兰州交通大学，土木工程学院，甘肃 兰州

收稿日期：2022年1月29日；录用日期：2022年2月18日；发布日期：2022年2月25日

摘要

为了研究矿物掺合料对盐湖地区混凝土抗硫酸盐腐蚀性能影响，设置了同水胶比下两种矿物掺合料、三种硅灰掺量的及无矿物掺合料对照组的五组试验，分析了混凝土试件在干湿循环–硫酸盐腐蚀条件下破坏情况。结果表明：两种矿物掺和料均能提高混凝土内部密实度、降低孔隙率，使混凝土受硫酸盐侵蚀劣化过程变得缓慢，显著提高混凝土抗硫酸盐腐蚀能力。硅灰对混凝土抗干湿循环–硫酸盐腐蚀影响强于粉煤灰。粉煤灰掺合料会造成混凝土在硫酸盐侵蚀前期初始强度下降。在5%~9%硅灰掺量的影响下，混凝土抗干湿循环–硫酸盐腐蚀性能随掺量提高而增强。

关键词

粉煤灰，硅灰，混凝土，抗硫酸盐腐蚀

Study on the Influence of Mineral Admixture on the Anti-Dry-Wet Cycle-Sulfate Corrosion Resistance of Concrete

Bingyu Li

College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu

Received: Jan. 29^th, 2022; accepted: Feb. 18^th, 2022; published: Feb. 25^th, 2022

ABSTRACT

In order to study the influence of mineral admixtures on the sulfate corrosion resistance of concrete in the salt lake area, six sets of tests were set up with two mineral admixtures, three silica fume admixtures and a control group without mineral admixtures under the same water-binder ratio, analyzing the damage of concrete specimens under the conditions of dry-wet cycle-sulfate corrosion. The results show that both mineral admixtures can increase the internal density of concrete, reduce porosity, slow down the deterioration of concrete by sulfate erosion, and significantly improve the ability of concrete to resist sulfate corrosion. Silica fume has a stronger effect on the resistance of concrete to dry-wet cycle-sulfate corrosion than fly ash. Fly ash admixture will cause the initial strength of concrete to decrease in the early stage of sulfate attack. Under the influence of 5%~9% silica fume content, the concrete anti-dry and wet cycle-sulfate corrosion performance will increase with the increase of the content.

Keywords:Fly Ash, Silica Fume, Concrete, Sulfate Corrosion Resistance

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

我国广泛分布着众多的盐湖，在这些区域里硫酸盐腐蚀和干湿循环的耦合是影响混凝土耐久性主要因素之一，Cody [1] 的试验结果表明，干湿循环作用下混凝土的硫酸盐腐蚀比浸泡作用下更为严重。在我国，亢景富 [2] 对关于硫酸盐侵蚀中的几个问题，包括破坏机理、研究方法、判定标准、防治办法等做出了综述。许多研究表明，物理侵蚀和化学侵蚀是硫酸盐侵蚀的两大侵蚀作用 [3]，物理侵蚀的破坏机理是混凝土内部孔隙中的硫酸盐溶液在蒸发作用下导致硫酸盐结晶析出，孔隙内部的硫酸盐结晶膨胀压力致使混凝土劣化破坏。化学侵蚀是指硫酸根离子侵入混凝土孔隙中，与水泥水化产物发生化学反应，生产难溶于水的膨胀性物质引起混凝土内部开裂，最终导致破坏 [4] [5]。干湿循环作用下混凝土的硫酸盐腐蚀大致分为四个阶段，包含物理侵蚀和化学侵蚀的共同作用 [6]。

对于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，主要研究焦点集中在提高混凝土抗渗性能上，即矿物掺合料单掺或复掺混凝土 [7] [8]。石明霞 [9] 通过对砂浆试件进行干湿循环–硫酸盐侵蚀试验，得到粉煤灰细度的提升以及粉煤灰与硅灰的复合掺加均能改善砂浆试件抵抗硫酸盐物理侵蚀的能力的结论。全晓旖 [10] 通过比较纤维混凝土立方体抗压强度、棱柱体相对动弹性模量以及棱柱体质量变化等数据认为粉煤灰的掺量越高，会加速纤维混凝土的腐蚀，而提高膨润土的掺量可以降低纤维混凝土被腐蚀速度。孙迎召 [11] 通过室内加速试验得到了水胶比是影响混凝土抗渗性的重要因素，水胶比降低的同时提高了混凝土内部密实度，这是矿物掺合料能提高混凝土抗硫酸盐腐蚀能力的重要原因。李北星 [12] 通过对混凝土进行硫酸盐溶液半浸泡试验，得到了大掺量粉煤灰和矿粉对抵抗硫酸盐侵蚀作用不同的结论。其中大掺量粉煤灰对混凝土抵抗硫酸盐侵蚀的能力无影响，而矿粉和粉煤灰大量掺和可以提高混凝土耐久性。但是，大多数的试验只通过对硫酸盐腐蚀下混凝土宏观性能数据进行比较分析，并没有揭示不同掺合料及掺合料掺量对提高混凝土耐久性的作用机制。本实验着重对混凝土受硫酸盐侵蚀作用下的微观孔结构观测分析，试验结果更能准确描述硫酸盐侵蚀混凝土的过程。

