酸雨对桥梁用C50高强混凝土侵蚀性能影响分析.pdf

2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P RODUCTS 201 0 No l Fe br u a r y 酸雨对桥梁用 C 5 0高强混凝土侵蚀性能影响分析 孙鑫鹏 ， 李益进 ， 尹 健 ， 龚胜辉 ( 中南 大学 土木建 筑学 院 ， 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 采用周期浸泡 和喷淋法 ， 模拟广东地 区酸雨环境 ， 考虑矿物掺合料品种和掺量 的影响 ， 研究桥 梁用 C 5 0高强混凝 土在 酸雨侵蚀条件下性能的变化规律。结果表明 ： 从 C 5 0高强混凝土抗酸雨侵蚀能力来看 ， 粉煤灰与矿渣双掺效果优 于粉煤 灰单掺和 矿渣单掺 ， 且粉煤灰与矿渣双掺掺量为 2 5 时 ， 为实验最佳掺量。 关键词 ： 高强混凝土 ； 抗酸雨侵蚀 ； 矿物掺合料 ； 性能变化 Ab s t r a c t ：|r h e a c i d r a i n s c o n d i t i o n i n Gu a n g d o n g i s s i mu l a t e d a n d c o n s i d e rin g t h e v a rie t i e s a nd c o n t e n t o f mi n e r a l a d mi x t u r e s ，t h e p e r f o r ma n c e c h a n g e s o f b r i d g e C 5 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a r e s t u d i e d u n d e r t h e c o r r o s i o n o f a c i d r a i n b y p e r i o d i c a l i mme r s i o n a n d s p r a y i n g me t h o d I h e r e s u l t s s h o w t h a t f r o m t he p e rfo r ma n c e o f a n t i - c o r r o s i o n a b i l i t y o f C 5 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e t h e e f f e c t o f d o u b l e mi x e d mi n e r a l a d mi x t u r e s i s be t t e r t h a n s i n g l e d o p e d fly a s h O F s l a g ，a n d t h e b e s t e x pe rime n t a l d o s a g e i s 2 5 b y d o u ble mi x e d wi t h fly a s h a n d s l a g Ke y wo r d s ：Hi g h s t r e n gth c o n c r e t e ；An t i c o rro s i o n o f a c i d r a i n ；Mi n e r al a d mi x t u r e ； Pe rfo rm a n c e c h a n g e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7( 2 0 1 0) 0 1 - 0 9 - 0 4 0前 言 目前 ，由于酸雨侵蚀作用造成 钢筋混凝 土结 构 的 过早破坏 已经成为世界各国普遍关注 的一大灾害 。迄 今 为止 ， 国内外对于酸雨的成 因 、 分 布特点及其对环境 的影响做 了较多的试 验研究 和理论 分析 ，在水泥基材 料 方面 的研究 主要 集 中于酸雨 侵蚀对 砂 浆性 能 的影 响 ，而专门针对桥梁用高强混凝土抗酸雨侵蚀性 能的 研究报道较少 。 