矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的试验研究.pdf

2 0 1 3年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 2 Fe b r u a r y 矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐 腐蚀性能的试验研究 陈 苓 ( 福州市建筑工程质量监督站 ， 3 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 通过 混凝 土中砂 浆的抗压、 抗折 耐蚀 系数和膨胀率判 断混凝 土受硫 酸盐腐蚀 的情况 ， 并结合混凝 土孔 结构参数 ， 对矿物掺合 料抑制混凝土硫酸 盐腐蚀作 用进行 了分析 。 关键词 ： 矿物掺合料 ； 混凝土 ； 抗硫酸盐腐蚀 A b s t r a c t ： T h e d e g r e e o f t h e c o n c r e t e b y s u l f a t e c o r r o s i o n i s j u d g e d b y t h e c o m p r e s s i v e r e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t ， fl e x u r a l r e s i s t a n c e c o e ff i c i e n t a n d e x p a n s i o n r a t e o f t h e mo l a r f r o m c o n c r e t e An d c o mb i n e d w i t h c o n c r e t e p o r e s t r u c t u r e p a r a me t e r s ， t h e e f f e c t s o f mi n e r a l a d mi x t u r e s o n t h e s u lf a t e c o r r o s i o n i n h i b i t i o n o f c o n c r e t e a r e a n a l y z e d Ke y wo r d s ： Mi n e r a l a d mi x t u r e s ； C o n c r e t e ； S u lf a t e c o rro s i o n r e s i s t a n c e 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 1 0 2 1 6 0 3 0前 言 硫 酸盐腐蚀是影响混凝土耐久性 的一项重要 内容 ， 主要是 因为硫酸盐普遍存在于地下水 、 海水 及土壤 中， 会对混凝土耐久性造成影响。福建省近 几年来码头 、港 口以及配套 的建设规模增长迅速 ， 沿海城市房地产开发也 向滨海方向发展 ， 这些区域 的地下水 、 土壤含硫酸盐较多 ， 因此 ， 对于硫酸盐腐 蚀造成混凝土结构耐久性下降应引起足够重视。 混凝 土硫酸 盐腐蚀是较 为复杂 的物 理和化学 的综合过程。物理腐蚀主要是指硫酸盐在毛细管 内 由于结晶压力而引起的开裂和剥落 ， 而化学腐蚀包 括钙矾石类 、 石膏类 和新发现 的碳硫硅钙石类嘲， 但 由于碳硫硅钙石类硫酸盐腐蚀条件 比较苛刻 ， 福 建省 硫酸盐化学腐蚀 主要 以钙矾石与石膏类 腐蚀 为主， 通常是由于硫酸根离子与水泥水化产物反应 生成钙矾石和石膏 ，因体积膨胀引起 的开裂和剥 落 ， 其化学反应式如下 ： 4 C a O A 1 2 0 3 + 3 ( C a S O 4 2 H 2 O) + 1 6 H 2 O = 3 C a O A l 2 0 3 + 3 C a S O 4 3 1 H2 O +C a ( O H) 2 C a ( O H) 2 + N a 2 S O 4 l 0 H2 O= C a S O 4 2 H 2 O + 2 N a O H+ 8 H2 0 本文通过混凝土中砂 浆的抗压、 抗折耐蚀系数 和膨胀率 ( 与同时进行清水浸泡的同期试件相比) 判断水泥基材料受硫酸盐腐蚀 的情况 ， 并结合其孔 一 1 6一 结构参数 ， 对矿物掺合料抑制混凝土硫酸盐腐蚀的 作用进行了分析。 1 原 材料 与试 验设 计 1 1 原材料 福建某水泥厂生产 的 P O 4 2 5级水泥 ； I I 级粉 煤灰 ， 比表面积为 2 7 6 m k g ； 磨细矿渣粉 ， $ 9 5级 ， 比 表面积为 4 3 5 m k g ； 贵州某厂生产的硅灰 ， 比表面积 约为 2 0 0 0 0 m V k g 。 细集料为闽江砂 ， 细度模数 2 5 ， 属 区中砂。 粗骨料为 4 7 5 1 9 tu r n连续级配石灰石碎 石。外加剂为聚羧酸盐减水剂 ， 掺量 1 0 时 ， 减水 率 2 5 。硫酸钠为市售元明粉 ， 含量 9 9 。 