玻璃粉对混凝土酸侵蚀性能的影响

倪成林谭红琳杨应湘向 超陈志斌李选刚

（1.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093；2.昆明恒安丰混凝土有限公司，云南昆明650200）

玻璃粉对混凝土酸侵蚀性能的影响

倪成林1，谭红琳1，杨应湘1，向 超1，陈志斌1，李选刚2

（1.昆明理工大学材料科学与工程学院，云南昆明650093；2.昆明恒安丰混凝土有限公司，云南昆明650200）

采用试验方法，研究了玻璃粉替代胶凝材料在不同掺量（0、5%、8%、15%）时对混凝土抗压强度和耐酸侵蚀性的影响。对比了各个试样在5%H2SO4溶液和5%CH3COOH溶液中腐蚀28 d后的质量亏损和抗压强度损失，并采用SEM分析了试样腐蚀后的表面形貌。结果表明，玻璃粉有利于提高混凝土的耐H2SO4和CH3COOH侵蚀性，耐CH3COOH侵蚀差于耐H2SO4腐蚀，H2SO4侵蚀后的试样表面形成了大量石膏，CH3COOH侵蚀后试样表面疏松并出现了大量孔洞和裂纹。当玻璃粉掺量为8%时，试样的耐H2SO4和CH3COOH侵蚀性最佳。

玻璃粉；混凝土；CH3COOH侵蚀；H2SO4侵蚀；抗压强度损失；质量亏损；材料耐酸蚀性能

混凝土材料是重要的土木工程材料之一，它的发展影响着人们的生活条件。为了能更低成本地生产混凝土，人们在不断地寻找来源丰富、价格低廉的原材料。近年来，工业废料如粉煤灰［1］、天然沸石粉［2］、石灰石粉［3］、微硅粉［4］等被广泛用于混凝土中。据报道，我国每年城市的废玻璃超过450万t，这些废玻璃被重新利用的费用太高，于是废玻璃的综合利用问题被广泛探索。目前，废玻璃主要被用于替代混凝土的集料［5］，但其会引起混凝土的膨胀开裂问题，经过数十年的研究，研究者们通过在混凝土中引入一定的空气［6］、采用多孔玻璃［7］、掺入高炉矿渣、粉煤灰、偏高岭［6］和页岩［8］等方式来避免玻璃集料混凝土的膨胀开裂。然而，废玻璃研磨成不同细度的玻璃粉用于替代水泥作为胶凝材料方面的研究还很有限［8］。水泥是混凝土的主要胶凝材料，据2011年的不完全统计，全球水泥年产量超过28亿t，并且以每年4亿t的量逐渐增加［9］。因此，若废玻璃经研磨后用于部分替代水泥，不仅可以降低水泥生产成本，还可以充分利用废弃物。玻璃粉被用于部分替代水泥作为胶凝材料归因于其含有SiO2、Al2O3和CaO等成分。玻璃粉用于生产水泥时，人们最关心的是玻璃中的碱金属成分对水泥性能的影响，Xie等［10］发现加入玻璃粉能降低C3S成分，并形成NC8A3，从而减少混凝土凝结时间，并且碱金属成分不会影响水泥的性能。因此，玻璃粉也能用于部分替代水泥作为胶凝材料用于混凝土中。据报道［11⁃12］，玻璃粉替代水泥用于混凝土中会降低混凝土的抗压强度，尤其是早期抗压强度。强度和耐久性能是混凝土的基本性能指标，目前，玻璃粉用于混凝土后的耐久性能研究主要集中在碱集料反应、抗冻性能及硫酸盐侵蚀［9，13］，而酸侵蚀方面的研究有限。玻璃粉的活性能改变混凝土的密实性，从而影响混凝土的耐酸侵蚀性。在大气、与建筑物接触的土壤、污水和海洋等环境中，均存在无机酸和有机酸物质，我国城市中90%以上的河流都受到严重的污染，所以关于混凝土腐蚀性能的研究也是有必要的。笔者试验中采用了激光粒度仪分析了玻璃粉和水泥的粒径分布，从腐蚀和未腐蚀的混凝土试样块表面取下砂浆，并采用SEM和EDS分析了样品表面在酸蚀前后的微观形貌和成分。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用水泥级别为42.5R，采用拉法基瑞安水泥有限公司生产的水泥，水泥的比表面积为345m2／kg。采用的砂含水率在7%以下，细度模数为2.8。粗集料采用碎石，直径为5～20 mm。玻璃粉采用玻璃回收研磨后制备成的粉体，比表面积为400m2／kg。胶凝材料的粒径分布见图1，主要成分（质量分数）见表1。减水剂采用水剂萘系高效减水剂。

1.2 配合比混凝土配合比（质量浓度）见表2。玻璃粉替代水泥量为胶凝材料总质量的5%、8%、15%，相应的试样编号分别为G5、G8、G15。减水剂用量为胶凝材料质量的2.5%到3.0%，减水剂含水率为75%，减水效果为18.5%。养护条件：温度为（20±2）℃，相对湿度95%。