针对佛 山市一环 城 际快 速 主干线 桥梁 工程 较多 ， 同时其 又处于较重酸雨或严重酸雨环境 中 ，为 了探 明 较重酸雨或严重酸雨环境条件下桥 梁用 C 5 0高强 混凝 土的抗酸雨侵蚀性 能及对其 耐久性进 行有效评 价 ， 在 查 阅大量文献并采取实测手段掌握 佛山地 区典型酸雨 的 p H值 、 离 子类 型及时空 分 布的基础 上问 ， 本 文 根据 高强水泥胶砂 抗酸雨 侵蚀性 能的试 验研究结果 ，探讨 矿 物掺合 料 品种 、掺 量及 不 同掺 合 料复掺 等 因素 对 C 5 0高强混凝 土抗 酸雨侵蚀性能的影响规律 ，为 掌握 桥梁用 C 5 0 高强混凝土在酸雨侵蚀条件下的应用技术 提供理论依据和技术支持。 1 试验 1 1 原材料 水泥 ： P I I 4 2 5级硅 酸盐水泥 。 粉煤灰 ： 级粉煤灰 ， 主要物理性能见表 l 。 矿渣 ： S 9 5级 ， 由江西某建材厂生产， 主要物理性能 见表 l 。 碎石 ： 5 2 5 m m碎石 ， 级配合格 。 砂 ： 河砂 ， 细度模数 2 4， 属 区中砂 。 减水剂 ： 佛山某外加剂厂产聚羧酸高效减水剂 ， 减 表 1 粉煤灰与矿渣物理性能 水 率 2 0 。 1 2 试验方案 采用非动态试验方 法f 循环法 ， 包括周 期浸泡和 喷 淋试验) 进行试验 。为了加 速腐蚀 ， 根据 广东佛 山地 区 降雨 的酸度 和离子组成 ， 扩大离子浓度 ， 配制 p H值 为 4 3且 主要含有 S 0 4 2 - ， Mg ， C a ， NH2、 H+ 的模拟 酸液。 干湿循 环制度为 ： 试件在酸性溶液 中浸泡 1 d ， 干燥 l d ，每 次浸泡前用硝酸调整溶液 的 p H值 至 4 - 3 ，每 7 次干湿循环更 换 1 次浸泡溶液 。 混凝 土配制过程 中， 保持胶凝材 料 5 0 0 k m ， 水胶 比 0 3 4 ，外加 剂掺量 0 8 和砂率 3 8 ( 砂 ： 7 0 0 k g m ， 石 ： 1 1 4 0 k g m ) 不变。试验配合 比见表 2 。 表 2 C 5 0高强 混凝土配合比 k s m 一 9 一 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 C 5 F 3 5 F 4 5$ 2 5$ 3 5 s 4 5 F s 2 5 3 5 4 5 ( a ) C 5 0高强混凝 土表面开始溶蚀时间 C F 2 5玎 5 F 4 5$ 2 5 $ 3 5 S 4 5 2 5 3 5 F S 4 5 ( b ) C 5 0高强混凝土表面溶蚀加重时间 图 1 酸雨侵蚀下 C 5 0高强混凝土表面性状变化时间 2 C5 0高强混凝土抗酸雨侵蚀性能研 究 2 1 酸雨侵蚀后混凝土的表面性状 本 试验 将 酸雨 侵蚀 混凝 土 表 面性状 变 化分 为 三 种 ： 开始溶蚀 ( 试件侧 面有浆液下 流) 、 溶蚀加重 ( 试 件 成型面浮浆溶蚀 ) 、 出现明显蚀坑 。对整个酸雨侵蚀过 程 中混凝土的表面性状进行观察 ，记录混凝土表面性 状发生 明显变化的时问 ( 以酸雨侵蚀循环次数表示 ) ， 结果见 图 l a b O 由图 1 可知 ， 模 拟酸雨侵蚀条件下 ， 早期混凝土表 面即发生溶蚀 ，掺矿物掺合料混凝土表 面溶蚀 时间较 基准混凝土晚 ， 可见矿物掺合料 的掺入 ， 能延缓混凝土 表面发生溶蚀 的时间 ； 矿物掺合料掺量相等 时， 从延缓 混凝土表面性状劣化时间的效果 来看 ，粉煤灰与矿渣 双掺 矿渣单掺 粉煤灰单掺 ；粉煤灰 与矿渣双掺及 矿渣单 掺时 ，混凝土表面性状劣化 时间随其掺量增加 而提前 ， 粉煤灰单掺时 ， 这一规律 并不明显 。粉煤灰与 矿渣双掺 ， 且掺量为 2 5 时 ， 矿物掺合料延缓酸雨侵蚀 混凝土表面的效果最佳 。 2 2 酸雨侵蚀后混凝 土的力学性能 混凝 土试件标准养 护 2 8 d后开始试验 ，每 5 个 喷 淋一 光照酸雨侵蚀循环后测试混凝土 的抗压强度 ， 研究 其变化规律。 