1 2 试验设计3 - 5 抗压 、抗折试件尺寸为 4 0 mmx 4 0 mmx 1 6 0 mm， 膨胀率试件尺寸为 2 5 mm x 2 5 mm x 2 8 0 m m 。 试件成 型 砂浆为混凝土筛去 5 ra m 以上粗骨料得到的，混凝 土的配合 比见表 l 。试件分别浸泡在 2 0 清水 中和 2 0 饱和硫酸钠溶液中( S 0 4 2 一 浓度为 1 3 1 8 0 0 mg L ) ， 溶液每隔 1 个月更换一次。 试件经 2 8 d标准养护后开始浸泡 ， 之后各系列 砂浆经水 中、硫酸钠溶液 中每浸泡到规定龄期( 1 、 2 、 3 、 6 、 9 、 1 2个月) 时 ， 各取一组进行抗压、 抗折强度 试验， 并测量长度。抗压腐蚀系数 K压 、 抗折腐蚀系 数 K折 、 膨胀率 P由下式计算得到 ： K ： P s | P w 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈苓 矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的试验研究 注 ： 混凝土坍落度控制在 ( 1 5 0 + 2 0 ) mm。 K赫 = F s F w ( 厶 一 L o ) L o x l O 0 式 中， 、 P w 分别为同龄期浸泡在硫酸钠溶液 、 水中 试件 的抗压强度 ； 、 分别为 同龄期浸泡在硫 酸 钠溶液 、水 中试件的抗折强度 ； 厶、 分别为一定龄 期下测试试件的长度和基准长度 。 混凝土的孔结构分析方法采用 B E T氮吸附法 ， 分析试样为各系列砂浆 2 8 d龄期破型后取得。 地下室 、 码头 、 港 口等容易接触 到硫酸 盐环境 工程 部位 的混凝 土强 度等 级一般 为 C 2 0 C 3 5 ， 因 此 ， 本试验中混凝土强度等级设计为 C 3 0 ， 混凝土配 合 比及强度试验结果见表 1 ， 其 中粉煤灰、 矿粉和硅 灰 的掺量分别为 3 0 、 3 0 和 1 0 。 2试验 结 果与 分析 混凝土 中砂浆抗压 、 抗折耐蚀系数试验结果见 图 1 ， 混凝土 中砂浆膨胀率试验结果见图 2 ， 混凝 土 孔结构检测试验结果见表 2 。 2 1 试验结果讨论 从 图 1( a ) K压 耐蚀系数经时曲线可以看 出， 未 掺矿物掺合料 的混凝土 中的砂浆 K压 耐蚀 系数先增 大后减小 ，在饱 和硫酸钠溶液 中浸泡 1 2个 月后小 于 0 8 0 ；掺 3 0 粉煤灰 、 3 0 矿粉、 1 0 硅灰混凝土 中的砂浆 K压 耐蚀系数均保持在 1 0以上 ，可以起 到较好抑制硫酸盐腐蚀的作用。 从图 2( b ) K折 耐蚀系数经时曲线可以看出 ， 混 凝土 中的砂 浆 K折 耐蚀 系数均呈先 增大后减 小趋 势 ； 在饱 和硫酸钠溶液 中浸泡 1 2个月后 ， 未掺矿物 掺合料混凝 土中的砂浆 K折 耐蚀 系数小于 0 7 5 ， 而 掺 3 0 粉煤灰 、 3 0 矿粉、 1 0 硅灰混凝土中的砂浆 K折 耐蚀系数均保持在 1 0以上 ， 可以起到较好抑制 硫酸盐腐蚀 的作用 。 混凝土 中砂浆膨胀率测试试验 中， 未掺矿物掺 合料混凝 土中的砂浆试 件在饱和硫酸盐溶液 中浸 泡到 9 1 0个月时发现已经断裂，因此其膨胀率数 1 2 O 1 1 5 1 1 O 1 O 5 1 0 0 0 9 5 0 9 O 0 8 5 O 8 O O 7 5 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 O 9 0 8 0 7 0 6 瓣 餐 馥 0 2 4 6 8 1 O 1 2 侵蚀龄期 月 ( a ) K压 O 2 4 6 8 1 O 1 2 侵蚀龄期 月 ( b ) K 图 1 混凝土 中砂浆抗压 、 抗折耐腐蚀系数经时变化 0 2 4 6 8 1 0 1 2 侵蚀龄期 月 图2 混凝土中砂浆膨胀率经时变化 一 1 7一 O 5 0 5 O 5 O 5 O 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 2期 表 2 孑 L 结构参数 据 只到 9个月。从图 2混凝土中的砂浆膨胀率经时 曲线可以看 出， 掺人 3 0 粉煤灰和 3 0 矿粉混凝土 中砂浆的膨胀率逐渐增大 ，在 3个月后趋于平缓 ； 掺入 1 0 硅灰混凝 土中砂浆 的膨胀率逐渐增长 ， 9 个 月后其增长有趋 于平缓 的趋势 。从 图 2可 以看 出 ，矿物掺合料抑制混凝土受硫酸盐腐蚀 的效果 为 ： 1 0 硅灰 3 0 矿粉 、 3 0 粉煤灰。 混凝土孔结构参数见表 2 。 由表 2可知， 掺 3 0 粉煤灰 、 3 0 矿粉和 1 0 硅灰混凝土 的孔结构参数 各个值均 比空 白混凝土的小 ， 说 明矿物掺合料的掺 入能不同程度改善混凝土的孔结构。改善效果最佳 的是掺 1 0 硅灰 ， 混凝土孔结构参数各个指标均有 较大 幅度下降 ， 其次是掺 3 O 矿粉 ， 效果最差 的是 掺 3 0 粉煤灰 ， 仅略微改善了混凝土的孔结构。 2 2 矿物掺合料改善混凝土抗硫 酸盐侵蚀性 能机 理分析 提高混凝土密实度 ， 是提高混凝土抗硫酸盐腐 蚀性能的技术途径之一 。