短龄期养护条件下不同混凝土长期抗硫酸盐侵蚀性能对比*

李方元，唐新军，胡小虎

(1.新疆维吾尔自治区水利管理总站，乌鲁木齐830000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052;3.新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000)

硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性重要内容之一。混凝土遭受硫酸盐侵蚀破坏是我国西北高寒干旱区(如新疆)，尤其是盐碱地地区普遍存在的混凝土病害问题。混凝土受硫酸盐侵蚀是一个长期的较为复杂的物理和化学过程，影响和评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀的因素也较多，如水泥品种、养护制度、侵蚀溶液浓度、侵蚀龄期等。目前提高混凝土抵抗硫酸盐侵蚀能力的研究对象主要集中为抗硫水泥混凝土和掺超细掺合料(如粉煤灰、矿渣微粉等)的高性能混凝土[1]，笔者在前期也开展过硫酸盐水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性的研究[2]，但多数侵蚀试验时间偏短，侵蚀的时间效应得不到充分体现，从而对评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能产生不利影响。本文以实际工程会遇到基础混凝土浇筑完成不久或得不到充分养护时就遭受硫酸盐侵蚀的问题为试验背景，通过以往长达2年的硫酸盐侵蚀试验，对比研究了短龄期养护条件下硫铝酸盐水泥混凝土、粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土长期抵抗高浓度硫酸盐性能的差异，希望能为有硫酸盐侵蚀性能要求的混凝土结构设计提供较为广泛的参考依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验原材料

(1)水泥:乌鲁木齐市青松水泥厂产42.5R级普通硅酸盐水泥;乌鲁木齐市天山水泥厂产42.5级高抗硫硅酸盐水泥;唐山六九水泥厂产42.5级快硬硫铝酸盐水泥(各水泥各项物理指标见表1，化学指标见表2)。(2)砂:ISO标准砂。(3)粉煤灰:新疆苇湖梁电厂晨科公司产Ⅱ级粉煤灰(其化学成分见表2，物理指标见表3)。(4)减水剂:FDN高效减水剂。(5)缓凝 剂:分析纯硼酸。(6)水:实验室洁净的自来水。

表1 水泥各项物理性能指标

表2 水泥和粉煤灰化学成分及熟料矿物成分

表3 Ⅱ级粉煤灰物理指标

1.2 试验方法

试验参考GB/T 749－2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》和GB2420－1981《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》，制配水灰(胶)比均为0.4的硫铝酸盐水泥胶砂试件(简称SAC试件)、粉煤灰水泥胶砂试件(简称PFAC试件，有30%掺量粉煤灰试件和60%掺量粉煤灰试件)和高抗硫水泥胶砂试件(简称HSR试件)，试件配合比见表4，尺寸均为10mm×10mm×60mm。将试件浸泡在淡水、硫酸根离子浓度分别为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸钠溶液中，进行侵蚀试验。为模拟一些实际工程的基础混凝土浇筑完成不久就遭受硫酸盐侵蚀的工况，同时鉴于硫铝酸盐水泥混凝土快硬、早强、强度设计龄期仅为3d的特点，选取SAC试件经8h带模养护后，即刻拆模进行侵蚀试验，而抗硫水泥混凝土和粉煤灰高性能混凝土强度设计龄期为28d的特点，选取HSR试件和PFAC试件拆模养护3d后即刻进行侵蚀试验。试件经浸泡1、2、4、6、8、10、12、18、24月后分别进行抗折强度试验，并计算相应的抗折抗蚀系数K蚀(当K蚀≤0.8认为试件抗蚀不合格，即试件遭受硫酸盐侵蚀破坏)见式(1)。

式中K蚀——抗蚀系数;R液——试件浸泡在侵蚀溶液一定龄期时的抗折强度，MPa;R水——试件浸泡在淡水一定龄期时的抗折强度，MPa。

表4 胶砂试件配合比

2 试验结果及分析

各水泥胶砂试件在不同浓度硫酸盐溶液中的抗蚀系数K蚀随浸泡时间的变化关系见图1～图3。从图中可以看出随着侵蚀溶液浓度的增大，以及侵蚀龄期的延长，抗硫水泥混凝土的抗蚀系数K蚀逐渐减小，且减小幅度要远大于SAC试件和PFAC试件。HSR试件浸泡在硫酸根离子浓度分别为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸盐溶液中，在侵蚀时间分别达到10个月、6个月、6个月时，抗蚀系数K蚀降低到0.8以下，即认为HSR试件遭到侵蚀破坏。说明高抗硫水泥混凝土长期抵抗高浓度硫酸盐溶液侵蚀的能力具有很大的局限性。以往工程界多习惯认为中抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根离子浓度为2500mg/L的硫酸盐侵蚀，高抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根离子浓度为8000mg/L的硫酸盐侵蚀，但这种认知存在误区，忽略了侵蚀时间效应的影响，不利于指导工程实践。对于有弱硫酸盐侵蚀的混凝土工程可采用抗硫水泥混凝土，但仍需要通过试验验证抗侵蚀的可靠性。

