牛建剛，胡偉勛，楊鵬飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，包頭　014010)

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二氧化硫腐蝕對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)研究

牛建剛，胡偉勛，楊鵬飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，包頭014010)

通過研究不同水灰比的普通混凝土、不同摻量的粉煤灰混凝土和不同粗骨料類型混凝土在二氧化硫腐蝕下的質(zhì)量變化率、強(qiáng)度、硫化深度，揭示了混凝土在二氧化硫環(huán)境中的腐蝕規(guī)律。結(jié)果表明：粉煤灰混凝土在抵抗二氧化硫腐蝕方面優(yōu)于普通混凝土，輕骨料混凝土僅僅在減輕硫化深度方面優(yōu)于普通混凝土。

混凝土； 二氧化硫； 腐蝕規(guī)律

1　引　言

由于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，自燃煤和工業(yè)燃煤會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化硫。在大氣中，二氧化硫會(huì)形成酸雨對(duì)建筑物進(jìn)行腐蝕，造成建筑物耐久性降低。國(guó)內(nèi)在這方面已經(jīng)有了相當(dāng)多的研究[1-4]。但由于大氣中的二氧化硫濃度相對(duì)較低，并不能反映出工業(yè)環(huán)境中高濃度二氧化硫?qū)炷恋钠茐那闆r。

文獻(xiàn)[5]指出，長(zhǎng)期暴露于工業(yè)廠區(qū)高濃度二氧化硫環(huán)境中的混凝土建筑物或構(gòu)筑物，會(huì)與二氧化硫氣體發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的腐蝕破壞。方勝喬[6]通過對(duì)金昌冶煉廠調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于生產(chǎn)區(qū)內(nèi)的二氧化硫煙氣和稀硫酸的腐蝕，混凝土柱身與地面接觸處、柱周邊表層混凝土被腐蝕成灰白色的酸泥，形成頸縮狀凹坑，損壞程度比上部結(jié)構(gòu)更嚴(yán)重。通過在鋼鐵廠進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在二氧化硫濃度較高的區(qū)域，混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間受到二氧化硫腐蝕，破壞較為嚴(yán)重，如圖1所示。

目前，有關(guān)工業(yè)環(huán)境中二氧化硫?qū)炷恋母g研究，主要集中在火電廠混凝土煙囪和硫酸廠等方面。唐志永等[7]采用人工加速腐蝕試驗(yàn)方法，研究了電站尾部煙氣中二氧化硫?qū)焽杌炷恋挠绊?；司振朝[8]通過對(duì)南方某電廠升電站混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于二氧化硫、二氧化碳等的侵蝕，該處梁、柱開裂、防護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，需要進(jìn)行修補(bǔ)；李益民[9]通過對(duì)巨化硫酸廠調(diào)查，發(fā)現(xiàn)硫酸廠建筑物因腐蝕嚴(yán)重造成混凝土保護(hù)層剝落，主受力鋼筋變細(xì)或斷裂，以致柱、梁開裂,結(jié)構(gòu)破壞，后雖經(jīng)加固，但已很難維持安全生產(chǎn)。這些研究大多是通過檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的損壞情況，給出合理的修復(fù)意見，并沒有反映出工業(yè)環(huán)境中二氧化硫?qū)炷恋母g規(guī)律。針對(duì)這種情況，本文采用試驗(yàn)室快速硫化試驗(yàn)，來研究普通混凝土、粉煤灰混凝土和輕骨料混凝土在二氧化硫侵蝕下的質(zhì)量變化率、強(qiáng)度、硫化深度，揭示三種混凝土在抵抗二氧化硫腐蝕方面的能力，進(jìn)一步探討混凝土在二氧化硫環(huán)境中的腐蝕規(guī)律。

圖1　二氧化硫環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)破壞情況Fig.1　Damage of concrete structure in sulfur dioxide environment

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

水泥：包鋼綜合企業(yè)(集團(tuán))公司水泥廠生產(chǎn)的“草原牌”P·O42.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料：中砂粒徑小于5mm。普通粗骨料：碎石粒徑5～25mm。骨料堆積密度、細(xì)度模數(shù)、含泥量、表觀密度、級(jí)配等各項(xiàng)性能指標(biāo)合格。粉煤灰：包頭市達(dá)旗電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1　粉煤灰性能指標(biāo)

