李方元，唐新軍，胡小虎

(1.新疆維吾爾自治區(qū)水利管理總站，烏魯木齊830000;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052;3.新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000)

硫酸鹽侵蝕是混凝土耐久性重要內(nèi)容之一?；炷猎馐芰蛩猁}侵蝕破壞是我國(guó)西北高寒干旱區(qū)(如新疆)，尤其是鹽堿地地區(qū)普遍存在的混凝土病害問題。混凝土受硫酸鹽侵蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的較為復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，影響和評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的因素也較多，如水泥品種、養(yǎng)護(hù)制度、侵蝕溶液濃度、侵蝕齡期等。目前提高混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕能力的研究對(duì)象主要集中為抗硫水泥混凝土和摻超細(xì)摻合料(如粉煤灰、礦渣微粉等)的高性能混凝土[1]，筆者在前期也開展過硫酸鹽水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的研究[2]，但多數(shù)侵蝕試驗(yàn)時(shí)間偏短，侵蝕的時(shí)間效應(yīng)得不到充分體現(xiàn)，從而對(duì)評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能產(chǎn)生不利影響。本文以實(shí)際工程會(huì)遇到基礎(chǔ)混凝土澆筑完成不久或得不到充分養(yǎng)護(hù)時(shí)就遭受硫酸鹽侵蝕的問題為試驗(yàn)背景，通過以往長(zhǎng)達(dá)2年的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，對(duì)比研究了短齡期養(yǎng)護(hù)條件下硫鋁酸鹽水泥混凝土、粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽性能的差異，希望能為有硫酸鹽侵蝕性能要求的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較為廣泛的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)水泥:烏魯木齊市青松水泥廠產(chǎn)42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥;烏魯木齊市天山水泥廠產(chǎn)42.5級(jí)高抗硫硅酸鹽水泥;唐山六九水泥廠產(chǎn)42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥(各水泥各項(xiàng)物理指標(biāo)見表1，化學(xué)指標(biāo)見表2)。(2)砂:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。(3)粉煤灰:新疆葦湖梁電廠晨科公司產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰(其化學(xué)成分見表2，物理指標(biāo)見表3)。(4)減水劑:FDN高效減水劑。(5)緩凝 劑:分析純硼酸。(6)水:實(shí)驗(yàn)室潔凈的自來水。

表1 水泥各項(xiàng)物理性能指標(biāo)

表2 水泥和粉煤灰化學(xué)成分及熟料礦物成分

表3 Ⅱ級(jí)粉煤灰物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參考GB/T 749－2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》和GB2420－1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)方法》，制配水灰(膠)比均為0.4的硫鋁酸鹽水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱SAC試件)、粉煤灰水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱PFAC試件，有30%摻量粉煤灰試件和60%摻量粉煤灰試件)和高抗硫水泥膠砂試件(簡(jiǎn)稱HSR試件)，試件配合比見表4，尺寸均為10mm×10mm×60mm。將試件浸泡在淡水、硫酸根離子濃度分別為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸鈉溶液中，進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。為模擬一些實(shí)際工程的基礎(chǔ)混凝土澆筑完成不久就遭受硫酸鹽侵蝕的工況，同時(shí)鑒于硫鋁酸鹽水泥混凝土快硬、早強(qiáng)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期僅為3d的特點(diǎn)，選取SAC試件經(jīng)8h帶模養(yǎng)護(hù)后，即刻拆模進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，而抗硫水泥混凝土和粉煤灰高性能混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期為28d的特點(diǎn)，選取HSR試件和PFAC試件拆模養(yǎng)護(hù)3d后即刻進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)。試件經(jīng)浸泡1、2、4、6、8、10、12、18、24月后分別進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，并計(jì)算相應(yīng)的抗折抗蝕系數(shù)K蝕(當(dāng)K蝕≤0.8認(rèn)為試件抗蝕不合格，即試件遭受硫酸鹽侵蝕破壞)見式(1)。

式中K蝕——抗蝕系數(shù);R液——試件浸泡在侵蝕溶液一定齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa;R水——試件浸泡在淡水一定齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度，MPa。

表4 膠砂試件配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各水泥膠砂試件在不同濃度硫酸鹽溶液中的抗蝕系數(shù)K蝕隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系見圖1～圖3。從圖中可以看出隨著侵蝕溶液濃度的增大，以及侵蝕齡期的延長(zhǎng)，抗硫水泥混凝土的抗蝕系數(shù)K蝕逐漸減小，且減小幅度要遠(yuǎn)大于SAC試件和PFAC試件。HSR試件浸泡在硫酸根離子濃度分別為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸鹽溶液中，在侵蝕時(shí)間分別達(dá)到10個(gè)月、6個(gè)月、6個(gè)月時(shí)，抗蝕系數(shù)K蝕降低到0.8以下，即認(rèn)為HSR試件遭到侵蝕破壞。說明高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽溶液侵蝕的能力具有很大的局限性。以往工程界多習(xí)慣認(rèn)為中抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根離子濃度為2500mg/L的硫酸鹽侵蝕，高抗硫水泥混凝土能抵抗硫酸根離子濃度為8000mg/L的硫酸鹽侵蝕，但這種認(rèn)知存在誤區(qū)，忽略了侵蝕時(shí)間效應(yīng)的影響，不利于指導(dǎo)工程實(shí)踐。對(duì)于有弱硫酸鹽侵蝕的混凝土工程可采用抗硫水泥混凝土，但仍需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證抗侵蝕的可靠性。

