祝苗苗， 劉世明，， 任治國(guó)， 趙順波

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045； 2.株洲中鐵電氣物資有限公司，湖南 株洲 412001；3.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045)

本文通過(guò)改變礦物摻合料的摻加方式和摻量，配制了不同水膠比的高強(qiáng)混凝土，并對(duì)其在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下的抗硫酸鹽侵蝕的能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)多種礦物摻合料影響高強(qiáng)混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 高性能混凝土的制備

1.1 原材料

水泥采用華新P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料采用Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)礦粉和硅灰，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1和表2，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。原材料的性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6-9]。細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.86，屬于Ⅱ區(qū)中砂，密度2 640 kg/m3。粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑25 mm，密度2 730 kg/m3。粗、細(xì)骨料級(jí)配曲線如圖1所示，骨料級(jí)配滿足規(guī)范要求[10-11]。

表1 礦物摻合料物理力學(xué)性能

表2 水泥物理力學(xué)性能

表3 水泥和礦物摻合料化學(xué)成分含量 %

圖1 粗、細(xì)骨料的級(jí)配曲線

減水劑為聚羧酸高效減水劑，固體含量23%，減水率27%；拌和用水為城市自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比采用JGJ 55—2011[12]規(guī)定的絕對(duì)體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)。混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C80，共設(shè)計(jì)6組混凝土，水膠比w/b=0.25～0.32，砂率為0.35。減水劑用量(質(zhì)量占總膠凝材料的百分比)通過(guò)試拌，按照混凝土拌合物坍落度70 mm±20 mm進(jìn)行調(diào)整后確定。經(jīng)過(guò)試拌調(diào)整后的混凝土配合比見(jiàn)表4，其中,A、B、C代表水膠比w/b分別為0.32、0.29、0.25的混凝土。

表4 高強(qiáng)混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能和抗硫酸鹽侵蝕能力試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行[13-14]。采用尺寸為100 mm的混凝土立方體試塊。試塊澆筑成型后以不透水薄膜覆蓋表面24 h后脫模。脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)要求齡期56 d。將進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)的試件分為兩部分：一部分作為對(duì)比組試件，繼續(xù)保持標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件；另一部分為侵蝕組試件，置于硫酸鹽環(huán)境中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。按GB 50082—2009[14]的規(guī)定進(jìn)行烘干，試件冷卻后，立即放入硫酸鹽試驗(yàn)箱中，分別進(jìn)行120次和150次干濕循環(huán)。一個(gè)干濕循環(huán)包括：在5%的硫酸鈉溶液中浸泡15 h，排干溶液后升溫至80 ℃，在80 ℃±5 ℃下保持5 h；烘干結(jié)束后，對(duì)試件進(jìn)行冷卻；每個(gè)干濕循環(huán)的總時(shí)間為24 h±2 h。將保持標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的對(duì)比組試件與完成干濕循環(huán)的侵蝕組試件同時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按式(1)計(jì)算出混凝土抗壓強(qiáng)度的耐蝕系數(shù)Kf，

(1)

式中：fcn為n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的一組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，MPa；fc0為與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期的一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)混凝土試件(對(duì)比組試件)的抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

表4中的6組高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土56 d齡期的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，混凝土的抗壓強(qiáng)度既隨其水膠比的降低而增加，又受到摻合料種類和摻量的不同程度影響。具體分析如下：

1)A-1、B-1、C-1這3組混凝土的水泥用量相同，通過(guò)增加摻合料的量和降低水膠比來(lái)研究混凝土的性能變化。與A-1組比較，B-1組按約為1∶1的比例摻加粉煤灰和硅灰，C-1組按約1∶2的比例摻加粉煤灰和硅灰。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B-1組和C-1組的混凝土強(qiáng)度分別比A-1組的增長(zhǎng)了2.5%和30.4%，可見(jiàn)，相對(duì)于粉煤灰，硅灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度具有更顯著的增強(qiáng)作用。原因是，粉煤灰中的晶態(tài)鋁硅酸鹽活性比較低，在堿性激發(fā)的作用下，只有部分二氧化硅溶出發(fā)生火山灰水化反應(yīng)；硅灰的主要化學(xué)成分為非晶態(tài)的無(wú)定型SiO2，該SiO2具有較高的火山灰活性，能迅速與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，并加速水泥水化[15-17]。在短齡期內(nèi)，粉煤灰會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，硅灰能夠增加混凝土的抗壓強(qiáng)度，兩者共同作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響有所抵消。B-1組的混凝土的抗壓強(qiáng)度增加較小，粉煤灰和硅粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度此消彼長(zhǎng)的調(diào)節(jié)效應(yīng)在C-1組混凝土試樣中得到更加明顯的呈現(xiàn)。當(dāng)同時(shí)采用粉煤灰和硅灰作為混凝土摻合料時(shí)，可通過(guò)改變兩者的摻入比值達(dá)到調(diào)節(jié)混凝土強(qiáng)度的目的。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