粉煤灰陶粒：山西文峰有限公司生產(chǎn)的粉煤灰陶粒，主要性能指標(biāo)見表2和表3。

表2　粉煤灰陶粒性能指標(biāo)

表3　粉煤灰陶粒顆粒級(jí)配

2.2混凝土配合比

本試驗(yàn)選用100mm×100mm×100mm的混凝土試塊，參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)、《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T50146-2014)和《輕集料及其試驗(yàn)方法》(GB/T17431.1-2010)等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的內(nèi)容，得到各組混凝土配合比及分組如表4所示。

表4　各組混凝土配合比及分組

2.3試驗(yàn)方法

參照文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[10]中所選取的二氧化硫濃度值，確定本試驗(yàn)二氧化硫濃度為3000ppm，硫化箱溫度(25±1) ℃，濕度80%±1%。試驗(yàn)周期9d，每3d進(jìn)行一次測(cè)試，共進(jìn)行三次試驗(yàn)循環(huán)。放入硫化箱之前，用于硫化深度測(cè)試的試件上下兩個(gè)面用加熱的石蠟密封，防止在硫化過程中，上下兩個(gè)面受到二氧化硫氣體的侵蝕而影響試驗(yàn)結(jié)果。

3　結(jié)果與討論

3.1硫化作用對(duì)混凝土質(zhì)量的影響

3.1.1硫化作用對(duì)普通混凝土質(zhì)量的影響

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對(duì)普通混凝土質(zhì)量的影響。試件在各硫化齡期的質(zhì)量變化率如表5所示。

表5　不同水灰比的普通混凝土質(zhì)量變化率試驗(yàn)結(jié)果

通過表5中的數(shù)據(jù)，繪出不同水灰比的普通混凝土質(zhì)量變化率如圖2所示。

圖2　不同水灰比的普通混凝土的質(zhì)量變化率Fig.2　Quality rate of common concrete in different water cement ratio

由圖2可以看出，3組水灰比的混凝土試塊在腐蝕前期和中期質(zhì)量變化率隨著水灰比增大而增加。在硫化反應(yīng)前期，由于二氧化硫與混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土孔隙中充滿了反應(yīng)生成的化學(xué)產(chǎn)物，混凝土質(zhì)量的增加。在腐蝕后期，各組試塊質(zhì)量變化率均出現(xiàn)降低，水灰比越大，降低幅度越大。到了反應(yīng)后期，反應(yīng)生成的鈣礬石等膨脹性物質(zhì)使得混凝土表層變得疏松，甚至出現(xiàn)剝落，引起混凝土試件質(zhì)量的減小；水灰比越大，混凝土在硬化成型過程中形成的毛細(xì)孔和微小縫隙越多，二氧化硫的擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)過程也越容易，硫化后期質(zhì)量損失越大。

3.1.2硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土質(zhì)量的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土質(zhì)量的影響，并以相同水灰比的普通混凝土質(zhì)量變化率作為參照。試件在各硫化齡期的質(zhì)量變化率如表6所示。

表6　不同摻量粉煤灰混凝土的質(zhì)量變化率試驗(yàn)結(jié)果

通過表6中的數(shù)據(jù)，繪出不同摻量的粉煤灰混凝土質(zhì)量變化率如圖3所示。

由圖3可以看出，粉煤灰混凝土的質(zhì)量變化率小于普通混凝土。摻入粉煤灰后，混凝土中的堿性物質(zhì)含量減少，并且粉煤灰的二次水化反應(yīng)會(huì)消耗一部分Ca(OH)2，進(jìn)一步降低混凝土的堿含量，使得硫化反應(yīng)的劇烈程度減弱，因此粉煤灰混凝土的質(zhì)量變化率較小。在各腐蝕齡期內(nèi)，粉煤灰摻量在10%和20%時(shí)的質(zhì)量變化率波動(dòng)較?。粨搅吭?0%時(shí)，質(zhì)量變化率與普通混凝土類似，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，波動(dòng)較大。隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土的抗硫化儲(chǔ)備逐漸降低，因此摻量為30%時(shí)質(zhì)量變化率波動(dòng)較大。

