粉煤灰掺量对引气混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响*

王 森，王苍丽

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 100010）

0 前言

盐渍地区在混凝土施工过程中，由于盐类物质的存在极易诱发严重的混凝土盐类侵蚀损害现象，特别是我国西部的盐碱地区以及沿海部分地区，关于混凝土盐类物质侵蚀损害的报道越来越多[1-3]。据有关统计显示，我国新疆地区盐渍土地的面积超过了15 万km2，大约可以占到总面积的10%左右，此类盐渍地区存在着大量的盐类侵蚀物质，特别是硫酸盐的含量较多，在硫酸盐溶液浸泡环境下混凝土的内部结构极易受到侵蚀破坏，使混凝土试件的使用寿命大幅度降低，严重影响盐渍地区混凝土建筑结构的安全[4-7]。因此，研究如何提高此类环境下混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀性能，显得十分必要。

在混凝土中加入引气剂能够有效提高混凝土结构的耐久性能，根据相关国家标准的规定，在盐类物质侵蚀环境下应使用引气混凝土，以延长混凝土结构的使用寿命，并规定引气混凝土中的含气量应该大于4%[8]。另外，有研究结果表明，粉煤灰的掺入对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响比较大，由于粉煤灰特殊的活性结构，其加入到混凝土中以后会与水泥胶凝材料产生反应，生成新的物质可以有效填充混凝土结构的内部孔隙，使混凝土试件的密实度增大，进而增强其在硫酸盐等盐类物质溶液中的抗侵蚀能力[9-13]。然而调研资料发现，目前针对粉煤灰对引气混凝土抗硫酸盐侵蚀能力方面的研究还比较少。因此，本文以不同强度等级的引气混凝土为研究对象，在硫酸盐干湿循环试验条件下，评价了不同掺量的粉煤灰，对不同强度等级引气混凝土试件质量损失率和抗压强度的影响，为提高盐渍地区混凝土结构的抗硫酸盐侵蚀性能提供一定的技术支持。

1 试验部分

1.1 原材料

试验用水泥（P·O 42.5 普通硅酸盐水泥）的具体物理性能指标见表1；试验用粉煤灰（一级粉煤灰）的具体组成见表2；试验用粗骨料（普通碎石）的粒径范围为5～20 mm，表观密度为2 692 kg/m3；试验用细骨料（普通河砂）的细度模数为2.75，表观密度为2 746 kg/m3；试验用减水剂（高性能聚羧酸型减水剂MNF-1）的减水率为30%；试验用引气剂（粉末状引气剂SY-2）的主要成分为阴离子型表面活性剂；试验用水为自来水。

表1 试验用水泥物理性能指标Table 1 The physical property index of cement for test

表2 试验用粉煤灰组成Table 2 The composition of fly ash for test

1.2 混凝土配合比设计

采用等量的粉煤灰代替水泥，对试验用混凝土的配合比进行了设计。其中C30 混凝土水胶比为0.38，砂率为34%；C35 混凝土水胶比为0.36，砂率为33%；C40 混凝土水胶比为0.34，砂率为32%。不同强度等级的混凝土具体配合比设计结果见表3～表5。

表3 C30 混凝土配合比设计结果Table 3 The C30 concrete mix proportion design results

表4 C35 混凝土配合比设计结果Table 4 The C35 concrete mix proportion design results

表5 C40 混凝土配合比设计结果Table 5 The C40 concrete mix proportion design results

1.3 试验方法

按照国家标准GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“抗硫酸盐侵蚀试验”部分的相关规定，在硫酸盐溶液干湿循环试验环境中，评价了粉煤灰掺量对引气混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响。混凝土试件的尺寸均为40 mm×40 mm×160 mm，养护时间为均为28 d，试验用硫酸盐溶液均为5%Na2SO4溶液，干湿循环试验次数均为150 次。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对不同强度混凝土试件质量损失率的影响

按照1.2 中的配合比设计结果和1.3 中的试验方法，考察了不同粉煤灰掺量时，不同强度等级混凝土经过150 次硫酸盐干湿循环后的质量损失率变化情况，试验结果见图1。

图1 粉煤灰掺量对不同强度等级混凝土质量损失率的影响Fig.1 The influence of fly ash content on the mass loss rate of concrete with different strength grades

由图1 试验结果可以看出，随着粉煤灰掺量的不断增大，不同强度等级的引气混凝土试件经过150 次硫酸盐干湿循环试验后，质量损失率均呈现出“先减小后增大”的趋势，并且引气混凝土试件的强度等级越高，质量损失率相对就越小。强度等级为C30、C35 和C40 的空白引气混凝土试件的质量损失率分别为2.01%、1.84%和1.61%，当掺入20%的粉煤灰后，不同强度等级引气混凝土试件的质量损失率均可以达到最小，质量损失率可分别降低至1.23%、1.16%和1.05%，均明显小于空白混凝土试件，并且混凝土试件的完整性较好。而当粉煤灰的掺量继续增大至40%以后，不同强度等级的引气混凝土试件的质量损失率均又明显升高，强度等级为C30、C35 和C40 的混凝土试件的质量损失率分别为2.54%、2.31%和1.94%，都明显高于空白混凝土试件。综合以上结果，说明粉煤灰的掺入可以有效降低引气混凝土试件在硫酸盐干湿循环试验后的质量损失率，但其添加量并非越大越好，从质量损失率的角度考虑，粉煤灰的最佳掺量为20%。

