蔗渣灰掺量对水泥混凝土耐久性能的影响研究

姚宏霖 杜洪良

摘要：文章以蔗渣灰掺量为控制变量，开展C30、C40和C50蔗渣灰混凝土的渗透高度、抗冻性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸盐侵蚀性能试验，研究蔗渣灰掺量对水泥混凝土耐久性能的影响。结果表明：适量的蔗渣灰掺入可提升混凝土的抗渗性、抗冻性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能，掺量过高则反之，建议掺量控制在10%；相同蔗渣灰掺量下，混凝土的强度等级越高，混凝土的抗渗性、抗冻性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能越好。

关键词：蔗渣灰；混凝土；耐久性；抗冻性；耐磨性

中图分类号：U416.03   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0067-08

0 引言

甘蔗盛产于我国南方地区，同时也是我国制糖工业中的主要原材料之一，在甘蔗制糖过程中会产生大量蔗渣，为了充分利用蔗渣的能量，大部分制糖厂会燃烧蔗渣提供制糖过程中的热能，若直接排放燃烧产生的蔗渣灰，必然会引起空气、土体和水源的污染，因此蔗渣灰的回收利用对环境保护而言非常重要。

当前，混凝土的主要掺合料有粉煤灰、矿渣、硅灰等，蔗渣灰作为掺合料在混凝土中的应用仍然处于起步阶段。韦京利等［1］研究了不同蔗渣灰掺量、不同水胶比双因素作用下的混凝土强度变化规律，表明蔗渣灰具备一定的火山灰活性，混凝土强度随蔗渣灰掺量的增加呈现出先增大后较低的规律，蔗渣灰的最佳掺量宜控制为5%～25%。熊伟等［2］的研究表明：当蔗渣灰掺量＜30%时，蔗渣灰掺量对混凝土流动性影响不大，而混凝土强度随蔗渣灰掺量增加呈现出先增大后减小的规律，最佳掺量为10%。连锦康［3］的研究表明：随着蔗渣灰掺量增加，超高性能混凝土的电阻率呈现出先增大后降低的规律，其抗折、抗拉强度同样呈现相似的规律。

综上所述，目前已有部分关于蔗渣灰混凝土流动性和强度的研究，然而鲜有关于蔗渣灰掺量对混凝土耐久性能的研究，混凝土的耐久性能对混凝土的服役寿命、服役期间的安全性能和全周期成本控制十分重要，因此有必要开展蔗渣灰掺量对水泥混凝土耐久性能的影响研究。

1 原材料及试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥，不溶物含量为0.50%，烧失量为1.2%，SO3含量为2.3%，MgO含量为3.2%，比表面积为341 m2/kg，表观密度为3 189 kg/m3，水泥的矿料组成如表1所示。

蔗渣灰：将取自制糖厂的蔗渣灰充分煅烧、筛分后得到，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，比表面积为574 m2/kg。

减水剂：高性能减水剂，含固量为18.84%，碱含量为0.41%，硫酸钠含量为1.08%，氯离子含量为0.026%，减水率为27%，饱和掺量为1.0%。

粗骨料：石灰岩碎石，按两档料进行筛分，粒径分别为5～10 mm和10～20 mm。

细骨料：精品机制砂，细度模数为2.93，石粉含量为3.0%，含泥量为0.21%，亚甲蓝值为0.5。

1.2 混凝土配合比设计

现根据质量法对蔗渣灰混凝土进行配合比设计，共设计强度等级分别为C30、C40和C50的3组混凝土，每组混凝土中蔗渣灰的掺量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%和30%，5～10 mm和10～20 mm的粗骨料质量比为3∶7，减水剂掺量控制为水泥和蔗渣灰质量和的1%，混凝土的配合比参数如下页表2所示。

1.3 试验方法

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020）（以下简称《试验规程》）中T0551-2020规定的方法进行称料、拌和、装模、密实成型和标准养生，耐久性指标按照如下所示的方法进行测试。