圖3　不同摻量的粉煤灰混凝土的質(zhì)量變化率Fig.3　Quality rate of fly ash concrete in different dosage

圖4　普通骨料與輕骨料混凝土的質(zhì)量變化率Fig.4　Quality rate of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.1.3硫化作用對(duì)不同粗骨料混凝土質(zhì)量的影響

通過同一水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用下不同粗骨料類型混凝土的質(zhì)量變化規(guī)律。試件在各硫化齡期的質(zhì)量變化率如表7所示。

表7　不同粗骨料類型混凝土的質(zhì)量變化率試驗(yàn)結(jié)果

通過表7中的數(shù)據(jù)，繪出不同粗骨料類型的混凝土質(zhì)量變化率如圖4所示。

由圖4對(duì)比可以看出，輕骨料混凝土的質(zhì)量變化率遠(yuǎn)高于普通混凝土，說明輕骨料混凝土抵抗硫化的能力相對(duì)較差。普通骨料屬于致密材料，在硫化過程中可以在一定程度上阻止二氧化硫的侵入，降低硫化反應(yīng)速度；粉煤灰陶粒屬于多孔材料，二氧化硫能輕易侵入到混凝土內(nèi)部，影響混凝土質(zhì)量。

3.2硫化作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3.2.1硫化作用對(duì)普通混凝土強(qiáng)度的影響

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對(duì)普通混凝土強(qiáng)度的影響。試件在各硫化齡期的強(qiáng)度如表8所示。

表8　不同水灰比的普通混凝土硫化強(qiáng)度

通過表8數(shù)據(jù)，繪出不同水灰比的普通混凝土強(qiáng)度如圖5所示。

由圖5可以看出，3組水灰比的普通混凝土在二氧化硫侵蝕下強(qiáng)度表現(xiàn)為先增長(zhǎng)后降低；各腐蝕齡期內(nèi)，混凝土強(qiáng)度隨著水灰比的增大而降低。在腐蝕前期，混凝土孔隙中充滿了水泥與二氧化硫的水化產(chǎn)物，混凝土結(jié)構(gòu)變得緊密，所以強(qiáng)度會(huì)有所提高。腐蝕中后期，隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生極大的膨脹應(yīng)力，表層混凝土出現(xiàn)剝落，混凝土的強(qiáng)度也開始降低。

圖5　不同水灰比(W/C)的普通混凝土硫化強(qiáng)度變化曲線Fig.5　Change curve of sulfide intensity of ordinary concrete in different water cement ratio(W/C)

圖6　不同摻量(f)的粉煤灰混凝土硫化強(qiáng)度變化曲線Fig.6　Change curve of sulfide intensity of fly ash concrete with different dosage(f)

3.2.2硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并以相同水灰比的普通混凝土強(qiáng)度作為參照。試件在各硫化齡期的強(qiáng)度如表9所示。

表9　不同摻量的粉煤灰混凝土硫化強(qiáng)度

通過表9數(shù)據(jù)，繪出不同摻量的粉煤灰混凝土強(qiáng)度如圖6所示。

由圖6中可以看出，摻粉煤灰的混凝土在硫化早期和中期強(qiáng)度有所提高，在硫化后期強(qiáng)度降低；粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低的時(shí)間比普通混凝土晚。這是由于粉煤灰具有活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)[11]，摻加一定量的粉煤灰，使得混凝土的堿性儲(chǔ)備有所下降，所以硫化反應(yīng)的程度比普通混凝土小。粉煤灰的二次水化會(huì)使混凝土強(qiáng)度有一定的提高，這樣可減輕硫化反應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，使得粉煤灰混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)降低的時(shí)間比普通混凝土晚。

3.2.3硫化作用對(duì)不同粗骨料類型混凝土強(qiáng)度的影響

通過同一種水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用對(duì)不同粗骨料類型混凝土強(qiáng)度的影響。試件在各硫化齡期的強(qiáng)度如表10所示。

