彭德新

(新疆筑路機(jī)械廠公路工程處，新疆烏魯木齊 830021)

0 前言

混凝土結(jié)構(gòu)長期暴露在自然環(huán)境中會受到各種有害物質(zhì)的侵蝕，尤其在海工混凝土和地下水中有害離子含量大的特殊地區(qū)，混凝土的侵蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重［1］，其中硫酸鹽侵蝕是混凝土發(fā)生病害的主要原因之一［2，3］。硫酸根離子通過混凝土的孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，對混凝土產(chǎn)生侵蝕，使混凝土的強(qiáng)度和耐久性降低。因此，提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力顯得至關(guān)重要，研究表明在混凝土中添加粉煤灰能夠明顯提高混凝土的耐硫酸鹽腐蝕性能［4，5］。本文首先研究了水灰比和粉煤灰摻量對混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響，然后研究了水灰比和硫酸鹽濃度對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響，最后研究了粉煤灰摻量對水泥砂漿受硫酸鹽侵蝕后抗折強(qiáng)度的影響。

1 原材料

水泥選用華新水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，各項指數(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求;細(xì)集料采用普通中砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，含泥量符合相關(guān)要求;粗集料采用花崗巖碎石，細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量符合相關(guān)要求;外加劑選用聚羧酸系減水劑。粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)見表1，混凝土配合比如表2。

表1 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

表2 混凝土配合比 (kg·m－3)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土物理力學(xué)性能

選取水灰比為0.3和0.4，控制粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%，測定不同水灰比，不同粉煤灰摻量下混凝土的坍落度和28 d抗壓強(qiáng)度，研究水灰比和粉煤灰摻量對混凝土物理力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

從圖1可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量相同時，水灰比越大，混凝土的坍落度越大，而抗壓強(qiáng)度越小。這是因?yàn)?，水灰比越大水泥漿體中的自由水越多，水的潤滑作用越顯著，新拌混凝土的流動性越大，因此坍落度越大。水灰比越大，一方面水泥的相對用量越小，水泥的水化作用減弱，使抗壓強(qiáng)度降低;另一方面，水灰比越大，自由水分越多，自由水的蒸發(fā)使混凝土的內(nèi)部出現(xiàn)較多孔隙，降低了混凝土的密實(shí)度，使抗壓強(qiáng)度降低。

圖1 水灰比和粉煤灰摻量對混凝土物理力學(xué)性能的影響

當(dāng)水灰比相同時，隨著粉煤灰用量的增大，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，坍落度和抗壓強(qiáng)度有最大值。這是因?yàn)?，粉煤灰能與水泥的水化產(chǎn)物之間發(fā)生二次水化作用，生成C－S－H凝膠，當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時，二次水化作用生成的C－S－H凝膠填充混凝土內(nèi)部的孔隙中，使自由水含量增大，混凝土密實(shí)度增大，表現(xiàn)為坍落度和抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增大而增大;而當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時，由于粉煤灰有較大的比表面積，會吸收新拌混凝土中的自由水，摻量越大吸水量越多，混凝土拌合物中的自由水越少，水泥的水化作用減弱，使坍落度和抗壓強(qiáng)度降低，另外，未參與二次水化的粉煤灰分散在混凝土中形成許多薄弱界面，在外力作用下薄弱界面處首先發(fā)生破壞，使抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 不同水灰比下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能

選水灰比為0.3和0.4，硫酸鹽濃度控制為0、2.5、4和10 g/L，分別測定不同水灰比不同濃度的硫酸鹽侵蝕下水泥砂漿28 d的抗折強(qiáng)度，研究水灰比和硫酸鹽濃度對水泥砂漿強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖2 水灰比和硫酸鹽濃度對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，當(dāng)硫酸鹽濃度相同時，水灰比越小，經(jīng)硫酸鹽侵蝕后水泥砂漿的抗折強(qiáng)度越大。這是因?yàn)?，水灰比越大，新拌水泥砂漿中的自由水量越大，在砂漿凝結(jié)硬化過程中自由水蒸發(fā)使砂漿內(nèi)部的孔隙增多，密實(shí)度降低，在硫酸鹽環(huán)境中腐蝕性溶液更容易進(jìn)入砂漿內(nèi)部，對砂漿形成較大的侵蝕作用，使抗折強(qiáng)度降低。

