学侵蚀强度损失率为4.11%，甚至大于空白组混凝土的强度损失率，恶化了 混凝土的抗化学侵蚀性能。

2) 经过4倍浓度人工海水的180天侵蚀，掺不同细度、不同方式处理矿渣的混凝土强度损失率介于2%~9%之间，而且随细度增加，混凝土强度损失率增加。

3) 粉煤灰同矿渣的复合能明显改善矿渣混凝土抗化学侵蚀性能差的弱点。

[1]陈益民, 贺行洋, 张文生 等. 混凝土的浆状磨细矿物掺合料及其制造方法：中国, ZL 03137658.4 [P].2005-10

[2]贺行洋, 陈益民. 湿磨工业废渣制备混凝土浆状掺合料的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2006, 28(7)： 43-47.

[3]马保国, 贺行洋, 胡曙光. 混凝土耐久性破坏经时模型——模型计算及预测[J]. 混凝土, 2002(6)： 23-25.

[4]袁润章. 胶凝材料学. 武汉：武汉工业大学出版社, 2005.

[5]李永鑫, 含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成、结构与性能的研究. 博士学位论文, 中国建筑材料科学研究院, 2003.

[6]贺行洋, 陈益民, 苏 英. 混凝土浆状掺合料物理化学性能的研究[J]. 中国建材科技, 2006(2)： 4-7.