活性粉末混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究

李宏宇 焦楚杰 梁 健 徐 雯

（广州大学 土木工程学院）

0 引言

硫酸盐溶液能够和水泥中的Ca (OH)2以及固态水化铝酸钙反应生产钙矾石，当溶液浓度增加时还会有石膏结晶析出，这两种化学、物理变化会给混凝土性能带来不利影响[1-3]。活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，简称RPC)的概念兴起于上世纪90 年代，众多文献中研究的RPC[4-6]，主要涉及RPC200 和RPC800，其立方抗压强度分别达到200MPa 和800MPa，耐久性优，但其价格高昂。《GB-T31387－2015 活性粉末混凝土》定义RPC100 到RPC180 的立方抗压强度为100MPa至180MPa 之间，这种强度适应高层建筑结构或大跨度桥梁、但价格大幅度降低的RPC[7-8]，其耐久性的文献暂时不多见[9-11]。基于研究现状，针对强度等级在RPC100至RPC140 之间的RPC 开展抗硫酸盐侵蚀试验有一定必要性。

表1 试验配合比

1 试验概况

1.1 原材料和试块

本试验原材料为：P·Ⅱ52.5R 硅酸盐水泥(密度3.13g/cm3)、硅砂(粒径0.075～0.55mm，密度2.65 g/cm3)、天然河砂(细度模数2.5，密度2.57g/cm3)、增强料(主要成分硅灰，膨胀剂)、镀铜微丝钢纤维(端钩型，密度7.8g/cm3)、B-348 型粉末状消泡剂、聚羧酸高效减水剂和水。

试剂为两种：浓度为5%和10%的硫酸盐溶液。RPC试块达到28 天标准养护龄期之后进行RPC 抗硫酸盐侵蚀试验，RPC 抗硫酸盐侵蚀测试龄期分别为：30d、60d、90d、120d、240d、360d。

每一种配合比需要制备两组棱柱体试块，试块尺寸为40×40×160mm，每一种配合比还需要制备13 组立方体试块，试块的尺寸为100×100×100mm，前者用来测试RPC 在两种浓度硫酸盐溶液中经历6 个侵蚀龄期的相对动弹性模量和质量损失率。后者中的1 组作为对照组测试养护龄期达到28 天时RPC 的抗压强度数值，其余12 组分别用于测试在两种不同浓度的硫酸盐溶液中经历6 个侵蚀龄期时RPC 的强度耐蚀系数。（见表1）

1.2 主要测试的材料性能

⑴相对动弹性模量

混凝土内部结构的损伤情况一般由动弹性模量来评价，混凝土内部结构的缺陷则是通过超声波检测发现[12-14]，本试验采用非金属超声波检测仪(NM-4A 型)测定动弹性模量，混凝土动弹性模量计算公式如式⑴。

式⑴中,

E——RPC 的动弹性模量；

ρ——混凝土的密度(Kg/m3)；

v——RPC 的泊松比；

V——超声波在RPC 中传播速度(m/s)。

⑵质量损失率

RPC 试块质量采用电子秤（精度0.01g）称量。质量损失率公式如式⑵。

式⑵中，

Wt——RPC 试块的质量损失率；

G0——RPC 试块的平均质量初始值(N)；

Gn——RPC 试块n 次称量后得到的平均质量(N)。

⑶抗压强度耐蚀系数

在《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准GB/T50082－2009》中抗压强度耐蚀系数Kf被定义为：

式⑶中，

Kf——抗压强度耐蚀系数；

fn——经历n 次干湿循环后受硫酸盐侵蚀的RPC 试块抗压强度(MPa)，精确到0.1MPa；

f0——标准养护状态下相同龄期的对照组RPC 试块抗压强度(MPa)，精确到0.1MPa。

2 试验结果与分析

2.1 相对动弹性模量

图1 表示在两种不同浓度的硫酸盐溶液中不同强度的RPC 试块相对动弹性模量的变化。图2 表示在两种不同浓度的硫酸盐溶液中不同钢纤维体积率的RPC 试块相对动弹性模量的变化。