矿物掺合料 的掺入 ， 可以 改善混凝土孔结构 ， 降低混凝土孔 隙率 ， 使孔细化 ， 阻断 了可能形成的渗透通路 ， 使硫酸盐离子较难侵 入到混凝土 内部 ， 从而形成混凝土抗硫酸盐腐蚀的 第一道屏障。混凝土孔结构的改善程度与提高混凝 土抗硫酸盐腐蚀效果并不呈线性关系。粉煤灰的掺 入对改善混凝土孔结构作用 比矿渣差 ， 但掺入 3 0 粉煤灰或 3 0 矿粉对混凝土抗硫 酸盐腐蚀性能提 高的效果相当。这是因为混凝土硫酸盐腐蚀中包括 较复杂的化学腐蚀 。混凝土的硫酸盐钙矾石类和石 膏类腐蚀是指水泥水化产物与硫酸根离子反应生 成钙矾石和石膏 ， 伴随着较大的体积膨胀引起的混 凝土开裂和剥落 。因此 ， 水化产物 中水化铝酸钙和 C a ( O H) 的存在是造成化学腐蚀的首要因素。矿物 掺合料取代部分水泥， 可以通过物理稀释作用降低 水泥 中 3 C a O A 1 0 ( C A) 含量 ， 并且矿 物掺合料 的 火山灰效应二次水化消耗 C a ( O H) ： ， 从而缓解硫酸 盐对混凝土的腐蚀作用。本文矿物掺合料中硅灰的 一 1 8一 火山灰活性远远好于矿粉和粉煤灰 ， 矿粉 比粉煤灰 略好。由于硅灰的 S i O ： 含量达 9 0 以上 ， 远高于粉 煤灰和矿粉 ， 并且硅灰的火山灰活性高 ， 因此 ， 其掺 量较低( 1 0 ) 时 ， 混凝土抗硫酸盐腐蚀性能就较矿 粉和粉煤灰的好。虽然粉煤灰的 S i O ： 含量比矿粉略 高 ， 但其火 山灰活性 比矿粉低 ， 因此 ， 掺 3 0 矿粉和 粉煤灰的混凝土抗硫酸盐腐蚀性能相当。 矿物掺合 料的掺入和火 山灰效应改 变了水泥 水 化产物 的组成和 比例 ， 稀释了 C 含量 ， 消耗 了 C a ( O H) ， 同时产生更多水 化硅酸钙 ， 使 混凝 土致 密 ， 改善混凝 土内部微观结构 ， 降低混凝土孔隙率 ， 使孔细化 ， 增加了硫酸盐侵入的难度。因此 ， 矿物掺 合料的掺入可以提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能。 3结 ( 1 ) 在试验研究 的掺合料 中 ， 在抑制混凝土硫 酸盐腐蚀效果上 ， 硅灰 ( 1 0 ) 优于矿粉 ( 3 0 ) 和粉 煤灰( 3 0 ) 。 ( 2 )矿物掺合料 的掺人稀释 了水泥 中 C 含 量 ， 其火山灰效应消耗 C a ( O H) ： ， 生成更多的水化硅 酸钙改善混凝 土孔结构 ， 从而提高 了混凝土抗硫酸 盐腐蚀性能。 ( 3 ) 混凝土孔结构的改善程度与提高混凝土抗 硫酸盐腐蚀效果并不呈线性关系。 参考文献： 【 1 】 牛全林， 张勇 矿物质混合材对水泥砂浆抗硫酸盐腐蚀 的 影响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 1 4 - 1 1 7 【 2 张靖 粉煤灰对水 泥石抗碳硫 硅钙石 型硫酸盐腐 蚀性能 的影响【 J 】 新型建筑材料， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 6 2 0 【 3 杨德斌 外加剂 与矿物掺合 料对混凝 土抗硫 酸盐侵蚀 的 有效性研究 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 4 ) ：1 2 - 1 5 4 O ma r S ，B a g h a b r a A 1 - A mo u d i A t t a c k o n p l a i n b l e n d e d c e m e n t s e x p o s e d t o a g g r e s s i v e s u l f a t e e n v i r o n m e n t s J C e me n t C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， V 2 4 2 0 0 2 ： 3 0 5 3 1 6 5 】 O r i i K a n d K a w a mu r a M E ff e c t o f fl y a s h a n d s i l i c a f u me o n t h e r e s i s t a n c e o f mo r t a r t o s u l f u r i c a c i d a n d s u lf a t e a t t a c k C e m C o n c r R e s 1 9 9 4 ( 2 4 ) ： 3 6 1 3 7 0 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 1 6 作者简介 ： 陈苓 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 福州市鼓楼 区观凤亭街 9 9号七海花园 四层 联 系电话 ： 1 3 0 6 7 2 6 6 1 6 3 E ma i l ： c l 3 5 0 0 01 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m