圖1 浸泡在SO4 2－濃度為2500mg/L溶液中各類型試件抗蝕系數(shù)變化曲線

圖2 浸泡在SO42－濃度為8000mg/L溶液中各類型試件抗蝕系數(shù)變化曲線

圖3 浸泡在SO42－濃度為20250mg/L溶液中各類型試件抗蝕系數(shù)變化曲線

30%PFAC試件浸泡在在硫酸根離子濃度為2500mg/L的硫酸鹽溶液中長(zhǎng)達(dá)24個(gè)月時(shí)抗蝕系數(shù)K蝕仍在 0.9左右;浸泡在在硫酸根離子濃度為8000mg/L硫酸鹽溶液中達(dá)24個(gè)月時(shí)抗蝕系數(shù)K蝕降至0.8，達(dá)到臨界破壞點(diǎn);浸泡在在硫酸根離子濃度為20250mg/L硫酸鹽溶液中達(dá)12個(gè)月時(shí)，抗蝕系數(shù)K蝕將至0.8以下，即認(rèn)為試件遭受侵蝕破壞。從中可以看出相同條件下PFAC試件的長(zhǎng)期抗硫酸鹽侵蝕能力要高于HSR試件，已有研究[3，4]表明這歸因于粉煤灰的微集料填充效應(yīng)、替代作用和二次水化效應(yīng)顯著地改善了混凝土的空隙結(jié)構(gòu)和砂石骨料界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度，同時(shí)減低了化學(xué)侵蝕內(nèi)因的減少。但試驗(yàn)結(jié)果也可以看出隨著侵蝕溶液濃度的增大及侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，30%PFAC試件也在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)遭受侵蝕破壞，說明小摻量的粉煤灰高性能混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力還是有一定的局限性。但60%PFAC試件在各濃度硫酸侵蝕溶液中侵蝕達(dá)到24個(gè)月時(shí)，試件抗抗蝕系數(shù)K蝕仍大于1.0，說明大摻量的粉煤灰高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力得到顯著地改善，可以較好地抵抗高濃度硫酸鹽溶液的長(zhǎng)期侵蝕。但大摻量的粉煤灰也易導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度普遍偏低[5]，不適宜用于有快硬、早強(qiáng)要求的混凝土工程;有弱硫酸鹽侵蝕的混凝土工程可采用小摻量的粉煤灰高性能混凝土，但需通過具體的試驗(yàn)論證。

SAC試件浸泡在在硫酸根離子濃度為2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L硫酸鹽溶液中24個(gè)月時(shí)K蝕均大于1.0。說明硫鋁酸鹽水泥混凝土具有長(zhǎng)期抗硫酸鹽侵蝕的優(yōu)越性能，這主要?dú)w因于其特殊的微膨脹性的水化進(jìn)程使得混凝土具有高密實(shí)度以及化學(xué)侵蝕內(nèi)因的減少[2]。加之硫鋁酸鹽水泥混凝土是一種低燒成溫度、低碳排放的綠色水泥，以及快硬、早強(qiáng)、負(fù)溫工作性能好的特點(diǎn)[6]，使其在我國(guó)西北高寒干旱區(qū)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。建議對(duì)于即有快硬、早強(qiáng)要求，又有較高抗硫酸鹽侵蝕性能要求的混凝土工程優(yōu)先使用硫鋁酸鹽水泥混凝土。

3 結(jié)論

(1)硫鋁酸鹽水泥混凝土和大摻量(60%)粉煤灰高性能混凝土具有長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力，小摻量(30%)粉煤灰高性能混凝土和高抗硫水泥混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕的能力具有局限性。

(2)齡期養(yǎng)護(hù)條件下各種混凝土長(zhǎng)期抵抗高濃度硫酸鹽侵蝕性能的優(yōu)劣順序表現(xiàn)為:硫鋁酸鹽水泥混凝土(SAC混凝土)＞大摻量粉煤灰高性能混凝土(60%PFAC混凝土)＞小摻量粉煤灰高性能混凝土(30%PFAC混凝土)＞高抗硫水泥混凝土(HSR混凝土)。

(3)評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力應(yīng)充分重視侵蝕的時(shí)間效應(yīng)，短時(shí)間段(如6個(gè)月或12個(gè)月)的侵蝕試驗(yàn)并不能充分反映出混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。對(duì)此還應(yīng)開展建立混凝土抗侵蝕能力與混凝土設(shè)計(jì)使用壽命的關(guān)系研究。

[1]韓宇棟，張君，高原混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究評(píng)書[J].混凝土，2011(1):52～55.

[2]李方元，唐新軍，胡全，等.硫鋁酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能[J].混凝土與水泥制品，2012(10):1－6.

[3]梁詠寧，王佳，林旭健.摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響[J].混凝土，2011(2):63 ～65.

[4]李鵬，胡新麗，李雙喜等.粉煤灰高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕研究[J].粉煤灰綜合利用，2006(6):43 －46.

[5]李雙喜，唐新軍，孫兆雄.摻II級(jí)粉煤灰高性能混凝土的力學(xué)性能研究[J].混凝土，2011(4):86～88.

[6]吳兆奇，劉克忠.我國(guó)特種水泥的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1992，20(4):365 －373.