图1 不同强度的RPC 试块在硫酸盐溶液中的相对动弹性模量

图2 不同钢纤维体积率的RPC120 在硫酸盐溶液中的相对动弹性模量

从图1 曲线可知：相对动弹性模量变化趋势为前期稳步增长中后期陡降，对比发现硫酸盐浓度越高，下降幅度越大。在上升段部分，10%浓度的硫酸盐溶液中的RPC 试块相对动弹性模量增长速度低于5%浓度的硫酸盐溶液，而且在下降段部分前者的下降趋势更加明显。上述现象说明硫酸盐浓度越大，RPC 试块被侵蚀程度越深，动弹性模量下降幅度越大。RPC100 V1的试块最早出现下降趋势且下降速度最快，RPC120 V1的次之，RPC140 V1的变化最为缓慢。

出现上述现象的原因：强度较低的RPC 前期的水化较为充分，硫酸盐侵蚀RPC 会产生大量的结晶产物聚集在混凝土表层的孔隙之中，因为混凝土自身强度小、水化反应完成等使得试块在前期就出现大量的裂纹裂缝，从而导致混凝土试块的相对动弹性模量在侵蚀最早就进入到下降阶段。强度越高的RPC 试块，由于其内部致密性较好，相对动弹性模量变化趋势会低于强度略低的试块。

从图2 曲线可知：硫酸盐溶液侵蚀RPC 试块的过程之中，未掺入钢纤维的RPC 试块和掺入钢纤维的RPC 试块进行对比发现，前者的相对动弹性模量在下降时速度更快。钢纤维体积率为1%、2%的RPC 试块的相对动弹性模量下降过程要更加平缓，且变化趋势一致，差异性较小。主要是随着硫酸盐侵蚀的不断进行，RPC 的膨胀应力也在不断地增加，钢纤维体积率的增大，能够帮助RPC 试块抵抗内部膨胀应力，从而动弹性模量下降段的趋势更为缓和。

2.2 质量损失

图3 表示的是在两种不同浓度的硫酸盐溶液之中不同基体强度的RPC 试块质量损失率的变化。图4 表示的是在两种不同浓度的硫酸盐溶液之中不同钢纤维体积率的RPC120 试块质量损失率的变化。

从图3 和图4 可知：在硫酸盐侵蚀免蒸养RPC 的侵蚀龄期60 天以前，图的折线都位于负数阶段，说明混凝土的质量在侵蚀60 天前是处于一个增长的阶段；在侵蚀龄期60 天之后，图的折线位于正数阶段，混凝土的质量开始出现下降。出现这种情况的原因是：掺入RPC 内部的活性掺合料比如硅灰，能够让水泥石和骨料之间粘结更密实，在侵蚀早期抑制Ca(OH)2的富集，且RPC 是内部结构致密型材料，它的抗渗性能很好，能更好的阻止硫酸盐溶液的侵入。硫酸盐侵蚀的机理可通过如下化学式表达：

图3 不同基体强度的RPC 试块在硫酸盐溶液中的质量损失

图4 不同钢纤维体积率的RPC120 试块在硫酸盐溶液中的质量损失

生成的钙矾石和石膏会填入混凝土内部的孔隙中造成混凝土质量增长；随着硫酸盐侵蚀的慢慢加剧，侵蚀的生成物会不断积累产生较大的膨胀和结晶应力，混凝土产生裂缝的机理为膨胀和结晶应力大于混凝土内部应力，侵蚀时间越长，出现的裂缝就越多，当贯通裂缝产生时，混凝土会出现脱离现象，从而出现质量损失。

强度不同，RPC 试块的质量损失程度会有较为明显的不同。强度越高，质量损失越小，这是因为强度越高的RPC 试块，其内部的结构越致密，受到硫酸盐侵蚀的程度就会越小。

