硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能及微观结构

高英力， 龙 杰， 刘 赫， 张海伦， 李友云

（长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114）

轻骨料混凝土（LWAC）因其导热系数小、保温性能好、耐腐蚀等优点，现已越来越广泛应用在高层建筑、大跨径桥梁等重大工程中.轻骨料混凝土在满足强度及其他性能要求的同时，既能减轻自重，又能降低弹性模量，并使骨料与砂浆之间具有良好的黏结性能.

目前，已有一些关于轻骨料混凝土抗硫酸盐腐蚀性能及其界面微观结构特征的研究报道，例如：Amir等［1］通过微观试验、导电试验进行了轻骨料砂浆微观结构和耐久性研究，结果表明轻骨料优化了砂浆界面过渡区微观结构，并使砂浆SO3浓度在一定程度上有所降低.田耀刚等［2］进行了轻骨料混凝土抗硫酸盐腐蚀性能研究，结果表明轻骨料混凝土具有良好的抗硫酸盐腐蚀性能，同时掺加粉煤灰或硅灰能优化轻骨料混凝土内部孔隙，提高轻骨料混凝土抗硫酸盐腐蚀能力.董淑慧等［3］研究轻骨料－水泥石界面微观结构特征，结果表明随着轻骨料预饱和水程度的提高，轻骨料－水泥石界面厚度从30μm增加至60μm左右，同时在界面厚度大于20μm处，孔结构呈细化趋势，界面微观结构得到优化.胡曙光等［4］经过对轻骨料与水泥石界面结构的研究，指出掺加矿物外加剂能够使轻集料原始缺陷得到有效弥补，优化轻骨料与水泥石界面微观结构.Irassar等［5］研究认为矿物掺合料在对混凝土孔隙细化的同时，还引起硫酸盐溶液毛细吸附高度升高，导致更加严重的结晶破坏，这一观点与当前许多研究认为矿物掺合料能提高混凝土抗硫酸盐腐蚀性相矛盾.然而当前对轻骨料混凝土的研究仍主要集中在对其早期力学性能［6］、抗碳化性能［7－8］、抗渗性［9］、抗 冻性［10－13］、弹性模量［14］等方面的研究，因此有必要对轻骨料混凝土抗硫酸盐腐蚀性能，特别是对不同矿物掺合料条件下轻骨料混凝土经硫酸盐腐蚀后其力学性能的演变规律及界面微观结构变化情况做进一步的研究.

本文以圆球型页岩陶粒为主要粗骨料，同时掺加15%1）文中涉及的掺量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比.的破碎型页岩陶粒（以增加骨料间的摩擦力，减少骨料的相对滑动，抑制轻骨料在振捣过程中的上浮），制备轻骨料混凝土.用一级粉煤灰（FA（I））等体积代替30%普通砂，制备粉煤灰轻骨料混凝土.以超细粉煤灰（UFA）、硅灰（SF）分别等量取代粉煤灰轻骨料混凝土10%～40%和5%～15%水泥，然后研究在硫酸盐作用下矿物掺合料对粉煤灰轻骨料混凝土力学性能演变规律及微观结构变化的影响.

1 试验

1.1 试验材料

水泥（C）：湘乡水泥厂产P·O42.5水泥，比表面积为325m2／kg.超细粉煤灰：湖南湘潭火电厂产超细粉煤灰，比表面积为550m2／kg；一级粉煤灰：湖南湘潭火电厂产一级粉煤灰，比表面积为425m2／kg.硅灰：挪威埃肯公司产硅灰，比表面积为18 000m2／kg.胶凝材料化学组成见表1.

细骨料：湘江河砂（连续级配），细度模数为2.75，表观密度为2 650kg／m3，堆积密度为1 480kg／m3.粗（轻）骨料：5～20mm连续级配圆球型和破碎型页岩陶粒（见图1，2），其主要性能如表2所示.

