水灰比和粉煤灰掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

彭德新

(新疆筑路机械厂公路工程处，新疆乌鲁木齐 830021)

0 前言

混凝土结构长期暴露在自然环境中会受到各种有害物质的侵蚀，尤其在海工混凝土和地下水中有害离子含量大的特殊地区，混凝土的侵蚀现象比较严重［1］，其中硫酸盐侵蚀是混凝土发生病害的主要原因之一［2，3］。硫酸根离子通过混凝土的孔隙进入混凝土内部，与混凝土中的某些成分发生反应，对混凝土产生侵蚀，使混凝土的强度和耐久性降低。因此，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力显得至关重要，研究表明在混凝土中添加粉煤灰能够明显提高混凝土的耐硫酸盐腐蚀性能［4，5］。本文首先研究了水灰比和粉煤灰掺量对混凝土坍落度和抗压强度的影响，然后研究了水灰比和硫酸盐浓度对水泥砂浆抗折强度的影响，最后研究了粉煤灰掺量对水泥砂浆受硫酸盐侵蚀后抗折强度的影响。

1 原材料

水泥选用华新水泥厂生产的P.O 42.5水泥，各项指数指标均能满足规范要求;细集料采用普通中砂，细度模数为2.75，含泥量符合相关要求;粗集料采用花岗岩碎石，细度模数为2.8，含泥量符合相关要求;外加剂选用聚羧酸系减水剂。粉煤灰的技术指标见表1，混凝土配合比如表2。

表1 粉煤灰的技术指标

表2 混凝土配合比 (kg·m－3)

2 试验结果与分析

2.1 混凝土物理力学性能

选取水灰比为0.3和0.4，控制粉煤灰掺量为0%、10%、20%和30%，测定不同水灰比，不同粉煤灰掺量下混凝土的坍落度和28 d抗压强度，研究水灰比和粉煤灰掺量对混凝土物理力学性能的影响，试验结果如图1。

从图1可以看出，当粉煤灰掺量相同时，水灰比越大，混凝土的坍落度越大，而抗压强度越小。这是因为，水灰比越大水泥浆体中的自由水越多，水的润滑作用越显著，新拌混凝土的流动性越大，因此坍落度越大。水灰比越大，一方面水泥的相对用量越小，水泥的水化作用减弱，使抗压强度降低;另一方面，水灰比越大，自由水分越多，自由水的蒸发使混凝土的内部出现较多孔隙，降低了混凝土的密实度，使抗压强度降低。

图1 水灰比和粉煤灰掺量对混凝土物理力学性能的影响

当水灰比相同时，随着粉煤灰用量的增大，混凝土的坍落度和抗压强度都出现先增大后减小的趋势，当粉煤灰掺量为20%时，坍落度和抗压强度有最大值。这是因为，粉煤灰能与水泥的水化产物之间发生二次水化作用，生成C－S－H凝胶，当粉煤灰掺量小于20%时，二次水化作用生成的C－S－H凝胶填充混凝土内部的孔隙中，使自由水含量增大，混凝土密实度增大，表现为坍落度和抗压强度随粉煤灰掺量的增大而增大;而当粉煤灰掺量大于20%时，由于粉煤灰有较大的比表面积，会吸收新拌混凝土中的自由水，掺量越大吸水量越多，混凝土拌合物中的自由水越少，水泥的水化作用减弱，使坍落度和抗压强度降低，另外，未参与二次水化的粉煤灰分散在混凝土中形成许多薄弱界面，在外力作用下薄弱界面处首先发生破坏，使抗压强度降低。

2.2 不同水灰比下水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能

选水灰比为0.3和0.4，硫酸盐浓度控制为0、2.5、4和10 g/L，分别测定不同水灰比不同浓度的硫酸盐侵蚀下水泥砂浆28 d的抗折强度，研究水灰比和硫酸盐浓度对水泥砂浆强度的影响，试验结果如图2。

