肖杰　屈文俊　朱鵬

摘要：為比較不同粗細(xì)骨料組合對混凝土耐硫酸腐蝕性能的影響，對水灰比為0.45、尺寸為100×200的4種骨料組合（青石+黃砂，青石+大理砂，大理石+黃砂，大理石+大理砂）混凝土試件進(jìn)行耐硫酸加速腐蝕試驗。將混凝土試件浸泡于pH值為0.95左右的硫酸溶液中進(jìn)行為期194 d的12次跟蹤監(jiān)測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)計算得到了混凝土的腐蝕深度，按線性方程斜率從大到小對4種骨料組合混凝土硫酸腐蝕速率進(jìn)行了排序。結(jié)果表明：含有大理石或大理砂骨料的混凝土比含青石和黃砂骨料的混凝土耐硫酸腐蝕性能高；腐蝕層受擾動情況下，腐蝕深度與腐蝕時間呈線性關(guān)系；大理石細(xì)骨料比大理石粗骨料更有利于減小腐蝕深度。

關(guān)鍵詞：鈣質(zhì)骨料；硅質(zhì)骨料；硫酸腐蝕；混凝土；腐蝕深度

中圖分類號：TU528.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to compare the impact of fine and coarse aggregates on concrete sulfuric acid resistance， accelerated corrosion experiment was conducted with four types of aggregate concretes composed of coarse and fine aggregates （gravel and river sand， gravel and marble sand， marble stone and river sand， marble stone and marble sand） and same water cement ratio of 0.45 and 100×200. The concrete specimens were kept in sulfuric acid solution with pH value range around 0.95， and 12 times continuous monitoring tests were carried in 194 d. The corrosion depth was calculated based on the monitoring data. The corrosion rates of the four types of concretes were sorted in descending by the slope. The results show that concrete with marble aggregates rich in calcium carbonate has better performance in sulfuric acid solution than that with inert aggregates （gravel and river sand）.Corrosion depth is linear with corrosion time when concrete sulfuric acid corrosion layer is interrupted. Moreover， the marble fine aggregate plays more important role on reducing concrete sulfuric acid corrosion depth than marble coarse aggregate.

Key words： calcareous aggregate； siliceous aggregate； sulfuric acid attack； concrete； corrosion depth

0引言

由于混凝土呈堿性，所以在酸性環(huán)境中容易受到侵蝕，其具有的良好耐久性也將受到很大的削弱。在城市和工業(yè)生產(chǎn)區(qū)，酸性環(huán)境普遍存在。環(huán)境中分布最廣泛的酸是硫酸。酸雨[1]、硫鐵礦山廢水[2]中主要含有硫酸。污水管道的生活污水中富含蛋白質(zhì)等有機物，在細(xì)菌的作用下，其中的含硫物質(zhì)將轉(zhuǎn)化為硫酸，最不利的情況下，混凝土表面的pH值能降低到1[3]。據(jù)報道在美國每年對酸腐蝕污水管道進(jìn)行維修的費用達(dá)到250億美元，甚至比每年建造新污水管道的預(yù)算費用210億美元還要高[4]。因此混凝土耐酸腐蝕研究日益受到重視。Zivica[5]提出了在酸性環(huán)境下表征混凝土或砂漿性能的4類指標(biāo)參數(shù)，其中腐蝕深度對于確定腐蝕環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的腐蝕裕量和保護(hù)層厚度有著重要意義。目前對混凝土耐硫酸腐蝕的研究主要集中在水泥品種、摻和料（粉煤灰、硅粉、礦粉）等對混凝土耐硫酸腐蝕的影響[67]?？紤]到混凝土中骨料占到總質(zhì)量的65%～80%，因此有必要從骨料的角度來研究混凝土的耐硫酸腐蝕問題。骨料按化學(xué)成分可分為易與酸反應(yīng)的鈣質(zhì)骨料和不易與酸反應(yīng)的硅質(zhì)骨料兩類[8]。對于酸性環(huán)境中骨料成分選擇的問題還存在爭議。主張采用耐酸硅質(zhì)骨料的學(xué)者們[9]認(rèn)為，如果骨料不耐酸，會先受到腐蝕破壞，將加速混凝土的腐蝕過程，而有的學(xué)者持有不同的觀點。Hughes等[8]發(fā)現(xiàn)含鈣質(zhì)骨料的混凝土經(jīng)硫酸腐蝕后表面比較平滑，而含硅質(zhì)骨料的混凝土經(jīng)硫酸腐蝕后表面凹凸不平；含有鈣質(zhì)粗骨料和硅質(zhì)細(xì)骨料的混凝土立方體的質(zhì)量損失要小于含有鈣質(zhì)粗骨料和細(xì)骨料的混凝土，但其研究中沒有進(jìn)行腐蝕深度的測量，且只進(jìn)行了3種骨料組合的混凝土耐酸性研究，沒有研究含硅質(zhì)粗骨料和鈣質(zhì)細(xì)骨料組合的混凝土。De Belie等[10]發(fā)現(xiàn)骨料的成分對混凝土耐硫酸腐蝕影響最大，含鈣質(zhì)骨料的混凝土在硫酸環(huán)境中的腐蝕深度要小于硅質(zhì)骨料的混凝土，但其研究中只考慮了2種骨料組合的混凝土試件。Chang等[11]在試驗中用鈣質(zhì)粗骨料摻入7%硅粉和33%粉煤灰澆注的混凝土在1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硫酸溶液中表現(xiàn)出良好的耐酸性能，然而其混凝土中只采用了硅質(zhì)的河砂做細(xì)骨料?；谏鲜隹芍蟛糠謱W(xué)者認(rèn)為鈣質(zhì)骨料能夠提高酸性環(huán)境下混凝土的耐久性。然而混凝土中包含粗骨料和細(xì)骨料，兩者對混凝土耐硫酸腐蝕性能影響的主次順序沒有明確的結(jié)論。為此，本文進(jìn)行了4種骨料組合（青石+黃砂，青石+大理砂，大理石+黃砂，大理石+大理砂）的混凝土硫酸加速腐蝕試驗，對這4種骨料組合的12個混凝土試件進(jìn)行了為期194 d的12次跟蹤監(jiān)測，通過計算得到了腐蝕深度，以期確定粗細(xì)骨料對混凝土耐硫酸腐蝕影響的主次順序，優(yōu)選出腐蝕深度最小的骨料組合。

