粉煤灰和矿粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响研究

向小龙，彭超，曾敏，陈强，何正斌

（湖北中建亚东混凝土有限公司，湖北 武汉 430070）

0 引言

混凝土因其不可取代的优越性而成为用量最大的人造材料, 在各类建设施工工程中占主体地位。常见普通混凝土的主要缺点之一就是其耐久性不足，过早老化和损坏，现已成为困扰世界各国的普遍问题。

混凝土的耐久性是指结构在设计使用年限内抵抗外部环境或内部本身所产生的侵蚀破坏的能力[1]。抗硫酸盐性能是混凝土耐久性的一项重要内容，在隧道、铁路、海岸、港口等工程中，由于某些地下水和海水硫酸盐含量较高，容易造成混凝土受硫酸盐侵蚀破坏而达不到设计年限。

因此研究混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能是很有现实意义的，我们在混凝土中掺入粉煤灰和矿粉，通过对比试验来研究分析粉煤灰和矿粉对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：采用洋房牌 P·O 42.5 级水泥。该水泥质量稳定，主要物理力学性能如表 1 所示。

表 1 水泥主要物理力学性能指标

（2）矿物掺合料。粉煤灰使用的是电厂Ⅰ级粉煤灰，细度为 8.8%，需水量比为 88.6%，烧失量为 0.8%；矿粉使用的是 S95 级矿粉，比表面积为 376cm2/g，28d 活性为 98%，各项指标均满足规范要求。

（3）集料。细集料为河砂，细度模数 2.6，含泥量1.2%，泥块含量 0.2%；粗集料为 5～31.5 连续级配碎石，含泥量 0.8%，泥块含量 0.2%，压碎指标 14%，针片状含量4%。

（4）减水剂。外加剂选用普通聚羧酸减水剂，固含量11.6%，减水率 26.4%。

（5）水。采用符合国家标准规范的自来水，各项指标均满足 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》要求。

另外根据 TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》要求，我们将所有的原材料进行了碱含量和 Cl-含量的检验，结果如表 2 所示。

表 2 原材料碱含量和 Cl- 含量 %

1.2 实验方案设计

1.2.1 混凝土配合比设计

根据试配、调整确定出普通 C35 混凝土配合比（C0 系列），再以普通混凝土为基础，分别掺 30% 粉煤灰和 30% 矿粉，以及“双掺”设计出三组配合比（C1、C2、C3系列）。详细设计结果见表 3。

表 3 混凝土配合比 kg/m3

根据表 2 和表 3，可以计算出 4 组配合比每组的总碱含量和氯离子含量，结果均满足标准要求，具体情况如表 4 所示。

表 4 配合比碱含量和 Cl- 含量 kg/m3

1.2.2 试验方案内容

（1）混凝土常规抗压检测试验：根据 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》检测各组混凝土试件的 7d 抗压强度和 28d 抗压强度，判断混凝土试件是否满足强度要求。

（2）混凝土抗水渗透性能：根据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用逐级加压法，通过逐级施加水压力来测定以抗渗等级来表示混凝土的抗水渗透性能。

（3）混凝土抗硫酸盐侵蚀试验：根据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，将100mm×100mm×100mm 的混凝土试件在 (80±5)℃和 5%Na2SO4溶液中进行干湿循环，根据标准要求实验步骤，每个干湿循环总时间为 (24±2)h。当抗压强度耐腐蚀系数（N 次干湿循环后受硫酸盐腐蚀的混凝土试件抗压强度及其同龄期标准养护的混凝土抗压强度的比值）达到 75% 或达到设计抗硫酸盐等级的 120 次干湿循环，停止试验。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土抗压强度检测和抗渗性能检测结果及分析

C0～C3 四组试件经过抗压强度和抗渗试验，结果如表 5所示。

表 5 混凝土抗压抗渗试验结果

根据表 5 得出混凝土抗压强度试验结果如图 1。

图 1 混凝土强度试验结果

从图 1 可以看出，C0～C3 四组试件 28d 抗压强度均大于35MPa，满足 C35 混凝土抗压强度要求。同时 4 组混凝土试件的抗渗等级均在 P10 以上，抗水渗透性能良好。