图2 水灰比和硫酸盐浓度对水泥砂浆抗折强度的影响

从图2可以看出，当硫酸盐浓度相同时，水灰比越小，经硫酸盐侵蚀后水泥砂浆的抗折强度越大。这是因为，水灰比越大，新拌水泥砂浆中的自由水量越大，在砂浆凝结硬化过程中自由水蒸发使砂浆内部的孔隙增多，密实度降低，在硫酸盐环境中腐蚀性溶液更容易进入砂浆内部，对砂浆形成较大的侵蚀作用，使抗折强度降低。

当水灰比相同时，随硫酸盐浓度的增大，侵蚀后水泥砂浆的抗折强度逐渐降低。这是因为，水泥石水化的主要产物是氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶，其中氢氧化钙的含量最大，氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶是水泥基材料获得强度的关键。当水泥砂浆经受硫酸盐介质侵蚀时，水泥石中的氢氧化钙会与酸发生中和反应，使氢氧化钙晶体溶解，水泥石孔隙率增大，使抗折强度降低;另外氢氧化钙与硫酸根离子反应生成硫酸钙，硫酸钙再与凝胶体系中的铝酸盐发生反应生成钙矾石，造成水泥砂浆基体膨胀，使抗折强度降低。其中硫酸盐浓度越大，对水泥石的侵蚀越强，水泥石强度越低。

2.3 粉煤灰掺量对水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

选定水灰比为3.0%，硫酸盐浓度为4.0 g/L，测定不同粉煤灰掺量(0%、10%、20%和30%)下水泥砂浆的28 d抗折强度，研究粉煤灰掺量对水泥砂浆抗折强度的影响，试验结果如图3。

图3 粉煤灰掺量对水泥砂浆抗折强度的影响

从图3可以看出，在水泥砂浆中掺加粉煤灰使水泥砂浆受硫酸盐侵蚀后的抗折强度大幅增加，粉煤灰掺量越大，抗折强度越大。这是因为，硫酸盐对水泥砂浆土的侵蚀主要有两方面的危害:一是腐蚀性成分通过孔隙进入水泥砂浆内部，造成水泥砂浆体积膨胀，渗透性增加，使水泥石开裂;二是侵蚀性介质侵蚀水泥石的粘聚性，造成水泥石质量与强度的损失。掺加粉煤灰一方面，可以减少用水量，降低水泥砂浆的孔隙率，而且粉煤灰与水泥的水化产物之间能进行二次水化反应，生成物填充在砂浆内部的孔隙中，使砂浆的密实度增大;另一方面，增大粉煤灰掺量能降低水泥砂浆中的游离氢氧化钙的含量，阻碍了钙矾石的生成，砂浆的体积膨胀减弱，因此抗折强度随粉煤灰掺量的增大逐渐增大。

3 结论

1)当粉煤灰掺量一定时，水灰比越大，混凝土的坍落度越大而抗压强度越小;当水灰比一定时，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的坍落度和抗压强度都呈先增大后减小的趋势，当粉煤灰掺量为20%时，坍落度和抗压强度最大。

2)当硫酸盐浓度保持不变时，水灰比越大，水泥砂浆的抗折强度越低;保持水灰比不变，水泥砂浆的抗折强度随硫酸盐浓度的增大逐渐减小。

3)在水泥砂浆中添加粉煤灰能大幅提高砂浆受硫酸盐侵蚀后的抗折强度，粉煤灰掺量越大，砂浆受硫酸盐侵蚀后的抗折强度越大。

［1］覃立香，胡曙光，马保国.粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响［J］.混凝土与水泥制品，1997(5):15－18.

［2］梁永宁，袁迎曙.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响［J］. 中国匡矿业学学报，2005，34(4):452－457.

［3］石 亮，吴 烨，刘建忠，等.硫酸与硫酸盐共同作用对混凝土性能的影响［J］.新型建筑材料，2013(1):1－5.

［4］李小雷.掺和料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响［J］.新型建筑材料，2002(4):9－10.

［5］贺行洋，马保国，陈益民.矿物外加剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究［J］.混凝土，2003(4):8－10.