2 2 1 矿物掺合料品种对酸雨侵蚀 C 5 0高强混凝土抗 压强度 的影响 图 2 a 、 b 、 C 分 别为 矿物 掺合 料掺量 为 2 5 、 3 5 、 岂 黑 出 一 l 0 一 酸雨侵蚀 循环 次数 次 ( a ) 矿物掺合料掺量为 2 5 越 慧 C F 2 5 F 3 5 F 4 5$ 2 5 $ 3 5 s 4 5 2 5 F s 3 5 F s 4 5 ( C ) C 5 0高强混凝土表 面出现蚀坑时间 4 5 时 ， 粉 煤灰单掺 、 矿渣单 掺 、 粉煤 灰与矿 渣双掺对 酸雨侵蚀条件下 C 5 0高强混凝土抗压强度 的影响。 由图 2 可知 ， 矿物掺合料掺量相等时 ， 酸雨侵蚀过 程 中同期混 凝土抗压强度 的大小顺序为 ：粉煤灰与矿 渣 双掺混凝 土 矿渣单 掺混凝 土 粉煤 灰单 掺混凝 土 基准混凝 土 ； 酸雨侵蚀前期 ， 混凝土抗压强度均有 一 个增长过程 ， 矿渣单掺 、 粉煤灰与矿渣双掺混凝土抗 压强度开始降低的时间较粉煤灰单掺混凝土和基准混 凝土晚 ；除 F 4 5混凝 土抗压强度开始降低时间和基准 混凝土相 当外 ，其他粉煤灰单掺混凝土抗压强度降低 时间均晚于基准混凝 土。 2 2 2 矿物掺合料掺量对酸雨侵蚀 C 5 0高强混凝土抗 压强度 的影响 图 3 a 、 b 、 c 分 别为粉煤 灰单掺 掺量 、矿渣单掺 掺 量 、粉煤灰与矿渣双掺掺量对酸雨侵蚀条件下 C 5 0混 凝 土抗压强度 的影响。 由图 3可知 ，酸雨侵蚀后 ， C 5 0高强混凝土抗压强 度降低的时间随矿物掺合料掺量增加而提前 ( 或一致 ， 5 个侵蚀循环为一个单位 ) ，但 基本较基准混凝 土晚 ； 酸雨侵蚀 开始前( 2 8 d龄期 ) ， F 3 5、 F 4 5、 $ 4 5 、 F S 4 5混凝 土抗压强度低于基准混凝土 ， 5个酸雨侵蚀循环后 ， 掺 矿物掺合料 混凝土 的抗压强度均 已高于同期酸雨侵蚀 的基准 混凝土 ；从酸雨 侵蚀开始 至结束 ，除 F S 2 5和 F S 3 5 个 别点外 ， 混凝 土同期抗 压强度 随矿物掺合 料掺 量增加而降低。 酸雨侵蚀循环次数 次 ( b ) 矿物掺合料掺量为3 5 山 岂 疆 酸雨侵 蚀循 环次 数 次 ( C ) 矿物掺合料掺量为 4 5 图2酸雨侵蚀条件下矿物掺合料品种对 C 5 0高强混凝土抗压强度 的影响 加 8 0 薛 基萑 畦 甾 加 =呈 8 4 O 籁 薛 西 窿 2 0 8 6 4 2 O 、 籁 薛 基 哩甜 孙鑫鹏 ， 李益进 ， 尹健 ， 等 酸雨对桥梁用 C 5 0高强混凝土侵蚀性能影响分析 皇 魁 爱 出 骥 山 岂 暖 酸雨侵蚀循环次数， 次 酸雨侵蚀循环次数， 次 酸雨侵蚀循环次数 次 ( a 粉煤灰单掺 ( b )矿渣单掺 ( c ) 粉煤灰与矿渣双掺 图 3 酸雨侵蚀条件下矿物掺合料掺量对 C 5 0高强混凝土抗压强度 的影响 由图 2 、 图 3可知 ， 酸雨侵蚀? 昆 凝土 的抗压强 度变 化有一个共 同点 ， 即在酸雨侵蚀前期 ， 混凝 土抗压强度 均有一个增长过程 ， 到 中( 后 ) 期 酸雨侵蚀 到一定程度 ， 混凝土 的力学性能开始劣化 ， 直至不 能满足使 用要 求。 酸雨侵蚀前期 ，混凝 土抗压强度增 长主要有 两个 方面 的原 因：一方面是硫 酸盐早期侵蚀对混凝 土的密 实填 充作用 ，这一 阶段硫酸盐侵蚀生成 的石膏 晶体起 到了 填充混凝土内部孔 隙的作用 ，使混凝土抗压强度有所 增长 ；另一方 面是粉煤灰火 山灰效应 的发挥及水 泥熟 料 的进一步水化在这一 阶段得 以明显体现 。酸雨侵蚀 至 中( 后 ) 期 ， 随着 干湿循 环次数 的增 多 ， 和 S 0 4 2 侵 蚀进一步 深入 ， C a ( O H ) 浓度 大幅度 降低 ， 使得一 些必 须在石 灰极 限浓度下才稳定 的水化物逐渐分解而被溶 析 ， 造成 溶蚀破 坏， 同时 生成 的 C a S O 2 H2 0也 逐渐 增 多 ， 其 干燥时在孔隙 中结晶膨胀产 生膨胀压力 ， 同时混 凝土在酸雨喷淋过程 中被不断溶蚀 ，使得 混凝 土的力 学性能不断劣化。 