大掺量矿物掺合料混凝土抗硫酸盐侵蚀特性研究

陈茜

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建　厦门　361100）

大掺量矿物掺合料混凝土抗硫酸盐侵蚀特性研究

陈茜

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建厦门361100）

本文研究不同矿粉和粉煤灰掺量的胶砂和混凝土在长期浸泡或干湿循环条件下的抗硫酸盐侵蚀性能，以及配制的C50大掺量矿物掺合料混凝土在干湿循环条件下的抗硫酸盐侵蚀性能和试块破坏截面特殊的颜色现象。试验结果表明：单掺矿粉易引起膨胀破坏；复掺粉煤灰后配制的混凝土的抗蚀性能较好；大掺量矿物掺合料的C50混凝土可达到KS90级抗硫酸盐侵蚀性能，且其破坏后截面颜色可在一定程度上反映其受侵蚀情况。

大掺量矿物掺合料混凝土；抗硫酸盐侵蚀；矿粉

0　前言

常用的抗硫酸盐侵蚀的措施主要有使用抗硫酸盐水泥，使用防腐剂，使用大掺量矿物掺合料混凝土，以及在混凝土构件表面涂上有机防腐材料等。抗硫酸盐水泥在国内应用并不广泛，因其采购困难，成本较高，福建地区更无厂商生产。近年来市场上出现的混凝土防腐剂，有的成分复杂，制作工艺较复杂及使用条件苛刻，成本较高，有的只注重市场，技术性不强，防腐效果差，未能真正解决问题。而大掺量矿物掺合料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能研究资料也相对较少。因此，本文使用搅拌站常用配合比和原材料对大掺量矿物掺合料混凝土抗硫酸盐侵蚀特性进行研究，以期为实际工程提供数据参考。

1　原材料

水泥，润丰 P·I42.5 水泥，详细性能指标见表 1；粉煤灰，后石 F 类Ⅱ级，详细性能指标见表 2；矿粉，S95 级，详细性能指标见表 3；砂，河砂，细度模数 2.9，表观密度为 2500kg/m3；石，碎石，颗粒级配 5～20mm，表观密度为 2720kg/m3；外加剂，科之杰新材料集团有限公司生产的Point-S 混凝土减水剂。

表1　水泥性能指标

表2　粉煤灰性能指标　　　　　　　%

表3　矿粉性能指标

2　试验方案

首先进行胶砂试块抗硫酸盐侵蚀试验，即使用不同组分的矿粉和粉煤灰代替部分水泥，放入水箱长期浸泡；其次在粉煤灰掺量一定的条件下，改变矿粉掺量，分别在干湿循环与长期浸泡条件下进行混凝土试验，试验过程中保持溶液 pH值为 6～8，并根据硫酸盐含量快速测定结果定期增加硫酸钠；最后配制大掺量矿物掺合料混凝土，使用干湿循环试验方法测试其能达到的抗蚀等级。

试验所用设备有：混凝土抗硫酸盐侵蚀干湿循环箱和硫酸盐含量快速测定仪。试验依据标准：GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》 ，以及 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》。

3　矿粉与粉煤灰复掺胶砂试验

胶砂试块的胶凝材料组分如表 4 所示，试块成型后标准养护 28d，测试其抗压强度，并将完整试块放入浓度为 10%的硫酸盐侵蚀溶液中长期浸泡，观察胶砂试块形态变化。图 1为胶砂试块膨胀破坏图。

表4　胶砂试验配比与试验结果

图1　胶砂试块膨胀破坏

随着浸泡的进行，试块的棱角处开始发生损坏，由图 1a)可见，单独加入矿粉的 4、5 组的胶砂试块有明显的膨胀破坏，而前三组试块则无明显变化。

已知在水泥基材料孔隙中硫酸钠浓度足够高时，可发生碱金属硫酸盐腐蚀。钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）在石膏（CaSO4·2H2O）充足时可稳定存在，二者是典型的硫酸盐侵蚀产物。这些石膏会与单硫型水化硫铝酸钙和水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，因含有大量的结晶水，其体积比原来增加 1.5 倍以上，这将使得混凝土结构内部产生局部膨胀压力，水泥石内部会出现结构的胀裂，造成水泥基材料的破碎和分裂破坏。特别是当结构物的一部分浸入盐液中，另一部分暴露在干燥空气中时，盐液在毛细管抽吸作用下上升至液相线以上后蒸发，致使盐液浓缩，则很容易引起水泥基材料发生此类结晶破坏。

因此，出现图 1 情况的原因可能是由于经 28d 标准养护后，试块表面水化已基本完成，而内部矿粉水化较慢，随着硫酸钠溶液的逐渐渗入，对内部的矿粉产生了一定的激发作用，生成高硫型钙矾石，体积膨胀，而外表面强度抵抗不了内部的膨胀应力，从而产生裂缝。