1.3 腐蚀试验

在试验中，混凝土试样尺寸为 100 mm×100mm×100mm，抗压强度的测试周期分别为7d、28d、56d。腐蚀试验用的混凝土试样在养护28 d后分别放入5%H2SO4溶液和5%CH3COOH溶液中腐蚀，每种试样浸3个样品，样品被全部浸没在酸溶液中，溶液与试块的体积比为15∶8。酸浸周期为7d、14 d、28 d。酸溶液每7天更换1次，7 d内5%H2SO4溶液的pH变化范围为1.0～4.5，而5%CH3COOH溶液的pH变化范围为2.5～5.5。样品在放入酸溶液前，从养护室取出擦干表面水分，试块内部还处于水饱和状态，此时称其质量（记为w1），达到酸浸周期后取出样品用自来水冲洗并轻轻擦掉表面腐蚀物，并擦干表面水分后再称其质量（记为w2），然后根据式（1）计算不同腐蚀周期下试样的质量亏损（记为mloss）。

标准养护28d样品的抗压强度即为腐蚀前的抗压强度（记为s1）。标准养护28d的样品，在酸浸到28 d后，清洗擦掉表面腐蚀物，擦干后测抗压强度，所得结果即为侵蚀后的抗压强度（记为s2）。根据式（2）可计算样品腐蚀28d后的抗压强度损失sloss。

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土抗压强度

图2表示玻璃粉对混凝土抗压强度的影响，从图2可以看出，加入玻璃粉不利于提高混凝土7 d早期强度，这与Schwarz等［11⁃12］的研究结果一致。与OPC相比，试样G5、G8、G15的28 d抗压强度分别提高了26.53%、23.79%、6.84%，56 d抗压强度分别提高了 25.03%、14.44%、8.32%。以上结果归因于玻璃粉的火山灰效应在28～56d之间［9］。从图2还可以看出，在玻璃粉掺量为5%～15%范围内，混凝土28 d和56 d抗压强度随着玻璃粉含量的增加而降低［14］。总之，在保证抗压强度条件下，为了最大效率地利用玻璃粉，玻璃粉的掺量不宜超过胶凝材料总量的15%。

2.2 酸侵蚀

2.2.1 H2SO4和CH3COOH侵蚀后试样的质量亏损

图3是不同替代量的玻璃粉混凝土在5%H2SO4溶液中被侵蚀7d、14d、28 d后的质量亏损情况。从图3中可以看出，玻璃粉替代胶凝材料总量的5%和8%时，试样质量亏损都比OPC的小。这是因为水泥用量少，降低了水泥水化产生的氢氧化钙含量，并且玻璃粉的火山灰反应会消耗掉部分氢氧化钙，减少了被侵蚀的氢氧化钙含量［13］。15%玻璃粉掺量时，在14d和28d侵蚀期后，其质量亏损略小于OPC试样。这可能是因为掺入过量的玻璃粉导致了混凝土中小孔隙的粗化。从图3中还可以看出，玻璃粉替代胶凝材料总量的8%时，混凝土在5% H2SO4侵蚀下质量亏损最小。仅从混凝土质量亏损来看，玻璃粉掺量为8%时，其耐硫酸侵蚀性最好。

图4是玻璃粉掺量对混凝土在5%CH3COOH侵蚀后的影响。从图4可以看出，在7d、14d、28d侵蚀周期下，相比于基准试样OPC，掺入玻璃粉降低了混凝土的质量亏损，而且其质量亏损随着玻璃粉掺量的增加而降低，仅仅从质量亏损方面来看，说明玻璃粉能提高混凝土的耐醋酸侵蚀性，而且这种提高作用在28d酸浸周期时更明显。这是因为在14d后玻璃粉的火山灰反应开始了［10］，消耗了水化产物氢氧化钙，形成水化硅酸钙。

对比图3和图4可以看出，相同侵蚀周期下，玻璃粉混凝土在H2SO4侵蚀后的质量亏损比在CH3COOH侵蚀后小，而且质量亏损值的差距在28d酸浸期时更大。从质量亏损比较，说明相同质量浓度条件下，对玻璃粉混凝土而言，醋酸侵蚀程度比硫酸侵蚀大。

2.2.2 H2SO4和CH3COOH腐蚀后试样的抗压强度损失

试验结果表明，OPC、G5、G8、G15在5%H2SO4溶液中酸浸28 d后的抗压强度分别损失了16.60%、15.70%、2.84%、4.26%。可以看出，玻璃粉掺量为5%时，与OPC相比，试样的抗压强度损失降低得不明显；玻璃粉掺量超过8%后，混凝土被侵蚀28d后的强度是侵蚀前的90%以上，此时强度损失最小。试验结果还表明，玻璃粉掺量为8%时，其质量亏损最小，所以玻璃粉掺量为8%时混凝土的耐硫酸侵蚀性能最佳。

