廖孟柯，黃耀德，付林，王能，周陽

地處我國西部的新疆地區(qū)氣候干旱，冬季寒冷，土壤多為漬土，硫酸鹽、氯鹽及鎂鹽含量較高。其中，硫酸鹽對混凝土的侵蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)建筑物耐久性的重要因素之一[1]。土壤中的硫酸根離子以水為載體，通過混凝土的孔隙或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與其中的氫氧化鈣、水化鋁酸鈣或C-SH 凝膠等水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產(chǎn)物，造成混凝土膨脹、開裂、剝落或泥狀化，影響混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的使用安全，縮短使用壽命。

目前，關(guān)于混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究已取得較多的研究成果[2-4]。鄧德華等[5]對混凝土硫酸鹽結(jié)晶破壞機(jī)理進(jìn)行了研究；李華等[6]的研究表明，礦渣的微集料填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)等作用，對提高水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能非常有利；謝超等[7]對低溫條件下硅粉和礦渣改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究；王云天等[8]對低溫條件下納米SiO2和礦渣改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了研究。然而，對于低溫條件下?lián)饺氤?xì)粉煤灰，以改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能方面的研究較少。

為此，本文針對5℃低溫條件下超細(xì)粉煤灰摻量對水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響進(jìn)行了研究，為新疆地區(qū)低溫環(huán)境下服役的混凝土結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 水泥

P·O42.5 級(jí)石灰石質(zhì)普通硅酸鹽水泥，篩余為8.2%（45μm方孔篩），標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為23%，初凝時(shí)間為215min，終凝時(shí)間為323min，其粒徑分布如圖1所示，化學(xué)成分如表1所示。

圖1 水泥與超細(xì)粉煤灰的粒徑分布

表1 P·O42.5級(jí)石灰石質(zhì)普通硅酸鹽水泥和超細(xì)粉煤灰的化學(xué)成分（重量百分比），%

1.2 粉煤灰

一級(jí)超細(xì)粉煤灰，比表面積為580m2/kg，化學(xué)成分如表1 所示，主要成分SiO2和Al2O3含量分別為54.14%和27.46%；超細(xì)粉煤灰粒徑分布如圖2所示，該粉煤灰D50和D90所分別對應(yīng)的粒徑約為4.5μm 和 10.5μm。圖 3 為超細(xì)粉煤灰的 SEM 圖。由圖3可見，該粉煤灰主要由大量細(xì)小的球形顆粒和部分粒徑較大的球形顆粒組成，顆粒粒徑均＜10μm。

圖2 超細(xì)粉煤灰的粒徑分布

圖3 超細(xì)粉煤灰粒徑的SEM圖

1.3 標(biāo)準(zhǔn)砂

用于制備砂漿。

1.4 無水硫酸鈉

配制侵蝕溶液，無水硫酸鈉為分析純（純度≥99%）。

2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)制備砂漿試件用的總膠凝材料質(zhì)量為500g。不同試件的超細(xì)粉煤灰的摻量分別為總膠凝材料量的30%（F30 試件）、45%（F45 試件）和60%（F60 試件），試件水膠比為0.4，膠砂比為1:3，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。將試件在室溫條件下澆筑成型，并在其表面覆蓋塑料薄膜，24h后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d；將試件放入溫度為（5±1）℃、硫酸鹽濃度為5%的侵蝕溶液中，進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，測試試件的質(zhì)量損失（質(zhì)量變化率）和抗壓強(qiáng)度，其中，抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》中的要求進(jìn)行測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 質(zhì)量損失率

水泥混凝土試件被硫酸鹽侵蝕的過程中，外界的硫酸根離子以水為載體進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產(chǎn)物，造成混凝土膨脹、開裂，混凝土表面發(fā)生剝落，使得混凝土材料質(zhì)量發(fā)生變化。因此，分析質(zhì)量損失率可以初步評估硫酸鹽對水泥混凝土的侵蝕破壞程度[9]。

圖4是隨侵蝕齡期的變化，各組水泥砂漿試件質(zhì)量的變化情況。由圖4可知，空白試件的質(zhì)量隨侵蝕齡期的延長呈現(xiàn)下降趨勢，在侵蝕齡期達(dá)10個(gè)月后，試件質(zhì)量損失較快，侵蝕齡期為18個(gè)月時(shí)，質(zhì)量損失約為3.5%，說明空白試件受到了硫酸鹽的侵蝕，試件表面發(fā)生剝落造成了質(zhì)量損失。而超細(xì)粉煤灰摻量分別為30%（F30 試件）、45%（F45試件）和60%（F60 試件）的砂漿試件，其質(zhì)量隨侵蝕齡期的延長呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，且試件質(zhì)量始終無損失。在侵蝕齡期達(dá)3 個(gè)月之后，F(xiàn)45 試件和F60 試件的質(zhì)量增加率為1.0%～1.5%，而F30試件的質(zhì)量增加率約為0.5%，表明雖有硫酸鹽的侵蝕，但摻入超細(xì)粉煤灰的砂漿試件并未發(fā)生表面剝落，也無質(zhì)量損失，在砂漿試件中摻入超細(xì)粉煤灰可以有效提高其抗硫酸鹽侵蝕性能。