2. 实验原料与方法

2.1. 试验原材料

本次试验使用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积335 m²/kg，3 d、28 d抗压强度分别为22.4 Mpa、49.5 Mpa。粗集料采用5~20 mm连续粒级碎石，表观密度2670 kg/m³。细骨料为河砂，细度模数为2.9，表观密度2600 kg/m³，属于II区中砂。粉煤灰采用I级粉煤灰，性能指标如表1所示。硅灰性能指标如表2所示。试验用水为自来水。减水剂为高性能聚羧酸减水剂，减水率为28%。硫酸钠为无水硫酸钠。

表1. 粉煤灰性能指标

表2. 硅灰灰性能指标

2.2. 试验方案

本次实验设置四组实验组级一组对照组，实验组分别掺加粉煤灰以及不同含量的硅灰，对照组不掺加矿物掺合料。试件选择100 mm × 100 mm × 100 mm尺寸。结合台特玛湖现场水源、土壤取样实测，选择6%的硫酸钠溶液作为侵蚀源。根据台特玛湖周边地区气候资料，选择干湿循环制度为将试验试件置于6%硫酸钠腐蚀溶液中浸泡48 h后取出试件，擦干表面水分后放在55℃的烘箱中烘干22 h，室温冷却2 h，共计72 h为一个循环。分别测量达到0、10、20、30、40、50、60、70、80个干湿循环试块的抗压强度、孔隙率、孔隙分布等数据。实验中试件采取全浸泡并及时更换腐蚀溶液以维持溶液浓度恒定。经过试验确定了混凝土配合比如表3所示。

表3. 混凝土配合比设计

3. 试验结果与分析

3.1. 抗压强度变化分析

随着干湿循环–硫酸盐侵蚀的进行，测量不同矿物掺合料及不同硅灰掺量下混凝土试件的抗压强度并计算混凝土抗压强度耐蚀系数K_f，结果如图1~3所示。K_f的计算按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009的规定，其计算公式如下。

$K_f=\frac{f_{cn}}{f_{c0}}\times 100$

式中：

$K_f$ ——抗压强度耐蚀系数(%)；

$f_{cn}$ ——N次干湿循环后混凝土抗压强度测定值(MPa)；

$f_{c0}$ ——与N次干湿循环混凝土同龄期的标准养护混凝土抗压强度测定值(MPa)。

图1. 混凝土抗压强度变化

图2. 不同矿物掺合料混凝土抗压强度耐蚀系数变化

图3. 不同硅灰掺量混凝土抗压强度耐蚀系数变化规律

由图1可知，所有混凝土试件均经历了强度先上升后下降的变化过程。在硫酸盐侵蚀前期，水泥的水化反应仍在进行，且硫酸盐侵蚀进入混凝土孔隙中生成的物质填充了混凝土孔隙，使混凝土密实度提高，这是混凝土在侵蚀前期强度提高的原因。当干湿循环达到30次之后，所有混凝土试件强度达到最高值，之后在硫酸盐侵蚀下强度不断降低。随着侵蚀时间的增加，混凝土孔隙中积累的膨胀性物质增加，使混凝土出现开裂、剥落，导致强度的下降。比较不同矿物掺合料混凝土试件抗压强度变化规律，B试件降低了混凝土的初始强度与最高强度，这是由于掺入粉煤灰取代了部分作为胶凝材料的水泥，导致前期强度降低。在50次干湿循环试验后，B试件抗压强度明显高于A试件，25%掺量的粉煤灰有助于提高混凝土耐硫酸盐侵蚀能力。C1、C2、C3试件在所有时期强度均高于A、B试件，这是由于硅灰有比粉煤灰更好的水化活性，使骨料之间粘结更紧密，增加了混凝土密实度从而提高了混凝土强度。从强度变化过程来看，5%~9%的硅灰掺入量对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的提高要大于25%掺量的粉煤灰。

由图2可知，在20次干湿循环前，B试件强度增长速度快于A、C1试件，这是由于粉煤灰含有的活性物质产生了火山灰效应，使B试件强度快速提高。A、B、C1试件都在30次干湿循环后进入强度下降阶段，C1试件的强度下降幅度与速度均小于A、B试件，A试件下降速度最快。从试验结果上看，两种矿物掺合料均不同程度改善了混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

由图3可知，在强度上升阶段，C1、C2、C3试件强度上升速度C3 > C2 > C1，C3试件在80次干湿循环后抗压强度耐蚀系数高于C1、C2试件，综合强度变化规律与强度耐腐蚀系数变化规律来看，5%~9%三种掺量的硅灰对混凝土抗硫酸盐腐蚀能力随掺量增加而提高。