表10　不同粗骨料類型的混凝土硫化強(qiáng)度

通過表10數(shù)據(jù)，繪出不同粗骨料類型的混凝土強(qiáng)度如圖7所示。

通過圖7中普通骨料混凝土與輕骨料混凝土強(qiáng)度之間的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，普通骨料混凝土試件強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低，而輕骨料混凝土試件強(qiáng)度則表現(xiàn)為持續(xù)地增長(zhǎng)。輕骨料混凝土硫化后強(qiáng)度比普通骨料混凝土低。普通混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中由于失水收縮會(huì)產(chǎn)生較多的微裂縫，二氧化硫會(huì)通過這些裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。輕骨料混凝土由于制備時(shí)骨料需要預(yù)濕，使得內(nèi)部孔隙會(huì)比較均勻，能夠更好的抵抗二氧化硫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，所以在二氧化硫侵蝕過程中其強(qiáng)度發(fā)展比較緩慢。

圖7　普通骨料與輕骨料混凝土硫化強(qiáng)度變化曲線Fig.7　Change curve of sulfide intensity of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

圖8　不同水灰比(W/C)的混凝土硫化深度Fig.8　Sulfide depth of concrete with different water cement ratio

3.3硫化作用對(duì)混凝土硫化深度的影響

3.3.1普通混凝土硫化深度的研究

用3組不同水灰比的試件，研究硫化作用對(duì)普通混凝土硫化深度的影響。試件在各硫化齡期的硫化深度如表11所示。

表11　不同水灰比的普通混凝土硫化深度

通過表11中的數(shù)據(jù)，繪出不同水灰比的普通混凝土硫化深度如圖8所示。

由圖8可以看出，在腐蝕前期，3組水灰比的混凝土硫化深度差別不大。在腐蝕中后期，硫化深度隨著水灰比的增大而增加。水灰比越大，在混凝土制作過程中越容易留下孔隙，二氧化硫氣體更容易向進(jìn)入混凝土內(nèi)部，所以水灰比越大，硫化深度越大。

3.3.2硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土硫化深度的影響

粉煤灰摻量分別取10%、20%、30%，用來研究硫化作用對(duì)粉煤灰混凝土硫化深度的影響，并以相同水灰比的普通混凝土硫化深度進(jìn)作為參照。試件在不同硫化齡期的硫化深度如表12所示。

表12　不同摻量的粉煤灰混凝土硫化深度

通過表12中的數(shù)據(jù)，繪出不同粉煤灰摻量的混凝土硫化深度如圖9所示。

由圖9可以看出，不同摻量的粉煤灰混凝土硫化深度均比普通混凝土硫化深度小。在腐蝕前期，粉煤灰各摻量的硫化深度曲線與普通混凝土的硫化深度變化曲線基本類似；在腐蝕后期，隨著粉煤灰摻量的增加，硫化深度增長(zhǎng)速度逐漸減小。說明粉煤灰只要摻量在合理的范圍內(nèi)，不但不會(huì)影響混凝土抵抗中性化的效果，相反還會(huì)使混凝土在酸性環(huán)境中表現(xiàn)出更優(yōu)的抗中性化效果[12]。

圖9　不同粉煤灰摻量(f)的混凝土硫化深度Fig.9　Sulfide depth in different fly ash replacement

圖10　普通骨料與輕骨料混凝土硫化深度Fig.10　Sulfide depth of ordinary aggregate concrete and lightweight aggregate concrete

3.3.3硫化作用對(duì)不同粗骨料類型的凝土硫化深度的影響

用同一種水灰比的普通混凝土與輕骨料混凝土試件，研究硫化作用對(duì)不同粗骨料類型混凝土硫化深度的影響。試件在各硫化齡期的硫化深度如表13所示。

表13　不同粗骨料類型的混凝土硫化深度

通過表13中的數(shù)據(jù)，繪出不同粗骨料類型的混凝土硫化深度如圖10所示。

由圖10可以看出，輕骨料混凝土硫化深度在腐蝕前期高于普通混凝土硫化深度，在腐蝕中期與普通混凝土硫化深度持平，在腐蝕后期低于普通混凝土硫化深度。由于輕骨料的孔隙較大，在腐蝕前期二氧化硫進(jìn)入速度較快，使得輕骨料混凝土硫化深度高于普通混凝土硫化深度。隨著反應(yīng)生成的產(chǎn)物不斷填充在混凝土孔隙中，阻止了二氧化硫的繼續(xù)進(jìn)入，使得腐蝕后期的硫化深度比普通混凝土硫化深度低。