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cementitious materials %

图1 圆球型页岩陶粒Fig.1 Spherical shale haydite

图2 破碎型页岩陶粒Fig.2 Crushed shale haydite

表2 轻骨料主要性能Table 2 Main performances of lightweight aggregates

外加剂：聚羧酸高效减水剂，含固量为33%，减水率为30%.

1.2 试验方法

（1）抗压强度试验.混凝土抗压强度试验按GBJ 81—85《普通混凝土力学性能试验方法》进行.

（2）干湿循环试验.混凝土干湿循环试验按GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，试件尺寸为100mm×100mm×100mm；试验溶液为0%，5%，10%Na2SO4溶液；干湿循环制度为：在Na2SO4溶液中浸泡12h，再在65～76℃的烘箱中烘烤12h.当干湿循环0，10，20，50次后，测试混凝土试件抗压强度，分析试件破坏情况，并计算抗蚀系数K（K＝干湿循环后试件抗压强度／干湿循环前试件抗压强度）.

（3）工业CT试验.采用德国YXLON工业CT层析扫描设备观测混凝土试件断面.

（4）压汞试验.采用美国 Micromeritics公司AutoPoreⅣ9500型压汞测定仪测定混凝土孔隙率.

（5）动弹性模量试验.采用动弹仪测定干湿循环前后混凝土试件（尺寸为100mm×100mm×300mm）的动弹性模量，并计算相对动弹性模量Er值.

1.3 混凝土配合比设计

普通混凝土（P0）配合比设计按JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行.轻骨料混凝土（Q0）按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行配合比设计，粗骨料主要为圆球型页岩陶粒.整体用FA（I）等体积取代30%普通砂，制备粉煤灰轻骨料混凝土.用UFA等质量取代水泥，取代率分别为10%，20%，30%，40%（试件编码相应为 F10，F20，F30，F40），或者用SF等质量取代水泥，取代率分别为5%，8%，10%，15%（试件编码相应为S5，S8，S10，S15）.减水剂掺量以控制拌和物坍落度在（150±20）mm为准.陶粒预湿1h，砂率（体积分数）为40%.混凝土配合比如表3所示.

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

干湿循环后混凝土的抗压强度见图3（a）～（c）.由图3（a）可知：当 Na2SO4溶液浓度为0%时，随干湿循环次数增加，混凝土抗压强度总体呈先上升而后下降趋势.干湿循环50次后，P0试件的K值为94.3%，Q0试件的K值为97.1%；掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土的K值为100.3%～104.0%，均大于100%，其中F30试件的K值最大，为104.0%；掺SF粉煤灰轻骨料混凝土的K 值为99.1%～102.9%，其中S10试件的K 值最大，为102.9%.上述表明，在无硫酸盐存在条件下，干湿循环50次后，掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土抗压强度有所提高，而掺SF粉煤灰轻骨料混凝土抗压强度几乎不变.这是因为：掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土二次水化反应迟缓，干湿循环及轻骨料返水作用为二次水化创造了条件，使试件越加密实，抗压强度进一步提高；掺SF粉煤灰轻骨料混凝土早期强度上升较快，在微集料作用下孔隙更加密实，阻断了水分的侵蚀，因此其抗压强度几乎不受干湿循环的影响.

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete

图3 干湿循环后混凝土的抗压强度Fig.3 Compressive strength of concrete after drying－wetting cycle

由图3（b）可知：当Na2SO4溶液浓度为5%时，在干湿循环50次后，P0试件的K值为83.0%，Q0试件的K值为95.9%；掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土K 值基本大于96%；由图3（c）可知，当Na2SO4溶液浓度为10%时，在干湿循环50次后，混凝土抗压强度下降较快，其中P0试件抗压强度下降最为迅速，其K值为73.6%，小于破坏标准值75%［15］，表明其已经破坏；Q0试件的K值为89.7%；掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土K 值均大于90%.随UFA或SF取代率的提高，粉煤灰轻骨料混凝土K值呈先增加而后减少趋势（见图4），此时UFA，SF的最优取代率分别为20%，10%，其K 值分别为94.4%，94.6%.