2.2 混凝土抗硫酸盐侵蚀检测结果及分析

在抗硫酸盐侵蚀试验中，混凝土试件经历 120 次干湿循环后抗压强度和抗压强度耐腐蚀系数见表 6。

表 6 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果

根据表 6 绘制混凝土干湿循环 N 次后的抗压强度曲线图如图 2，抗压强度耐腐蚀系数曲线图如图 3。

从试验结果可以看出，不掺粉煤灰和矿粉的 C0 组混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀性能最差，抗硫酸盐侵蚀等级只有KS30，在单独掺粉煤灰和单独掺矿粉测 C1 和 C2 组混凝土的抗硫酸盐等级为 KS60，但是 C1 组混凝土比 C2 组混凝土强度下降的频率要低，说明掺粉煤灰比掺矿粉对提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能更有效果，而“双掺”粉煤灰和矿粉的 C3组混凝土试件抗硫酸盐侵蚀等级达到 KS90，效果最好。

混凝土的硫酸盐侵蚀主要影响因素有两个方面，一是混凝土自身的抗硫酸盐侵蚀性能，二是外界因素的影响。外界因素主要是混凝土浇筑部位所处的环境情况，是我们无法控制的，因此我们以混凝土自身的抗硫酸盐侵蚀性能来做主要研究分析。混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能取决于两个方面，胶凝材料的矿物组成和混凝土内部孔隙结构[2]。

混凝土出现硫酸盐侵蚀主要是由于硫酸根离子与水泥石中的矿物（主要是铝酸盐矿物）发生物理化学作用。硫酸盐腐蚀的实质是膨胀性化学腐蚀，硫酸盐与水泥石结构中的氢氧化钙起置换反应，生成硫酸钙。在经过一系列的水化反应后，生成高硫型水化硫铝酸钙，造成固相的体积膨胀。当硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在孔隙中直接结晶生成二水石膏，造成膨胀压力。当膨胀内压力超过混凝土抗拉强度时引起混凝土破坏，最终影响到其强度。混凝土的强度在开始时由于微结构的密实而提高，但由于硫酸盐反应的发展，又不断下降[3]。

因此，水泥的化学成分和矿物组成是影响硫酸盐侵蚀程度和速度的重要因素，其中 C3A 的含量则是决定性因素；而 C3S 水化会生成 CSH，也会影响混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。因此控制胶凝材料中 C3A 和 C3S 的含量有助于增强混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，配制混凝土时掺入适量的粉煤灰和矿粉，取代一部分水泥，可以相对减少胶凝材料中 C3A 和C3S 的含量，因此混凝土的抗硫酸盐性能相应得以提升[4]。

图 2 干湿循环后抗压强度曲线图

图 3 抗压强度耐腐蚀系数曲线图

混凝土的孔隙系统也是混凝土抗硫酸盐侵蚀的重要影响因素，混凝土出现硫酸盐侵蚀破坏现象主要是由于外部环境中的硫酸根离子通过与外界连通的孔道进入混凝土并与水泥的水化产物反应生成膨胀性物质或结晶出现结晶应力，当膨胀应力或结晶应力超过混凝土的抗拉强度时就会引起破坏。致密性好，孔隙含量少且连通孔少的混凝土可以较好地抵抗硫酸盐侵蚀。而混凝土的孔隙率及孔分布又与混凝土各原材料及其配比、混凝土密实成型工艺、养护制度等多种因素有关。掺入适量的粉煤灰和矿粉，优化了胶凝材料的微级配，同时粉煤灰的微集料效应得以显现，粉煤灰的微细颗粒均匀分布在水泥浆体内，填充孔隙和毛细孔，大大改善了混凝土的孔结构，增大了混凝土的密实度，使得外界的硫酸盐进入混凝土内部的速度大大降低，从而增加了混凝土的抗硫酸盐性能，这一点也是粉煤灰比矿粉更能够提高混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的原因。

3 结论

（1）通过掺入粉煤灰和矿粉取代部分水泥来配制混凝土，有助于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

（2）掺入粉煤灰比掺入矿粉对提高混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的效果更为明显。

（3）“双掺”粉煤灰和矿粉比单独掺入粉煤灰或者矿粉，对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的提升作用更为明显。

[1] 黄其秀.复合水泥混合材组合方法的研究[J].水泥技术，2001(5): 61-64.

[2] 盛三湘.混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的机理及其影响因素[J].黑龙江交通科技，2010(7): 61-62.

[3] 周俊龙，杨德斌.粉煤灰水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀的研究[J].粉煤灰综合利用，2002(3): 18-20.

[4] 陶岚，邵继新，侯文虎.“双掺”磨细矿渣粉和粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响[J].粉煤灰综合利用，

2009(3): 10-13.