图1 浸泡在SO4 2－浓度为2500mg/L溶液中各类型试件抗蚀系数变化曲线

图2 浸泡在SO42－浓度为8000mg/L溶液中各类型试件抗蚀系数变化曲线

图3 浸泡在SO42－浓度为20250mg/L溶液中各类型试件抗蚀系数变化曲线

30%PFAC试件浸泡在在硫酸根离子浓度为2500mg/L的硫酸盐溶液中长达24个月时抗蚀系数K蚀仍在 0.9左右;浸泡在在硫酸根离子浓度为8000mg/L硫酸盐溶液中达24个月时抗蚀系数K蚀降至0.8，达到临界破坏点;浸泡在在硫酸根离子浓度为20250mg/L硫酸盐溶液中达12个月时，抗蚀系数K蚀将至0.8以下，即认为试件遭受侵蚀破坏。从中可以看出相同条件下PFAC试件的长期抗硫酸盐侵蚀能力要高于HSR试件，已有研究[3，4]表明这归因于粉煤灰的微集料填充效应、替代作用和二次水化效应显著地改善了混凝土的空隙结构和砂石骨料界面结构，提高了混凝土的密实度，同时减低了化学侵蚀内因的减少。但试验结果也可以看出随着侵蚀溶液浓度的增大及侵蚀时间的延长，30%PFAC试件也在某个时间点遭受侵蚀破坏，说明小掺量的粉煤灰高性能混凝土长期抵抗高浓度硫酸盐侵蚀的能力还是有一定的局限性。但60%PFAC试件在各浓度硫酸侵蚀溶液中侵蚀达到24个月时，试件抗抗蚀系数K蚀仍大于1.0，说明大掺量的粉煤灰高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀能力得到显著地改善，可以较好地抵抗高浓度硫酸盐溶液的长期侵蚀。但大掺量的粉煤灰也易导致混凝土早期强度普遍偏低[5]，不适宜用于有快硬、早强要求的混凝土工程;有弱硫酸盐侵蚀的混凝土工程可采用小掺量的粉煤灰高性能混凝土，但需通过具体的试验论证。

SAC试件浸泡在在硫酸根离子浓度为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L硫酸盐溶液中24个月时K蚀均大于1.0。说明硫铝酸盐水泥混凝土具有长期抗硫酸盐侵蚀的优越性能，这主要归因于其特殊的微膨胀性的水化进程使得混凝土具有高密实度以及化学侵蚀内因的减少[2]。加之硫铝酸盐水泥混凝土是一种低烧成温度、低碳排放的绿色水泥，以及快硬、早强、负温工作性能好的特点[6]，使其在我国西北高寒干旱区有着更加广阔的应用前景。建议对于即有快硬、早强要求，又有较高抗硫酸盐侵蚀性能要求的混凝土工程优先使用硫铝酸盐水泥混凝土。

3 结论

(1)硫铝酸盐水泥混凝土和大掺量(60%)粉煤灰高性能混凝土具有长期抵抗高浓度硫酸盐侵蚀的能力，小掺量(30%)粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土长期抵抗高浓度硫酸盐侵蚀的能力具有局限性。

(2)龄期养护条件下各种混凝土长期抵抗高浓度硫酸盐侵蚀性能的优劣顺序表现为:硫铝酸盐水泥混凝土(SAC混凝土)＞大掺量粉煤灰高性能混凝土(60%PFAC混凝土)＞小掺量粉煤灰高性能混凝土(30%PFAC混凝土)＞高抗硫水泥混凝土(HSR混凝土)。

(3)评价混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力应充分重视侵蚀的时间效应，短时间段(如6个月或12个月)的侵蚀试验并不能充分反映出混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。对此还应开展建立混凝土抗侵蚀能力与混凝土设计使用寿命的关系研究。

[1]韩宇栋，张君，高原混凝土抗硫酸盐侵蚀研究评书[J].混凝土，2011(1):52～55.

[2]李方元，唐新军，胡全，等.硫铝酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能[J].混凝土与水泥制品，2012(10):1－6.

[3]梁咏宁，王佳，林旭健.掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响[J].混凝土，2011(2):63 ～65.

[4]李鹏，胡新丽，李双喜等.粉煤灰高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀研究[J].粉煤灰综合利用，2006(6):43 －46.

[5]李双喜，唐新军，孙兆雄.掺II级粉煤灰高性能混凝土的力学性能研究[J].混凝土，2011(4):86～88.

[6]吴兆奇，刘克忠.我国特种水泥的现状及发展方向[J].硅酸盐学报，1992，20(4):365 －373.