3.2. 混凝土孔隙率变化分析

混凝土中随机分布着众多内部微观孔结构，不仅混凝土力学性能与这些微观孔隙有关，混凝土的耐久性能也同样被这些内部孔隙深刻的影响。随着干湿循环–硫酸盐侵蚀的进行，测量不同矿物掺合料及不同硅灰掺量下混凝土试件的孔隙率变化规律如图4、图5所示。

图4. 不同矿物掺合料混凝土孔隙率变化

图5. 不同硅灰掺量混凝土孔隙率变化

比较不同矿物掺合料混凝土总孔隙率变化，由图4可以看出，经过28 d标准养护后，无矿物掺合料混凝土、25%粉煤灰掺量混凝土、5%硅灰掺量混凝土总孔隙率分别17.95%、17.13%、15.48%。矿物掺合料降低了混凝土的总孔隙率，硅灰对降低混凝土孔隙率的效果优于粉煤灰。当干湿循环进行到第30次时，A、B、C1试件孔隙率均出现了降低，这是由于混凝土在这个阶段内仍在进行水泥水化反应生成水化反应产物，水化反应产物与侵蚀进入混凝土孔隙中的硫酸根离子反应生成了一系列不溶于水的膨胀性产物，这些都对混凝土内部孔隙进行了填充，使混凝土内部孔隙率降低。随着干湿循环次数增加，混凝土试件孔隙率均出现快速增加且增速越来越快。到第70次干湿循环完成后，A、B、C1试件总孔隙率分别为28.21%、26.41%、22.69%。在这个阶段，内部孔隙中的膨胀性物质越来越多，产生的应力使混凝土内部出现了细微裂缝，联通了部分封闭的孔隙，使混凝土内部总孔隙率迅速上升，这与宏观上混凝土力学性能的下降是一致的。

比较不同硅灰掺量混凝土总孔隙率变化，由图5可知，5%、7%、9%硅灰掺量混凝土在进行了28 d标准养护后总孔隙率分别为15.48%、15.26%、14.84%。在侵蚀龄期达到了210 d后总孔隙率分别为22.69%、22.35%、21.97%。在孔隙率指标上混凝土试件C3优于C2，C1略次于C2。

3.3. 混凝土孔结构变化分析

混凝土内部孔隙的孔径分布也对混凝土力学性能有重要的影响。吴中伟院士提出了一种方法对混凝土内部孔隙进行分类 [13]，其中孔径小于20 nm的为无害级孔，孔径20~50 nm的为少害级孔，孔径为50~200 nm的为有害级孔，孔径大于200 nm的为多害级孔。依据此种分类方法，对A、C1试件孔径分布测量结果如图6、图7所示。

比较图6图7可知，在28d标准养护后，A试件无害级孔占比为39%，且200 nm孔径以上的多害级孔占比达到了13%，而添加了5%的硅灰后，C1试件28d标准养护后无害级孔占比为57%，多害级孔占比仅为4%。硅灰的加入不仅降低了混凝土的总孔隙率，而且极为有效的改善了混凝土内部孔隙分布。随着侵蚀龄期增加，两种类型混凝土孔结构均出现了平均孔径增大的现象。这是由于孔隙中的膨胀性产物累积，从而产生的膨胀应力破坏了原有的孔结构使孔径扩大。在达到70次干湿循环后，A试件内部孔径大于20 nm的孔隙占比为75%，其中孔径为50~200 nm的有害级孔占比为24%，多害级孔占比达到28%，是四种类型孔中占比最大的。C1试件内部孔径分布占比从小孔径到大孔径依次为44%、31%、19%、6%。硅灰的掺入细化了混凝土的内部孔隙结构，致密的内部结构对硫酸盐向混凝土内部侵蚀提供了阻碍从而提高了混凝土的耐久性。

图6. A试件孔隙占比图

图7. C1试件孔隙占比图

4. 结论

通过本次试验，得到如下主要结论：1) 粉煤灰与硅灰两种矿物掺合料均能提高混凝土抗干湿循环–硫酸盐侵蚀能力，但25%粉煤灰掺量会使混凝土初始强度下降。2) 硅灰对混凝土抗硫酸盐腐蚀能力的影响强于粉煤灰，在5%~9%硅灰掺量的混凝土试件中，抗硫酸盐侵蚀能力随掺量增加而提高。3) 硅灰的掺入降低了混凝土内部总孔隙率，也细化了混凝土内部孔结构，使混凝土内部结构变得致密是硅灰掺合料提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的重要原因。

文章引用

黎并宇. 矿物掺合料对混凝土抗干湿循环–硫酸盐腐蚀性能影响研究
Study on the Influence of Mineral Admixture on the Anti-Dry-Wet Cycle-Sulfate Corrosion Resistance of Concrete[J]. 土木工程, 2022, 11(02): 212-220. https://doi.org/10.12677/HJCE.2022.112022

参考文献