（1）抗渗性：按《试验规程》中0569-2005规定的方法对混凝土试块进行渗透试验，测试混凝土的渗透高度。

（2）抗冻性：按《试验规程》中0565-2005规定的方法对试件进行250次冻融循环，计算相对动弹模量、质量变化率。

（3）耐磨性：按《试验规程》中0567-2005规定的方法进行打磨，分别记录混凝土的初始质量和磨损后的质量，计算单位面积磨损量。

（4）抗炭化：按《试验规程》中0581-2020规定的方法进行炭化试验，计算混凝土28 d炭化深度平均值。

（5）抗硫酸盐侵蚀：按《试验规程》中0582-2020规定的方法进行试验，进行90次干湿循环，分别测试混凝土经硫酸盐侵蚀和同龄期未经硫酸盐侵蚀的混凝土强度，计算混凝土的抗压强度耐蚀系数。

2 结果与讨论

2.1 抗渗性

如图1所示为不同蔗渣灰掺量下的混凝土渗透高度变化情况曲线，混凝土的渗透高度随蔗渣灰掺量增加呈现出先减小后增大的趋势，当蔗渣灰掺量为15%时，C30、C40和C50混凝土的渗透高度均达到最小值，分别为17.1 mm、10.9 mm和7.9 mm；当蔗渣灰掺量为30%时，C30、C40和C50混凝土的渗透高度最大，分别为53.2 mm、36.4 mm和31.3 mm。

混凝土的抗渗性能和混凝土的内部孔隙结构相关，蔗渣灰在混凝土中起到火山灰效应和晶核效应的作用［4］。（1）蔗渣灰中富含SiO2和Al2O3，SiO2和Al2O3均可以和水泥水化产生的Ca（OH）2发生二次水化反应，其中SiO2和Ca（OH）2反应生成C-S-H凝胶，Al2O3和Ca（OH）2反应生成水化硫铝酸钙，提高混凝土的密实性，火山灰反应会降低混合料中Ca（OH）2含量，从而促进水泥水化反应的进行，提高水泥的水化程度，减少了混凝土内部连通孔隙和封闭孔隙的尺寸和数量；（2）蔗渣灰尺寸较小，为固体结构，水泥水化产生的C-S-H凝胶和水化硫铝酸钙会被吸附到蔗渣灰颗粒表面，即晶核效应，随着水泥水化程度的增大，以蔗渣灰颗粒为中心晶核体积不断增大，最终占据或切断连通孔隙，提升混凝土的密实程度。另外，蔗渣灰比表面积为574 m2/kg，而水泥为341 m2/kg，蔗渣灰比表面高于水泥，掺入适量的蔗渣灰可以填充水泥颗粒之间的空隙，可以减少用于填充水泥颗粒之间空隙的用水量，使固体颗粒之间的水膜厚度增加，改善新拌混凝土的流动性，增强了混凝土拌和物的易密性，从而降低硬化混凝土的孔隙数量。基于以上原因，当蔗渣灰掺量＜15%时，混凝土的渗透高度随蔗渣灰掺量增加而减小。

当蔗渣灰掺量较高时，胶凝材料体系的C3S、C2S、C3A和C4AF含量较低，最终水化生成的C-S-H凝胶、水化硅酸三钙等较少，最终水泥混凝土的密实程度降低；另外，蔗渣灰比表面积较小，拌和时需要吸收较多水分，因此当蔗渣灰掺量较高时，混凝土的流动性较差，从而影响混凝土成型后密实程度，形成较多的孔隙结构。基于以上原因，当蔗渣灰掺量＞15%时，混凝土的抗渗性能随着蔗渣灰掺量增加而不断减弱。

强度等级较高的混凝土水胶比较高，水泥水化产生的C-S-H凝胶、水化硅酸三钙等水化物较多，最终硬化混凝土的开口孔隙和闭口孔隙的数量均较少，因此在相同蔗渣灰掺量下，混凝土的强度等级越高则抗渗性能越好。

2.2 抗冻性

如图2所示为混凝土经250次冻融循环后的质量损失率，当蔗渣灰掺量＜15%时，混凝土冻融循环后的质量损失率随蔗渣灰掺量增加呈现出递减的规律，说明混凝土的抗冻性能增强。当蔗渣灰掺量＞15%时，混凝土的质量损失率随蔗渣灰掺量的增加呈现出递增的规律。当蔗渣灰掺量为15%时，C30、C40和C50混凝土冻融后的质量损失率分别为0.70%、0.44%和0.28%，此时混凝土的质量损失率最小；当蔗渣灰掺量达30%，C30、C40和C50混凝土冻融后的质量损失率分别为2.14%、1.77%和1.28%，蔗渣灰掺量为30%的C30、C40和C50混凝土冻融循环后的质量损失率相较于不掺蔗渣灰的混凝土分别高出46%、60%和67%。相同蔗渣灰掺量的蔗渣灰混凝土，混凝土的强度等级越高，混凝土经冻融循环后的质量损失率越低。