图4 掺合料对粉煤灰轻骨料混凝土抗蚀性能的影响Fig.4 Effect of admixture on the corrosion resistance of LWAC with fly ash

掺加UFA，SF后，粉煤灰轻骨料混凝土K值较大.这是因为：首先，矿物掺合料等量取代水泥，减少了水泥水化时产生CH的数量，同时活性矿物掺合料通过水化反应，消耗了部分CH，较大程度地降低了CH含量，延缓了钙矾石和石膏的形成.其次，UFA，SF的微集料效应，阻断了混凝土中的毛细管通道，填充了因硫酸盐膨胀腐蚀引起的裂缝，提高了混凝土的密实性，有效缓解了硫酸盐对粉煤灰轻骨料混凝土的进一步腐蚀，同时，矿物颗粒的微骨架作用使粉煤灰轻骨料混凝土结构体得到更有力的支撑.因此，适量的UFA，SF能在一定程度上有效缓解硫酸盐对粉煤灰轻骨料混凝土的侵蚀影响.

图5，6分别为硫酸盐作用下普通混凝土和轻骨料混凝土破坏断面的CT图.对比图5，6可知：在干湿循环为50次时，与5%Na2SO4溶液相比，10%Na2SO4溶液对试件的腐蚀更为明显；在相同干湿循环条件下，普通混凝土骨料明显分离，边角脱落严重，而轻骨料混凝土骨料界面则得到了明显优化.

图5 硫酸盐作用下普通混凝土（P0）破坏断面CT图（干湿循环50次）Fig.5 CT of fracture section in ordinary concrete（P0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

图6 硫酸盐作用下轻骨料混凝土（Q0）破坏断面CT图（干湿循环50次）Fig.6 CT of fracture section in LWAC（Q0）under the action of sulfate（50drying－wetting cycles）

2.2 孔隙率

混凝土中的孔隙结构将直接影响腐蚀性介质入侵时的难易程度.笔者采用工业CT透视观察标准养护28d的普通混凝土和轻骨料混凝土内部孔结构，结果见图7，8.比较图7，8可知，普通混凝土基体内部孔隙较大，而且分布密集，这使得腐蚀性介质较易进入普通混凝土内部产生破坏；轻骨料混凝土基体内部孔径明显较小，孔密度大幅度减少，孔隙主要分布在轻骨料内部.

笔者进一步通过压汞试验测得标准养护28d混凝土的总孔隙率及各孔径孔所占的体积分数，结果如表4所示.由表4可见：相比普通混凝土，各组试样的总孔隙率普遍降低，大于100nm的有害孔明显减少；混凝土＜100nm孔所占体积分数的大小顺序为：S10，S8，F20，S15，S5，F10，F30，F40，Q0，P0.

图7 普通混凝土28dCT透视图Fig.7 CT perspective of ordinary concrete at 28d（size：mm）

图8 轻骨料混凝土28dCT透视图Fig.8 CT perspective of LWAC at 28d（size：mm）

表4 不同混凝土28d孔隙率Table 4 Porosities of different kinds of concrete at 28d

掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土总孔隙率明显减小，＜100nm孔的体积分数明显增多，例如F20试件为P0试件的1.39倍，S10试件为P0试件的1.46倍.产生上述现象的原因主要是：首先，矿物掺合料使水泥石孔隙结构得到有效改善，基体愈加致密，同时矿物掺合料还可封堵400～150nm的孔隙，形成“梯级封堵”［16］.并在此基础上，通过火山灰作用以及轻骨料特有的返水内养护作用，叠加矿物掺合料的微集料作用，降低了水泥石中有害孔的数量，提高了无害孔（＜20nm）和少害孔（20～50nm）所占比例，增强了混凝土的抗蚀性.其次，矿物掺合料不仅减小了混凝土因膨胀而产生内部裂缝的几率，还抑制了轻骨料－砂浆界面区CH完整晶体的定向排列［3］，提高了轻骨料－砂浆界面的黏结性能，优化了轻骨料－砂浆界面过渡区微观结构.因此，适量掺加矿物掺合料是改善粉煤灰轻骨料混凝土界面过渡区缺陷，降低孔隙率，提高抵抗一定浓度硫酸盐侵蚀能力的一项有效技术手段.