在一定钢纤维体积率范围内，钢纤维体积率越高，RPC 抗侵蚀能力越强。其作用机理是钢纤维具有阻挡裂缝开展的性能，混凝土内部的粘接力由于钢纤维的加入而得到增加，从而阻止裂缝开展，减轻混凝土剥落的现象。

2.3 强度耐蚀系数

图5 表示在两种不同浓度的硫酸盐溶液中不同强度的RPC 试块抗压强度耐蚀系数的变化。图6 则是表示在两种不同浓度的硫酸盐溶液中不同钢纤维体积率的RPC120 试块抗压强度耐蚀系数的变化。

由图5 可知：在硫酸盐溶液侵蚀过程中RPC 试块的抗压强度耐蚀系数均呈现出前期上升后期下降的发展趋势；侵蚀龄期60 天左右是趋势变化的转折点。上升段出现的原因是活性掺合料中的SiO2能够和Ca (OH)2反应，消耗了一部分Ca(OH)2，从而减弱水泥石和Ca(OH)2之间的反应，不利产物钙矾石和石膏的产生得到遏制，与此同时，随着内部水化反应的不断加剧，生成的C-S-H 凝胶起到了填充混凝土内部孔隙的作用，因此RPC 内部的结构会更加的密实，抗压强度随之提升。下降段出现的根本原因是硫酸根离子持续不断的自由扩散运动，随着硫酸盐溶液的浓度不断升高，侵入混凝土内部的硫酸根离子增多，侵蚀反应也更加剧烈，抗压强度随之降低。

RPC 基体强度越高，抗压强度耐蚀系数下降的趋势越为缓和。这是因为随着RPC 基体强度的不断提高，其内部结构致密程度越高，硫酸盐侵蚀深度越浅，硫酸根离子在RPC 表面结晶能够起到阻碍硫酸根离子在RPC内部扩散的作用，从而起到了减缓侵蚀反应速度的作用。相反来说，强度越低的RPC 试块，内部结构越多孔隙存在，硫酸根离子侵蚀程度越深，这也是试验中RPC100 V0的试块抗压强度耐蚀性系数曲线始终在最下方的重要原因。

图5 不同强度的RPC 试块在硫酸盐溶液中的抗压强度耐蚀系数

图6 不同钢纤维体积率的RPC120 在硫酸盐溶液中的抗压强度耐蚀系数

由图6 可知：对比掺入钢纤维的RPC 试块以及对照组未掺入钢纤维的抗压强度耐蚀系数试验结果，发现前者的数据整体上都要比后者大上一些。原因是钢纤维能够减小混凝土膨胀产生的膨胀应力，从而减缓裂缝的发展，RPC 试块抗压强度耐蚀系数也随之增加。但是随着钢纤维掺量增加，抗压强度耐蚀系数上升速度变慢。随着侵蚀程度不断加深，抗压强度耐蚀系数均出现先增加后减小的变化趋势。抗压强度耐蚀系数先增加后减小的原因可分为两部分阐述，侵蚀初期硫酸盐与水化产物发生反应生成钙矾石以及石膏，填充了部分混凝土孔隙，使RPC 内部更加紧密；侵蚀后期，随着反应产物不断增多最终膨胀，混凝土内部结构遭到破坏，硫酸盐的渗透速率随之较快，抗压强度耐蚀系数下降速率加快。

3 结论

⑴RPC 的抗压强度耐蚀系数随着硫酸盐侵蚀时间的增加而降低，相对动弹性模量和质量在侵蚀前期60至90 天都呈现平缓略增的现象，90 至360 天呈现下降趋势。

⑵硫酸盐浓度一定程度上决定了RPC 试块的侵蚀程度，浓度越高侵蚀程度越严重。10%浓度的硫酸盐溶液中RPC 的相对动弹性模量、质量和抗压强度耐蚀系数比5%浓度的硫酸盐溶液下降幅度更大。

⑶钢纤维体积率以及RPC 基体强度则是决定RPC试块抗硫酸盐侵蚀的关键因素，在一定范围内钢纤维体积率和RPC 基体强度越高，其抗硫酸盐侵蚀能力越强。