粉煤灰和矿粉对高抗硫混凝土耐久性能影响研究

张 寅 孙明海

(河套学院土木工程系 巴彦淖尔 015000)

在我国中西部地区，由于环境湿度较低，土壤中的硫酸盐不断沉积形成了高浓度的硫酸盐，对路基下复合地基桩体等混凝土材料或结构产生明显的腐蚀效应。与此同时，沉积在孔隙中的硫酸盐经历了循环的晶相变化，进一步与水泥基体发生反应生成较大体积的钙矾石。该过程不仅会分解硬化的水泥浆体，还会在混凝土内部产生较大的内胀力，从而使混凝土中形成新的裂缝并使混凝土劣化过程加速[1]。实际工程中，在桩基混凝土施工中常采用高抗硫水泥或掺加阻锈剂等方式以解决混凝土的防腐蚀缺点。但此方法存在以下缺点：①工程成本较高；②防腐效果是否能达到预期目的尚不能明确。

为此，国内外学者对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行了大量研究。研究发现，加入粉煤灰、偏高岭土、硅石、矿粉等辅助胶凝材料作为总胶凝体系的一部分，可提高混凝土的耐久性，确保这些地区混凝土基础设施的安全性[2]。

因此，本文主要通过试验确定不同配合料、不同配合比和不同添加剂的高抗硫水泥混凝土(水泥、粉煤灰、矿粉)的抗硫酸盐腐蚀性能及抗渗性能，提出以普通水泥、粉煤灰或矿粉为基础材料的混凝土抗腐蚀桩身材料。最终在钢筋混凝土灌注桩施工及其他地下混凝土构件使用中，达到抵抗硫酸盐侵蚀的目的，从而满足建筑物设计使用寿命的要求。

1 试验材料及试验方案

如表1所示，本试验主要设计了C30，C40及C45 3种强度的混凝土，水泥采用P·O 42.5的普通硅酸盐水泥及P·S 42.5的抗硫酸盐水泥。掺合料主要考虑了粉煤灰和矿粉。粉煤灰主要采用II级粉煤灰，矿渣粉主要采用S75和S95 2种。

在上述配比的基础上，适量加入普通减水剂或硅粉以改善混凝土的性能。按照表1中所给出的试验方案进行试验，重点考察不同因素的影响。

表1 混凝土抗硫酸盐和抗渗透试验方案

注：“+”表示做的项目；“-”表示不做的项目，“硅粉”表示掺入硅粉作为添加剂来进行试验。

2 混凝土耐久性试验

根据GB/T 50082-2009, 对于每组开展抗硫酸盐侵蚀试验的试件进行干-湿循环150次后，再测其抗压强度。试验发现，经过50次硫酸盐侵蚀后，试件基本完好。而经过150次硫酸盐侵蚀后，试件破坏较为严重。图1和图2分别为普通硅酸盐水泥混凝土和高抗硫水泥混凝土(GK)经抗硫酸盐腐蚀后的强度试验结果，以及与未经过硫酸盐腐蚀混凝土的28 d抗压强度的(退化)百分比。

图1 普通硅酸盐水泥混凝土试验结果

图2 高抗硫水泥混凝土试验结果

由图1，2可以看出，不同水泥种类和强度等级的混凝土并添加相应比例的粉煤灰和矿粉，经过150次硫酸盐侵蚀后，抗压强度均呈下降趋势。高抗硫水泥混凝土各配合比下的抗硫酸盐性能均优于普通混凝土，高抗水泥中的“C30 S75矿粉掺量30%”和“C30 S95矿粉掺量30%”的抗硫酸盐性能明显高于普通水泥混凝土的抗硫酸盐性能。

在经历150次硫酸盐干-湿循环作用后，C30混凝土强度降低幅度明显大于C40混凝土。混凝土材料的强度主要依靠配合比设计中的水灰比来调整，强度高的混凝土材料水灰比较低，内部孔隙率较低，材料较密实，因此抵抗硫酸盐侵蚀的能力也较强。

对比各试验组，强度较高的C40混凝土抗硫酸盐性能较优。高抗水泥可明显提高混凝土的抗硫酸盐性能，而掺合料与高抗水泥复合作用，可使混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进一步提高。此外，粉煤灰对混凝土的抗硫酸盐性能有一定改善，但其作用效果不如S95矿粉明显，而S75矿粉对混凝土的抗硫酸盐性能会产生不利影响，不建议使用。

3 混凝土的抗渗性能试验

高抗硫混凝土抗渗性能试验采用顶面直径为175 mm，底面直径为185 mm，高度为150 mm的圆台体。抗渗试件6个为1组。浇筑成型后，拆模时用钢丝刷将两端面水泥浆膜刷去，并在标准养护室养护28 d后送入实验室，直至试验。试验开始前1 d，首先将试件取出，晾干表面，并在侧面涂抹密封材料；随后在加压装置上，将试件压入经预热过的模具中，冷却后方可解除压力进行抗渗试验。试验开始后，水压初值为0.1 MPa，每隔8 h水压增加0.1 MPa，试验过程中要随时注意观察试件端面渗水情况。当试件端面出现渗水情况时，停止试验，并记下水压。

混凝土的抗渗标号以每组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压力计算[3-4]，其计算式为

P=10H-1

式中:P为混凝土抗渗等级，H为6个试件中3个试件渗水时的水压力，MPa，试验结果见表2。

表2 抗渗性试验结果

由表2可见，C30和C45混凝土均能够满足P15的抗渗等级要求。当掺有20%的粉煤灰时，混凝土的抗渗性得到明显改善，当掺有30%的S75矿渣时，混凝土的抗渗性能会降低，C30混凝土最终渗水压力由1.6 MPa降为1.4 MPa，而C45混凝土最终渗水压力也由>1.6 MPa降为1.5 MPa，降低幅度较大。对比C45和C30混凝土，混凝土强度等级越高抗渗性也较好，高强度等级混凝土的水灰比低，密实度较高，因此也具有更好的抗渗性能。在掺入30%的S75矿渣情况下，C45混凝土受到的影响也明显小于C30混凝土。

综上所述，提高混凝土的强度可显著改善混凝土的抗渗性能，在混凝土中掺入粉煤灰可进一步提高混凝土的抗渗性能，而S75矿渣则会明显降低混凝土抗渗性，建议谨慎使用，尤其是在抗压强度较低的C30混凝土中。

4 结论

1) 在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可在满足混凝土基本力学性能的前提下改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能和抗渗性。混凝土强度越高，提升效果越明显。

2) 高抗硫水泥混凝土的抗硫酸性能均优于普通硅酸盐混凝土，矿粉对其抗硫酸盐性能的影响还与矿粉种类和混凝土强度有关。

3) 粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能和抗渗性能的改善均优于矿粉。尤其对于S75矿粉，其对混凝土的抗硫酸盐性能和抗渗性会产生不利影响。因此，在实际工程中应谨慎使用。

[1] BAGHERI A R, ZANGANEH H. Comparison of rapid tests for evaluation of chloride resistance of concrete with supplementary cementitious materials[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2012,24(1):1175-1182.

[2] THOMAS M, HOOTON R D, ROGERS C, et al. 50 ye-ars old and still going strong[J].Concrete International,2012,34(1):35-40.

[3] 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法:GB/T 50082-2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[4] 崔磊,陈艳华.胶粉表面改性对LC50高强轻质混凝土力学性能的影响及机理研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(6):949-953.