2.3 动弹性模量

在Na2SO4溶液浓度为5%和10%条件下，干湿循环50次后，混凝土相对动弹性模量Er5，Er10分别见图9，10.由图9可知，在Na2SO4溶液浓度为5%条件下，干湿循环50次后，普通混凝土（P0）的Er5值为62.3%，接近破坏标准值（标准值为60%［15］）；轻骨料混凝土（Q0）的Er5值为78.1%；掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土的Er5值为87.5%～94.9%，掺SF粉煤灰轻骨料混凝土的Er5值为90.3%～95.3%，相比之下，掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土比掺SF粉煤灰轻骨料混凝土的动弹性模量损失更大.由图10可知，在Na2SO4溶液浓度为10%条件下，干湿循环50次后，普通混凝土的Er10值为57.2%，表明该试样已经破坏，这与混凝土抗蚀系数试验结果相一致；轻骨料混凝土的Er10值为70.2%；掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土的Er10值为84.1%～90.3%，掺SF粉煤灰轻骨料混凝土的Er10值为84.5%～89.2%，即掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土和掺SF粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失较为接近.上述表明，在Na2SO4溶液浓度较低环境中，掺SF粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失低于掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土；随着Na2SO4溶液浓度进一步提高，粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失明显加快，矿物掺合料对混凝土结构基体抗蚀性影响减弱.

图9 Na2SO4溶液浓度为5%时干湿循环50次的Er5值Fig.9 Er5after 50drying－wetting cycles in 5%Na2SO4solution

图10 Na2SO4溶液浓度为10%时干湿循环50次的Er10值Fig.10 Er10after 50drying－wetting cycles in 10%Na2SO4solution

3 结论

（1）当Na2SO4溶液浓度为0%～10%时，混凝土抗压强度在干湿循环20次时达到最高值，超过20次后抗压强度下降较快.

（2）在10%Na2SO4溶液中干湿循环50次，掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土抗蚀系数有较大提高.当UFA，SF取代率分别为20%，10%时，粉煤灰轻骨料混凝土抗蚀系数达到最高值.

（3）掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土孔径明显减小，50～100nm孔体积分数明显增多.掺20%UFA和掺10%SF粉煤灰轻骨料混凝土＜100nm孔体积分数分别为普通混凝土的1.39，1.46倍.

（4）适量掺加UFA或者SF，能减少粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失，优化轻骨料－砂浆界面过渡区微观结构，增强轻骨料－砂浆界面黏结性能，延缓硫酸盐对混凝土结构基体的进一步侵蚀.

（5）在Na2SO4溶液浓度较低环境中，掺SF粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失小于掺UFA粉煤灰轻骨料混凝土.随着Na2SO4溶液浓度进一步提高，2种粉煤灰轻骨料混凝土动弹性模量损失都明显加快.

［1］ AMIR E，MENASHI D C，JAN O.Influence of lightweight aggregate on the microstructure and durability of mortar［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（7）：1368－1376.