當(dāng)水灰比相同時，隨硫酸鹽濃度的增大，侵蝕后水泥砂漿的抗折強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)?，水泥石水化的主要產(chǎn)物是氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠，其中氫氧化鈣的含量最大，氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠是水泥基材料獲得強(qiáng)度的關(guān)鍵。當(dāng)水泥砂漿經(jīng)受硫酸鹽介質(zhì)侵蝕時，水泥石中的氫氧化鈣會與酸發(fā)生中和反應(yīng)，使氫氧化鈣晶體溶解，水泥石孔隙率增大，使抗折強(qiáng)度降低;另外氫氧化鈣與硫酸根離子反應(yīng)生成硫酸鈣，硫酸鈣再與凝膠體系中的鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，造成水泥砂漿基體膨脹，使抗折強(qiáng)度降低。其中硫酸鹽濃度越大，對水泥石的侵蝕越強(qiáng)，水泥石強(qiáng)度越低。

2.3 粉煤灰摻量對水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

選定水灰比為3.0%，硫酸鹽濃度為4.0 g/L，測定不同粉煤灰摻量(0%、10%、20%和30%)下水泥砂漿的28 d抗折強(qiáng)度，研究粉煤灰摻量對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 粉煤灰摻量對水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，在水泥砂漿中摻加粉煤灰使水泥砂漿受硫酸鹽侵蝕后的抗折強(qiáng)度大幅增加，粉煤灰摻量越大，抗折強(qiáng)度越大。這是因?yàn)椋蛩猁}對水泥砂漿土的侵蝕主要有兩方面的危害:一是腐蝕性成分通過孔隙進(jìn)入水泥砂漿內(nèi)部，造成水泥砂漿體積膨脹，滲透性增加，使水泥石開裂;二是侵蝕性介質(zhì)侵蝕水泥石的粘聚性，造成水泥石質(zhì)量與強(qiáng)度的損失。摻加粉煤灰一方面，可以減少用水量，降低水泥砂漿的孔隙率，而且粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物之間能進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成物填充在砂漿內(nèi)部的孔隙中，使砂漿的密實(shí)度增大;另一方面，增大粉煤灰摻量能降低水泥砂漿中的游離氫氧化鈣的含量，阻礙了鈣礬石的生成，砂漿的體積膨脹減弱，因此抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增大逐漸增大。

3 結(jié)論

1)當(dāng)粉煤灰摻量一定時，水灰比越大，混凝土的坍落度越大而抗壓強(qiáng)度越小;當(dāng)水灰比一定時，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度都呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，坍落度和抗壓強(qiáng)度最大。

2)當(dāng)硫酸鹽濃度保持不變時，水灰比越大，水泥砂漿的抗折強(qiáng)度越低;保持水灰比不變，水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨硫酸鹽濃度的增大逐漸減小。

3)在水泥砂漿中添加粉煤灰能大幅提高砂漿受硫酸鹽侵蝕后的抗折強(qiáng)度，粉煤灰摻量越大，砂漿受硫酸鹽侵蝕后的抗折強(qiáng)度越大。

［1］覃立香，胡曙光，馬保國.粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，1997(5):15－18.

［2］梁永寧，袁迎曙.硫酸鹽侵蝕環(huán)境因素對混凝土性能退化的影響［J］. 中國匡礦業(yè)學(xué)學(xué)報，2005，34(4):452－457.

［3］石 亮，吳 燁，劉建忠，等.硫酸與硫酸鹽共同作用對混凝土性能的影響［J］.新型建筑材料，2013(1):1－5.

［4］李小雷.摻和料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響［J］.新型建筑材料，2002(4):9－10.

［5］賀行洋，馬保國，陳益民.礦物外加劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究［J］.混凝土，2003(4):8－10.