1試驗研究

1.1原材料

水泥取亞東洋房牌P.Ⅱ52.5R水泥，滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）各項性能指標(biāo)的要求。硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%，密度為1.84 g·cm-3。青石和黃砂是實際工程中混凝土樁的常用原材料，來源于蘇州三和管樁有限公司，該青石產(chǎn)于浙江省湖州市，屬于安山巖，顏色呈灰青色，故稱其為青石。大理巖購于上海某石材市場。通過X射線熒光光譜法（XRF）對骨料進(jìn)行了化學(xué)成分含量測定，其結(jié)果見表1。從表1可以看出，大理石的氧化鈣和三氧化碳含量較高，屬于鈣質(zhì)骨料。通常黃砂中富含二氧化硅[12]，青石中二氧化硅的含量較高，所以青石和黃砂屬于硅質(zhì)骨料。根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）規(guī)定的方法和要求，對青石和黃砂進(jìn)行了篩分，青石為5～25 mm連續(xù)級配碎石，篩分結(jié)果見表2。黃砂屬于Ⅱ區(qū)砂，細(xì)度模數(shù)為2.61，篩分結(jié)果見表3。

大理石和大理砂是將一整塊大理巖天然荒料（體積約為1 m3）切割成20 cm厚的板材，接著人工敲碎成小塊后，用顎式破碎機進(jìn)行破碎。用標(biāo)準(zhǔn)篩和振篩機對破碎后的石子進(jìn)行篩分。篩分得到9種粒徑的骨料裝入編織袋中備用。

1.2試驗配合比及試件成型與養(yǎng)護(hù)

配合比設(shè)計按照等體積法，水灰比選用0.45，混凝土的設(shè)計強度等級為C45。測定了粗細(xì)骨料的表觀密度，青石為2 644 kg·m-3，黃砂為2 540 kg·m-3，大理石為2 575 kg·m-3，大理砂為2 630 kg·m-3。4種骨料組合的配合比見表4。為得到較好的坍落度，采用聚羧酸高性能減水劑，加入量為水泥質(zhì)量的0.6%。本文4種骨料組合表示為：C1F1（青石+黃砂），C1F2（青石+大理砂），C2F1（大理石+黃砂），C2F2（大理石+大理砂）。

盡管圓柱體試件和棱柱體試件均可用于混凝土硫酸腐蝕試驗，但由于棱柱體試件的角部腐蝕比側(cè)面腐蝕嚴(yán)重，存在不均勻腐蝕的情況，本文選用圓柱體試件。采用60型強制式單臥軸混凝土攪拌機拌制，機械振搗，100×200的圓柱體鋼模澆筑成型后靜置1 d，編號、拆模、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗。

1.3浸泡腐蝕

采用全浸泡法進(jìn)行混凝土硫酸腐蝕試驗。每種骨料組合3個試件，共12個，分2層，擺放在如圖1所示的圓塑料桶中，液面高出試件頂面50 mm。圓柱體兩端涂蠟，僅圓柱體側(cè)面受到腐蝕。每天用雷磁PHB4數(shù)顯pH計測定溶液的pH值，然后用濃硫酸補充酸溶液至初始濃度。為了在較短的時間內(nèi)觀察到化學(xué)腐蝕的各個階段，選擇在實驗室中進(jìn)行加大溶液濃度的方法進(jìn)行加速腐蝕試驗，參考前人試驗[11]中采用的pH值，本試驗中腐蝕溶液pH≈0.95（如浸泡前期，加酸前溶液pH=0.97，加酸后pH值降為0.93，第二天又升至0.97，浸泡后期pH值波動變?。?，每個月更換一次溶液。

3結(jié)語

（1）對鈣質(zhì)骨料中的碳酸鈣和混凝土中主要堿性成分與硫酸的4個化學(xué)反應(yīng)式進(jìn)行熱力學(xué)過程計算，得到了這些反應(yīng)式的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化和平衡常數(shù)，結(jié)果表明：混凝土中的堿性成分容易與硫酸反應(yīng)；鈣質(zhì)骨料中的碳酸鈣能夠與硫酸自發(fā)發(fā)生中和反應(yīng)，幫助水泥漿消耗部分硫酸，提高混凝土耐硫酸腐蝕能力。

（2）腐蝕層擾動的情況下，混凝土硫酸腐蝕深度與腐蝕時間具有良好的線性關(guān)系，其線性方程的斜率表示腐蝕速率，依據(jù)斜率大小，4種骨料組合的混凝土硫酸腐蝕速率由大到小依次為：C1F1，C2F1，C1F2，C2F2。

（3）通過極差分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)骨料對腐蝕深度的影響要大于粗骨料，即大理砂比大理石更有利于減小混凝土的腐蝕深度。這主要是由于大理砂的比表面積比大于大理石。

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