高強(qiáng)混凝土在硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。表5中，“對(duì)比”指對(duì)比組混凝土，指同一組混凝土中與硫酸鹽侵蝕環(huán)境條件下的混凝土同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的混凝土?！扒治g”指侵蝕組混凝土，是指硫酸鹽侵蝕環(huán)境條件下的混凝土，下文同。

表5 硫酸鹽侵蝕環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的混凝土抗壓強(qiáng)度和耐蝕系數(shù)測(cè)試結(jié)果

分析上述各組混凝土的試驗(yàn)結(jié)果知，各種礦物摻合料對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響具有一定的差異，復(fù)合摻加各種礦物時(shí)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效應(yīng)較復(fù)雜。摻加14 kg/m3硅灰的A-1組混凝土，在硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)150次后的抗壓強(qiáng)度降低。這表明，單摻硅灰時(shí)因摻量?jī)H為膠凝材料總用量的3.2%，硅灰的火山灰活性對(duì)水泥水化反應(yīng)和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性的改善作用未能得到有效發(fā)揮。

由表5中A-2、B-2和C-2這3組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)結(jié)果可知，采用40 kg/m3礦粉等量替代水泥時(shí)，由于粉煤灰和硅灰摻量的不同，礦粉替代水泥的作用效果也不相同。本試驗(yàn)采用的礦粉復(fù)摻粉煤灰和硅灰，對(duì)A組和C組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能影響不大，對(duì)B組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有不利的影響，B-2組混凝土的抗蝕系數(shù)與B-1組混凝土的相比降低了9.2%。

值得注意的是，硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)120次和150次的混凝土的抗壓強(qiáng)度分別與210 d和240 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土(對(duì)比組混凝土)的抗壓強(qiáng)度相差不大。比較圖2中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d的混凝土抗壓強(qiáng)度與表5中對(duì)比組混凝土的抗壓強(qiáng)度可知：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，礦物摻合料摻量較高的高強(qiáng)混凝土存在長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象；B-1組和C-1組混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56～210 d齡期時(shí)其抗壓強(qiáng)度分別降低了4.1%和3.0%，從210 d到240 d齡期，B-1組和C-1組混凝土的抗壓強(qiáng)度仍在降低；B-2組和C-2組混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56～210 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別降低2.7%和3.0%，從210 d到240 d齡期，B-2組和C-2組混凝土的抗壓強(qiáng)度有所增加；從膠凝材料組成及其摻加比例來(lái)看，主要原因是粉煤灰摻入的影響[23-24]。

圖3為特征較為明顯的2個(gè)試塊的局部截圖。由圖3可以看出：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水霧在混凝土表面凝成的水珠沿表面流動(dòng)稀釋了表層孔隙中的溶液，水泥漿體被逐漸水解造成細(xì)骨料外露；硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的混凝土試塊無(wú)此明顯現(xiàn)象。這種局部持續(xù)的水解反應(yīng)對(duì)小尺寸混凝土試塊抗壓強(qiáng)度將產(chǎn)生不利影響[15,25]。因此，在計(jì)算高強(qiáng)混凝土耐蝕系數(shù)時(shí)，需綜合考慮強(qiáng)度倒縮的影響。

圖3 不同環(huán)境對(duì)試件外表面的影響

3 結(jié)語(yǔ)

1)很小摻量的硅灰對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力無(wú)明顯改善效果。粉煤灰和硅灰復(fù)摻有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕能力，提升效果隨硅灰摻量的增加而增強(qiáng)。

2)在復(fù)合摻加粉煤灰和硅灰的混凝土基礎(chǔ)上，礦粉等量替代水泥，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕能力均存在不利影響。對(duì)于粉煤灰和硅灰復(fù)合摻量較大的C組混凝土，其抗壓強(qiáng)度下降19.5%；對(duì)于粉煤灰和硅灰復(fù)合摻量居中的B組混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕能力下降9.2%。

3)混凝土的配合比可根據(jù)實(shí)際工程要求的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和抗硫酸鹽耐蝕系數(shù)，并結(jié)合水泥、硅灰、粉煤灰、礦粉的市場(chǎng)價(jià)格，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析加以確定。

4)高強(qiáng)混凝土在長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下存在強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象，需要在后續(xù)的混凝土抗硫酸鹽侵蝕研究中加以重視。