［2］ 田耀刚，胡曙光，丁庆军，等.轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能研究［J］.新型建筑材料，2006（5）：61－63.TIAN Yaogang，HU Shuguang，DING Qingjun，et al.Study on the resistance of sulfate attack of lightweight aggregate concrete［J］.New Building Materials，2006（5）：61－63.（in Chinese）

［3］ 董淑慧，张宝生，葛勇，等.轻骨料－水泥石界面区微观结构特征［J］.建筑材料学报，2009，12（6）：737－741.DONG Shuhui，ZHANG Baosheng，GE Yong，et al.Micro－structure characteristics of interfacial transition zone（ITZ）between lightweight aggregate and cement paste［J］.Journal of Building Materials，2009，12（6）：737－741.（in Chinese）

［4］ 胡曙光，王发洲，丁庆军.轻骨料与水泥石的界面结构［J］.硅酸盐学报，2005，33（6）：713－717.HU Shuguang，WANG Fazhou，DING Qingjun.Interface structure between lightweight aggregate and cement paste［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2005，33（6）：713－717.（in Chinese）

［5］ IRASSAR E F，MAIO A D，BATIC O R.Sulfate attack on concrete with mineral admixtures［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（1）：113－123.

［6］ 韩俊涛，申向东.外掺粉煤灰轻骨料混凝土早期力学性能研究［J］.硅酸盐通报，2012，31（4）：847－851.HAN Juntao，SHEN Xiangdong.Experimental study on early mechanical properties of natural ligheweight aggregate concrete with external mixing fly ash［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2012，31（4）：847－851.（in Chinese）

［7］ 高英力，程领，李柯，等.碳化作用下骨料混凝土干缩变形及影响规律［J］.硅酸盐通报，2012，31（2）：440－463.GAO Yingli，CHENG Ling，LI Ke，et al.Influence laws and dry shrinkage of lightweight aggregate concrete under the carbonization［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2012，31（2）：440－463.（in Chinese）

［8］ LO T Y，NADEEM A，TANG W C P，et al.The effect of high temperature curing on the strength and carbonation of pozzolanic structural lightweight concretes［J］.Construction and Building Materials，2009，23（3）：1306－1310.

［9］ CHIA K S，ZHANG M H.Water permeability and chloride penetrability of high strength lightweight aggregate［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（4）：639－645.

［10］ 王立成，刘汉勇，HIWADA K.硅灰对轻骨料混凝土抗海水冻融性能的影响［J］.建筑材料学报，2005，8（4）：349－355.WANG Licheng，LIU Hanyong，HIWADA K.Influences ofsilica fume on the property of lightweight aggregate concrete with resistance to freezing and thawing cycles in seawater［J］.Journal of Building Materials，2005，8（4）：349－355.（in Chinese）

［11］ GAO X F，LO Y T，TAM C M.Investigation of micro－cracks and microstructure of high performance lightweight aggregate［J］.Concrete Building and Environment，2002，37（5）：485－489.

［12］ JOZ D，WIEDZKA N.Scaling resistance of high performance concretes containing a small portion of pre－wetted lightweight fine aggregate［J］.Cement and Concrete Composites，2005，27（6）：709－715.

［13］ 毛继泽，齐辉，鲇田耕一.轻骨料含水率对混凝土吸水性及抗冻性的影响［J］.建筑材料学报，2009，12（4）：473－477.MAO Jize，QI Hui，AYUTA Koichi.Effects of water content in lightweight aggregate on water－absorbing property and freeze－thaw resistance of concrete［J］.Journal of Building Materials，2009，12（4）：473－477.（in Chinese）

［14］ 孔丽娟.陶粒混合料混凝土结构与性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.KONG Lijuan.Research on structure and performance of ceramsite combined aggregate concrete［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2008.（in Chinese）

［15］ 乔宏霞，朱彦鹏，周茗如，等.参数评价粉煤灰混凝土抗硫酸盐腐蚀性［J］.建筑科学，2009，25（5）：41－44.QIAO Hongxia，ZHU Yanpeng，ZHOU Mingru，et al.The parameter assessment of the performance of anti－sulfate erosion for concrete containing fly ash［J］.Building Science，2009，25（5）：41－44.（in Chinese）

［16］ 张光辉.混凝土结构硫酸盐腐蚀研究综述［J］.混凝土，2012（1）：49－56.ZHANG Guanghui.Sulfate corrosion of concrete structure review［J］.Concrete，2012（1）：49－56.（in Chinese）