图3所示为混凝土经250次冻融循环后的相对动弹模量，C30、C40和C50混凝土的相对动弹模量随蔗渣灰掺量的增加均呈现出先增大后减小的趋势；当蔗渣灰掺量为10%时，C40和C50混凝土的相对动弹模量最大，分别为97.4%和98.2%；当蔗渣灰掺量为20%，C30混凝土的相对动弹模量最大，为98.25%。相同蔗渣灰掺量下混凝土的强度等级越高，混凝土的相对动弹模量越大。

混凝土内部存在部分孔隙，在渗透压的作用下水分会沿着混凝土侵入混凝土内部，侵入的水分在低温的作用下凝固膨胀，导致混凝土内部结构损伤和强度衰减，凝固的水融化后造成混凝土溶蚀破坏，造成混凝土质量损失和动弹模量衰减。混凝土的抗冻性能和混凝土的孔隙结构密切相关，混凝土内部的连通孔隙数量越少或大孔隙数量越少，混凝土的抗冻性能越好。由前文可知，适量的蔗渣灰在混凝土中起到火山灰效应、晶核效应和填充作用，因此适量的蔗渣灰可改善混凝土的孔隙结构，降低混凝土的孔隙尺寸和数量，此时混凝土在冻融循环时侵入混凝土内部的水分较少，混凝土经冻融循环后的质量损失率较小且相对动弹模量较高。当蔗渣灰掺量较高时，蔗渣灰不具备改善硬化混凝土孔隙结构的作用，因此随着蔗渣灰掺量增加，混凝土经冻融循环后的质量损失率增加，相对动弹模量减小。

2.3 耐磨性

如图4所示为不同蔗渣灰掺量下的混凝土磨损量，当蔗渣灰掺量＜20%时蔗渣灰掺量对混凝土磨损量的影响并不明显，当蔗渣灰掺量＞20%时混凝土磨损量随蔗渣灰掺量的增加呈现出递增的规律。当蔗渣灰掺量为30%时，C30、C40和C50混凝土的磨损量分别为3.72%、3.36%和2.01%，相较于不掺蔗渣灰的混凝土，磨损量分别高出14%、15%和21%。

硬化水泥混凝土可视作由骨料、界面过渡区及硬化水泥浆组成的固体材料，当集料相同时，混凝土的抗磨性和界面过渡区、硬化水泥浆的强度相关。（1）掺入适量的蔗渣灰可以与Ca（OH）2进行二次反应，提升水泥的水化程度，界面过渡区的Ca（OH）2是混凝土的薄弱环节，因此掺入蔗渣灰可改善界面过渡区的强度，对增强混凝土的抗磨性具有积极作用；（2）蔗渣灰掺入后减少了水泥的用量，导致水泥水化物的数量减少，会对混凝土的抗磨性产生不利影响。综合以上两点原因，当蔗渣灰掺量较低时，蔗渣灰掺量对混凝土的抗磨性影响不大。当蔗渣灰掺量＞20%时，水泥用量较低，水化产物的数量较低，硬化水泥浆和界面过渡区的强度下降，导致混凝土的抗磨性能减弱。

当蔗渣灰掺量相同时，混凝土的强度等级越高，界面过渡区和硬化水泥浆的强度越大，因此抗磨性能越好。

2.4 抗炭化性能

如图5所示为不同蔗渣灰掺量下的混凝土炭化深度变化情况曲线，由图可知，在28 d的炭化龄期内，C40和C50混凝土几乎没有炭化，当蔗渣灰掺量＜20%时，C50混凝土的炭化深度为0，当蔗渣灰掺量＞20%，C50混凝土的炭化深度＜2 mm，C40混凝土的28 d的炭化深度同样＜2 mm。C30混凝土的28 d炭化深度随蔗渣灰掺量的增加呈现出先减小后增大的趋势，当蔗渣灰掺量为15%时，C30混凝土的炭化深度最小，为5.0 mm；当蔗渣灰掺量为0时，C30混凝土的炭化深度为10.1 mm；当蔗渣灰掺量为30%时，C30混凝土的炭化深度为14.8 mm。