2.2 粉煤灰掺量对不同强度混凝土试件抗压强度的影响

按照1.2 中配合比设计结果和1.3 中的试验方法，考察了不同粉煤灰掺量时不同强度等级混凝土经过150 次硫酸盐干湿循环后的抗压强度变化情况，试验结果见图2。

图2 粉煤灰掺量对不同强度等级混凝土抗压强度的影响Fig.2 The influence of fly ash content on the compressive strength of concrete with different strength grades

由图2 试验结果可以看出，随着粉煤灰掺量的不断增大，不同强度等级的引气混凝土试件经过150 次硫酸盐干湿循环试验后的抗压强度值均呈现出“先升高后降低”的趋势，并且引气混凝土试件的强度等级越高，抗压强度值相对就越高。强度等级为C30、C35 和C40 的空白混凝土试件经过150 次干湿循环试验后的抗压强度分别降低至32.9 MPa、38.7 MPa 和42.6 MPa，而掺入20%粉煤灰的混凝土试件抗压强度值则可以分别升高至45.8 MPa、50.6 MPa 和61.8 MPa，抗压强度均得到大幅度的提升。继续提高粉煤灰的掺量，不同强度等级的引气混凝土试件抗压强度值又会出现明显下降，当粉煤灰的掺量增大至40%后，强度等级为C30、C35 和C40 的混凝土试件的抗压强度则分别降低至29.4 MPa、37.5 MPa 和42.6 MPa，抗压强度值均低于空白混凝土试件。单独从抗压强度的角度考虑，粉煤灰的最佳掺量同样为20%。

综上所述，在相同的试验条件下，粉煤灰的掺量越大，不同强度等级（C30、C35 和C40）的引气混凝土试件的质量损失率均呈现出“先减小后增大”的趋势，而抗压强度值则均呈现出“先升高后降低”的趋势，存在一个最佳的粉煤灰掺量（20%），使不同强度等级的引气混凝土试件的质量损失率达到最低，而使抗压强度值达到最大。表明粉煤灰的掺入能够有效提高不同强度等级引气混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，但并非粉煤灰的掺量越大越好。这是由于粉煤灰中含有的活性氧化硅和氧化铝等成分可以与水泥中的氢氧化钙等物质发生反应生成含水硅酸钙以及铝酸钙等物质，可以起到降低混凝土中氢氧化钙含量的作用，从而使钙矾石以及石膏等成分的含量有所降低，在盐类物质浸泡过程中可以缓解盐类结晶膨胀；另外，粉煤灰的掺入还能有效降低引气混凝土内部的孔隙率，增大了混凝土试件内部结构的密实度。但当粉煤灰的掺量增大到一定程度时，又会对混凝土内部结构造成一定的破坏，影响混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。因此，综合考虑引气混凝土的抗压强度以及质量损失率等因素，在硫酸盐干湿循环试验条件下，为了最大限度地提高其抗硫酸盐侵蚀的能力，推荐三种不同强度等级（C30、C35 和C40）的引气混凝土中粉煤灰的最佳掺量为20%。

3 结论及建议

（1）粉煤灰的掺入能够有效降低三种不同强度等级引气混凝土试件在硫酸盐干湿循环试验后的质量损失率，粉煤灰的掺量达到20%时，强度等级为C30、C35 和C40 的混凝土试件的质量损失率分别为1.23%、1.16%和1.05%，明显低于空白混凝土试件的2.01%、1.84%和1.61%，而粉煤灰的掺量过大时，又会使混凝土试件的质量损失率增大。

（2）三种不同强度等级的引气混凝土中掺入粉煤灰后均可以有效提高其抗压强度值，经过150 次硫酸盐干湿循环试验后，掺入20%粉煤灰的混凝土试件抗压强度值最大，强度等级为C30、C35 和C40 的混凝土试件的抗压强度分别为45.8 MPa、50.6 MPa 和61.8 MPa，明显高于空白混凝土试件的32.9 MPa、38.7 MPa 和42.6 MPa，而粉煤灰的掺量过大时，又会降低混凝土试件的抗压强度值。

（3）综合分析试验结果，建议在硫酸盐溶液侵蚀条件下可以适当掺入一定量的粉煤灰，但应注意控制粉煤灰的掺量，使其能够最大限度地提高引气混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀能力，确保混凝土结构的使用寿命得到延长。