圖4 隨侵蝕齡期的變化各組水泥砂漿試件的質(zhì)量變化情況

3.2 抗壓強(qiáng)度

圖5 是隨侵蝕齡期的延長各組砂漿試件抗壓強(qiáng)度的變化情況。從圖5 可見，隨侵蝕齡期的增長，空白試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，在整個(gè)觀察齡期內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度從初始（侵蝕齡期1 個(gè)月）的65MPa 逐漸降低到最終（侵蝕齡期18 個(gè)月）的40MPa，其抗壓強(qiáng)度損失率為38.5%。摻入超細(xì)粉煤灰的F30 試件、F45 試件和F60 試件的抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在整個(gè)試驗(yàn)齡期中，F(xiàn)30 試件的抗壓強(qiáng)度從初始（侵蝕齡期1 個(gè)月）的45.0MPa 逐漸增加到最終（侵蝕齡期18 個(gè)月）的64.6MPa，其抗壓強(qiáng)度增長率為43.5%；F45 試件的抗壓強(qiáng)度從初始（侵蝕齡期1 個(gè)月）的33.0MPa 逐漸增加到最終（侵蝕齡期18 個(gè)月）的62.6MPa，其抗壓強(qiáng)度增長率為89.2%；F60 試件的抗壓強(qiáng)度從初始（侵蝕齡期1個(gè)月）的24.0MPa逐漸增加到最終（侵蝕齡期18個(gè)月）的52.3MPa，其抗壓強(qiáng)度增長率為117.9%。由此說明，空白試件在硫酸鹽溶液中，因硫酸鹽侵蝕造成劣化，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低。而摻入超細(xì)粉煤灰的試件，受硫酸鹽溶液中硫酸鹽的激發(fā)作用，密實(shí)度提高，其抗壓強(qiáng)度也逐漸增加。由此可見，空白試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差，而摻入超細(xì)粉煤灰試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較好。此外，摻入超細(xì)粉煤灰的試件在硫酸鹽侵蝕溶液中，其抗壓強(qiáng)度分別增長了43.5%（F30試件）、89.2%（F45 試件）和117.9%（F60 試件），表明超細(xì)粉煤灰摻量越高，其在硫酸鹽侵蝕溶液中的抗壓強(qiáng)度增長率越高。

圖5 砂漿試件隨侵蝕齡期的強(qiáng)度變化結(jié)果

4 抗硫酸鹽性能分析

混凝土受硫酸鹽侵蝕而破壞，實(shí)質(zhì)上是由于外界的硫酸根離子以環(huán)境水為載體，通過孔隙或裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與其水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石、碳硫硅鈣石或石膏等侵蝕產(chǎn)物，使得混凝土劣化，導(dǎo)致其強(qiáng)度損失和表面剝落，造成質(zhì)量損失。本試驗(yàn)中，空白試件的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失均較大，表明空白試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差；摻入超細(xì)粉煤灰的砂漿試件無質(zhì)量損失，抗壓強(qiáng)度均無降低且反向提高，表明其抗硫酸鹽侵蝕性能較好。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因如下：

（1）與超細(xì)粉煤灰的填充效應(yīng)有關(guān)。由超細(xì)粉煤灰與水泥的顆粒分布圖可知，超細(xì)粉煤灰的總體粒徑比水泥顆粒小，可以很好地填充水泥顆粒之間的間隙，使砂漿試件的密實(shí)度提高，能有效阻礙硫酸根離子的侵入，從而改善砂漿試件的抗硫酸鹽侵蝕性能。

（2）與超細(xì)粉煤灰火山灰效應(yīng)（二次水化作用）有關(guān)。隨著侵蝕齡期的延長，超細(xì)粉煤灰中的活性二氧化硅與砂漿中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成低鈣硅比的C-S-H 凝膠[10]，從而填充了孔隙，提高了砂漿的密實(shí)度。

（3）本文采用的是無水硫酸鈉配制的侵蝕溶液，該侵蝕溶液也可作為超細(xì)粉煤灰二次水化的激發(fā)劑，與超細(xì)粉煤灰中的活性氧化鋁及砂漿中的氫氧化鈣反應(yīng)生成鈣礬石，進(jìn)一步提高砂漿的密實(shí)度。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨侵蝕齡期的延長，F(xiàn)30 試件、F45試件和F60試件均表現(xiàn)出，質(zhì)量先增加后趨于平穩(wěn)的態(tài)勢，抗壓強(qiáng)度呈整體向上增長的趨勢。

5 結(jié)語

本文對低溫條件下，超細(xì)粉煤灰不同摻量對水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)果：

（1）在硫酸鹽侵蝕下，未摻加超細(xì)粉煤灰的試件質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度損失均較高，表明未摻加超細(xì)粉煤灰試件的抗硫酸鹽侵蝕性能較差。

（2）在硫酸鹽侵蝕下，摻加了超細(xì)粉煤灰的水泥砂漿試件質(zhì)量無損失且略增加，抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期的延長呈現(xiàn)整體向上增長的趨勢。表明摻入超細(xì)粉煤灰可有效提高水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能，且超細(xì)粉煤灰摻量越高，在硫酸鈉侵蝕溶液中，砂漿試件的抗壓強(qiáng)度增長率越高。