当CO2侵入硬化混凝土的孔隙内部后，CO2溶于孔隙溶液形成碳酸，碳酸会与Ca（OH）2、C-H-S发生中和反应，从而降低混凝土的pH值，当pH下降到一定值后，碳酸可与混凝土内部的钢筋发生反应，导致钢筋锈蚀膨胀，对钢筋混凝土结构的安全造成威胁。由前文可知，当混凝土中掺入适量蔗渣灰时，因蔗渣灰在混合料体系中可以发挥晶核效应、火山灰效应和填充作用，从而减少连通孔隙的数量并减小孔隙的尺寸，限制CO2侵入混凝土，因此当蔗渣灰掺量为15%时，C30混凝土的炭化深度随蔗渣灰掺量的增大呈现出递减的规律。当蔗渣灰掺量较高时，因体系的水化物数量较少，导致混凝土的炭化程度增加。

强度等级越高的混凝土水胶比越大，水化完成后孔隙率越低，同时有害孔隙的数量也较少，因此轻度越高的混凝土抗炭化性能越强，本研究中的C40和C50混凝土在28 d的炭化龄期内几乎没有炭化。

2.5 抗硫酸盐侵蚀

如图6～8所示分别为混凝土经硫酸盐侵蚀前后的抗压强度变化曲线，由图可知，当混凝土未经硫酸盐侵蚀过时，混凝土的抗压强度随蔗渣灰掺量的增加呈现出先增大后降低的趋势，当蔗渣灰掺量为10%时，C30、C40和C50混凝土的强度均达到最大值，分别为43.8 MPa、58.7 MPa和68.3 MPa；混凝土经硫酸盐侵蚀后，抗压强度出现较大幅度的衰减，混凝土强度随蔗渣灰掺量增加仍然呈现出先递增后递减的趋势。

如后页图9所示为不同蔗渣灰掺量下的混凝土抗压强度耐蚀系数变化曲线，由图可知，当蔗渣灰掺量＜10%时，混凝土的抗压强度耐蚀系数随蔗渣灰掺量增加呈现出递增的趋势，当蔗渣灰掺量≥10%时，混凝土抗压强度耐蚀系数随蔗渣灰掺量增加呈现出递减的趋势。当蔗渣灰掺量为10%时，C30、C40和C50的耐蚀系数分别为82.3%、84.6%和87.8%。相同的蔗渣灰掺量下，混凝土的强度等级越高，混凝土的抗压强度耐蚀系数越大。

当硫酸盐侵入至混凝土内部后，与水泥水化产物反应生成钙钒石，不断消耗C-H-S等水化产物，同时产生膨胀应力，随着反应的持续进行，当膨胀应力积累至一定量时，混凝土内部会产生裂隙并出现剥落问题，此时混凝土会出现质量损失和强度衰减的现象［5］。混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能也和混凝土内部的孔隙结构密切相关，适当掺量的蔗渣灰可改善混凝土的孔隙结构、降低混凝土的孔隙率，对提升混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能具有积极的意义；高掺量的蔗渣灰会劣化混凝土的孔隙，为硫酸盐的蚀入提供了通道，对混凝土的耐久性能造成不利影响。

3 结语

（1）适量蔗渣灰的掺入可提升混凝土的抗渗性、抗冻性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能，掺量过高则反之，因此建议蔗渣灰掺量为10%。

（2）相同蔗渣灰掺量下，混凝土的强度等级越高，混凝土的抗渗性、抗冻性、耐磨性、抗炭化性能和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能越好。

参考文献

［1］韦京利，李舒阳，钟福文，等.生物质灰混凝土抗压强度的多因素计算模型［J］.混凝土，2021（9）：63-68，72.

［2］熊 伟，王四青，李 文，等.甘蔗渣灰对混凝土和易性及强度的影响［J］.江西建材，2023（4）：24-25，28.

［3］连锦康.碳纳米管超高性能混凝土的拉伸自感知性能研究［D］.福州：福建农林大学，2022.

［4］ZULQAR NAIN M，KASILINGAM S.Influence of rice husk ash and bagasse ash on durability of concrete［J］.Materials Today：Proceedings，2023（93）：71-78.

［5］覃珊珊.硫酸盐侵蚀混凝土劣化模型及耐久性失效研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022.

作者简介：姚宏霖（1988—），工程师，主要从事道路工程研究工作。