试验结果表明，OPC、G5、G8、G15在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后的抗压强度损失分别为 52.9%、41.94%、33.12%、34.58%。可以看出，掺入玻璃粉后混凝土强度损失比较大，但相比于OPC，其强度损失有所降低，说明掺入玻璃粉能在一定程度上提高混凝土的耐醋酸侵蚀性。试验结果还表明：玻璃粉掺量为8%时混凝土的强度损失最小；混凝土质量亏损随着玻璃粉掺量的增加而降低，要提高混凝土耐醋酸腐蚀性，其玻璃粉掺量不应低于8%。为了保证混凝土的强度和耐醋酸侵蚀性，玻璃粉掺量8%较适宜。

通过对比掺玻璃粉后混凝土的抗压强度、质量亏损和抗压强度损失情况，表明玻璃粉掺量为8%时混凝土的耐硫酸和醋酸侵蚀性都最佳，且混凝土抗压强度也得到了提高，所以8%掺量为最佳掺量。

2.3 SEM和EDS分析

图5是试样G8在酸浸前后的SEM形貌。图5（a）是试样在酸浸前表面比较密实的形貌。图5（b）是试样在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后的表面形貌，混凝土表面疏松而且存在大的孔洞和裂纹，这是因为水泥水化产物Ca（OH）2与CH3COOH反应生成易溶于水的Ca（CH3COO）2，导致腐蚀孔越来越大。图5（c）是试样在5%H2SO4溶液中酸浸28 d后的表面形貌，无大的孔隙且比较密实，表面形成一层白色硫酸盐覆盖层，成分为石膏。

3 结 论

a.掺入玻璃粉不能提高混凝土早期强度，但能提高其后期强度，玻璃粉的替代量为胶凝材料质量的5%、8%、15%时，混凝土抗压强度随着玻璃粉掺量的增加而降低。

b.在5%H2SO4溶液中酸浸28d后，玻璃粉替代胶凝材料总量超过8%后，混凝土被侵蚀28 d后的强度是侵蚀前的90%以上，而且玻璃粉替代胶凝材料总量的8%时，混凝土在5%H2SO4侵蚀下质量亏损和抗压强度损失最小。掺入玻璃粉能提高混凝土的耐5%H2SO4侵蚀性，8%掺量时耐硫酸侵蚀性最好。

c.在5%CH3COOH溶液中酸浸28d后，掺入玻璃粉降低了混凝土的质量亏损，而且其质量亏损随着玻璃粉掺量的增加而降低。掺入玻璃粉后混凝土强度损失仍比较大，但相比于OPC，其强度损失却降低了，且8%掺量时混凝土的强度损失最小。掺入玻璃粉能在一定程度上提高混凝土的耐醋酸侵蚀性。

d.玻璃粉替代胶凝材料总量的8%时是最佳掺量，此掺量下混凝土的耐硫酸和醋酸侵蚀性都最佳，而且抗压强度也比较理想。醋酸侵蚀程度比硫酸侵蚀大。醋酸是溶出性侵蚀，侵蚀后生成了可溶性盐Ca（CH3COO）2而流失，导致腐蚀孔越来越大，而强酸硫酸侵蚀形成了微溶物CaSO4，堵住了腐蚀孔。

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Influence of glass powder on acid corrosion resistance of concrete

NI Chenglin1，TAN Honglin1，YANG Yingxiang1，XIANG Chao1，CHEN Zhibin1，LI Xuangang2
（1.Faculty of Materials Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；2.Kunming Henganfeng Concrete Co.，Ltd.，Kunming 650200，China）

The influence of different amounts of glass powder substituting for cementitious materials（0，5%，8%，and 15%by weight）on the compressive strength and acid corrosion resistance of concrete was studied through experiments.The mass loss and compressive strength loss of various specimens were compared after corrosion in 5% H2SO4solution and 5%CH3COOH solution for 28d.The morphology of the specimens after corrosion was analyzed using SEM.The results show that the addition of glass powder can improve the corrosion resistance of concrete to H2SO4and CH3COOH，and the resistance of concrete to CH3COOH was worse than the resistance to H2SO4.A great deal of gypsum formed on the surface of the specimens corroded by H2SO4.The surface of specimens corroded by CH3COOH became loose，with a large amount of pores and cracks.When the substitution amount of glass powder was 8%，the specimens showed the best corrosion resistance to H2SO4and CH3COOH.

glass powder；concrete；CH3COOH corrosion；H2SO4corrosion；compressive strength loss；mass loss；acid corrosion resistance of materials

TU528.46

A

1000-1980（2015）04-0341-05

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.011

2014-0926

国家自然科学基金（51262016）

倪成林（1988—），男，江西南昌人，硕士，主要从事混凝土材料研究。E⁃mail：ncl2011＠163.com

谭红琳，副教授。E⁃mail：tanhlkm911＠gmail.com