4　結(jié)　論

(1)混凝土在硫化后的質(zhì)量變化率先增加后減少，水灰比越大，質(zhì)量變化越明顯。粉煤灰混凝土質(zhì)量變化率小于普通混凝土。輕骨料混凝土的質(zhì)量變化率遠(yuǎn)高于普通混凝土；

(2)普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，并隨著水灰比增大而減?。辉诨炷林袚饺脒m量的粉煤灰，可以提高硫化后混凝土強(qiáng)度。輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線相比普通混凝土更加平穩(wěn)，呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但整體強(qiáng)度低于普通混凝土；

(3)普通混凝土的硫化深度隨著水灰比的增大而增加。摻加粉煤灰的混凝土硫化深度比普通混凝土小，在合理范圍內(nèi)摻量越大，腐蝕后期硫化深度增長(zhǎng)越慢。輕骨料混凝土抗硫化能力小于普通混凝土。

[1] 牛荻濤，周浩爽，牛建剛．承載混凝土酸雨侵蝕中性化試驗(yàn)研究[J]．硅酸鹽通報(bào)，2009，28(3)：411-415．

[2] 姜健，徐惠，唐佚繁．酸雨模擬液侵蝕混凝土的損傷劣化研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2015，34(5)：1407-1411，1416．

[3] 石立安，麻海燕，柯凱．混凝土的抗酸雨腐蝕性及其機(jī)理研究[J]．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36(4)：717-723．

[4] 王凱，張泓源，徐文媛，等．混凝土酸雨侵蝕研究進(jìn)展[J]．硅酸鹽通報(bào)，2014，33(9)：2264-2268．

[5] 王志強(qiáng)，胡忠義．酸雨區(qū)混凝土的耐久性分析與防護(hù)[J]．施工技術(shù)，2005，34：25-34．

[6] 方勝喬．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)處理[J]．工程建設(shè)與設(shè)計(jì)．2000，(5)：39-40．

[7] 唐志永，金保升，仲兆平，等．電站煙囪混凝土SO2腐蝕模擬研究[J]．工業(yè)建筑，2005，(S1)：710-713．

[8] 司振朝．電廠升壓站混凝土構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)防腐[R]．安徽蕭縣：中國(guó)工業(yè)防腐技術(shù)協(xié)會(huì)，2009．

[9] 李益民．硫酸廠建構(gòu)筑物腐蝕的防治[J]．腐蝕與防護(hù)，2002，23(2)：81-83．

[10] 于忠，胡蔚儒．化工大氣環(huán)境中混凝土的腐蝕機(jī)理及性能研究[J]．混凝土，2000，(8)：10-15．

[11]CliftonJR.Predictingtheservicelifeofconcrete[J].ACI Materials Journal,1993,90(6): 611-617.

[12] 胡建勤，管斌均，何慶豐．粉煤灰對(duì)混凝土補(bǔ)償收縮性能的影響[J]．混凝土與水泥制品，2001，(2)：15-17．

ExperimentalInvestigationontheInfluenceofSulfurDioxidetoConcretePerformance

NIU Jian-gang，HU Wei-xun，YANG Peng-fei

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)

Throughresearchthequalityrate,strengthandsulfidedepthunderthecorrosionofsulfurdioxidewithdifferentwatercementratioofordinaryconcrete、differentreplacementofflyashconcreteanddifferentkindsofcoarseaggregateconcrete,thecorrosionlawabouttheconcreteinsulfurdioxideenvironmenthavebeenrevealed.Theresultsshowedthatflyashconcreteisbetterthanordinaryconcreteintermsofcorrosionresistancetosulfurdioxideandlightweightaggregateconcreteisbetterthanordinaryconcreteonlyintheaspectofreducingsulfidedepth.

concrete;sulfurdioxide;corrosionlaw

國(guó)家自然科學(xué)基金(50908112)；內(nèi)蒙古科技大學(xué)青年骨干基金(2014QNGG03)

牛建剛(1976-)，男，工學(xué)博士，教授，碩導(dǎo).主要從事結(jié)構(gòu)可靠度和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0044-08