4　不同矿粉掺量的影响试验

不同矿粉掺量的影响试验中混凝土配合比及试验结果如表 5 和图 2 所示。配合比的水胶比相同，胶凝材料总量相同，调整矿粉与粉煤灰之间的比例，研究矿物掺合料对混凝土抗蚀性能的影响。矿粉取代水泥的比率分别为 0、20%、10%、30%，所得试块分别置于三种养护条件下：干湿循环养护箱（干湿循环）、水槽（5% 的硫酸钠溶液长期浸泡）；标准养护室（标养）。测其长期浸泡 40d 与干湿循环 40 次后各组的抗压强度与抗蚀系数。

从图 2 中可见：K2 和 K3 组中，混凝土的抗蚀系数大于1，且强度较高，K2 和 K3 组在长期浸泡条件下，其强度与抗蚀系数显著高于其他两组，说明矿粉掺量在 10% 至 20% 时，有利于混凝土的抗硫酸盐侵蚀；在干湿循环条件下此规律则不明显，这可能是由于短期内干湿循环的温度变化等影响因素导致的。

表5　混凝土配合比及抗压强度试验结果

图2　不同矿粉掺量混凝土的抗蚀系数

5　C50 混凝土抗侵蚀试验

本文针对严重化学腐蚀环境，配制了 C50 混凝土，并测试其抗蚀性能，配合比见表 6。测得该配比混凝土在干湿循环 90 次后，其抗蚀系数降为 0.88；在干湿循环 120 次后，降为 0.74，根据 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》中规定抗硫酸盐侵蚀性能，混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级为 KS90，属于抗蚀性能较好的混凝土。

图 3 为试块受压破坏后的截面对比图。

表6　C50 混凝土配合比　kg/m3

图3　试块受压破坏后截面对比

C50 配合比中使用了大掺量的矿粉和粉煤灰，由于矿粉中含氧化铁类物质，在参与水化过程中转变为二价铁，使混凝土胶材部分颜色呈现二价铁特有的蓝绿色。一个简单的试验也可证明蓝绿色是矿粉水化引起，即在矿粉中加入氢氧化钙，加水后进行加热，可明显观察到下沉粉末的颜色变化。

蓝绿色消失是否是因其与硫酸盐或其产物发生化学反应还需试验进行验证，但对于矿粉产物量较多的混凝土，存在一种普遍现象，即与空气接触的混凝土表面在一段时间后也可由蓝绿色变回正常混凝土的颜色。而在干湿循环中的烘干期间，混凝土与热风接触，其颜色编号深度各异，或是由于混凝土表面硫酸盐侵蚀后导致微裂缝增大，不同程度地加速了这种反应，即截面灰白色部分越多，试块受硫酸盐侵蚀深度越大。

从图 4 可见，图中下半部分是标养的混凝土截面，与受侵蚀环境下的混凝土受压破坏后的截面的颜色分布有显著差异，混凝土产生类似碳化试验的效果（即被碳化的表层的混凝土喷撒酚酞后不变红）。

图4　受侵蚀试块与标养试块截面颜色对比

图5　C30 试块表面

分别取边缘白色部分和中间蓝绿色部分的试样，进行扫描电镜分析。在白色部分发现了大量棒状的钙矾石晶体，如图 7 所示，尤其是在图 8 所示的孔中。而在蓝绿色部分所取试样的微观图中，可观察到向不同方向生长的氢氧化钙晶体、无定形的 C-S-H，以及未水化的胶材颗粒，但极少见硫酸盐侵蚀的产物。

由此可见，掺入大量矿粉的混凝土的破坏试块的颜色在一定程度上反映出其受硫酸盐侵蚀的情况，但具体水化反应过程还需进一步研究加以证实。

图6　试块表面白色部分微观结构

图7　孔中散落的大量棒状晶体

图8　试块截面蓝绿色部分微观结构

图9　内部存在未水化颗粒

6　小结

（1）矿粉与粉煤灰复掺，可达到较好的抗硫酸盐侵蚀作用；而单掺时或更易导致膨胀破坏。

（2）大掺量矿粉的混凝土内部在水化后呈现特殊蓝绿颜色，受硫酸盐侵蚀的外部则呈灰白色，颜色深度与硫酸盐侵蚀有一定关系。

[1] 胡曙光，覃立香，等．矿渣对混凝土抗硫酸盐侵蚀性的影响[J]．武汉工业大学学报，1998(3): 1-3．

[2] 高礼雄，姚燕，王玲，等．水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法的探讨[J]．混凝土，2004(10): 12-14．

[3] 廉慧珍，童良，陈恩义．建筑材料物象研究基础[M]．北京：中国建筑工业出版社，106-143．

［通讯地址］厦门市同安区新民镇凤岭路 760 号（361100）

陈茜（1987—），女，工程师。