矿物掺合料 的掺人 ，延缓 了酸雨侵蚀混凝土抗 压 强度开始降低的时间 ，并减轻 了混凝土抗压强度 的劣 化程度 ， 改善了混凝 土抗酸雨侵蚀 的能力 。 在混凝 土中 掺人粉煤灰与矿渣 ， 减少 了水泥用量 ， 即减少 了由水泥 带入的 C A含量 ， 同时减少 了水泥水化生成 的 C a ( O H ) 量 ， 从 而减少 了与酸雨溶液 中侵蚀介质反应 的 C a ( O H ) z 量 ； 另一 方面， 粉煤灰火山灰反应生成的水化硅酸钙填 充了水 泥石 中的毛细孔隙 、 增强了混凝土 的密实度 ， 降 低了硫酸盐侵蚀介质的侵入与腐蚀速度。粉煤灰与矿 渣 双掺 ， 可以发挥它们 的叠加协 同效应 ， 优 势互补 ， 从 而进一步提高混凝土的综合性能 。 从试验结果看 ， 粉 煤灰与矿渣双掺 ， 且 掺量 为 2 5 时最优。 2 _ 3 酸雨侵蚀混凝土的中性 化深度 酸雨侵蚀过程 中，由于溶蚀现象 的发生和 酸雨 侵 蚀 的不均匀性 ，混凝土真实 的中性化深度值不便 于测 量 。 但是 ， 经观察发现试验结束后 混凝 土的上表 面层 尚 未有宏观的溶蚀 ，故可 以考虑测量混凝土上表层 的中 性化深度值 来研究酸雨侵蚀混凝土 的中性化深度 。 每经 l 0次侵蚀 循环 ， 将混凝 土试件在 试验机上 劈 裂 ， 在断 面上喷洒浓度 为 】 的酚酞酒精 溶液 ( 含 2 0 蒸馏 水) ， 其中被 H 渗透 至 中性化 的部分不 显色 ， 其 它 部分显示紫红色 。在折断的横截面所对应混凝 土的上 表 面上 以 3 0 ram为间距划线 ，以确定 中性化深度 的测 量点 ， 见 图 4。采用光学显微镜( 裂缝 宽度显微镜) 测得 试件上表面未变色部分的 3个厚度平均值 即为该块混 凝土试 件的 中性化深度值 。每个混凝土编号取 3 个试 件进行测量 ， 取平均值 。 1 图 4试 件 中性 化 深 度 值 测 量 不 意 图 2 _ 3 1 矿物掺合料品种对酸雨侵蚀混凝土 中性化深度 的影响 图 5 a 、 b 、 C分别 为矿 物掺 合料 掺量 为 2 5 、 3 5 、 4 5 时 ， 粉煤灰单 掺 、 矿渣单 掺 、 粉 煤灰 与矿渣双 掺对 酸雨侵蚀混凝 土中性 化深度 的影 响。 由图 5可知 ，混凝土 中性化深 度值随酸雨侵蚀循 环次数增加 而增 大； 矿物掺合料掺 量相等 时 ， 混凝土抗 中性化 能力大小顺序 为 ：粉煤灰单 掺混凝 土 矿渣单 掺混凝 土粉煤灰与矿渣双掺混凝土 。 2 3 2 矿物掺合料掺量对酸雨侵蚀混凝土 中性化 深度 的影响 图 6 a 、 b 、 c 分 别 为粉煤灰 单掺 掺量 、矿渣 单掺掺 量 、粉煤灰与矿渣双掺掺量对酸雨侵蚀混凝土 中性化 深度的影响。 由图 6可知 ，酸雨 侵蚀混凝土 中性化深度值 与矿 物掺合料掺量有关 ， 粉煤灰单掺 ，同期混 凝土 中性化 深度值 CF 2 5 F 3 5 F 4 5 ， 说明粉煤灰单掺降低 了混 凝土抗 中性化能力 ， 而且随着粉煤灰掺量增加 ， 混凝 土 一 1 1 2 0 1 0年第 l 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 昌 导 吕 导 酸雨侵蚀循环次数 次 ( a )矿物掺合料掺量为 2 5 g 昌 岳 酸雨 侵蚀循 环 次数 次 ( b ) 矿物掺合料掺量为 3 5 皇 皇 趟 导 酸雨侵蚀循环次数 次 ( c ) 矿物掺合料掺量为 4 5 图 5 酸雨侵蚀条件下矿物掺合料品种对 C 5 0高强混凝土中性化深度 的影响 酸雨侵 蚀循 环次 数， 次 ( a ) 粉煤灰单掺 g g 账 岳 酸 雨侵蚀 循环 次数， 次 ( b ) 矿 渣单 掺 暑 账 导 图 6 酸雨侵蚀条件下矿物掺合料掺量对 C 5 0高强混凝土中性 化深度 的影响 抗 中性化能力逐渐降低 ； 矿渣单掺 ， 同期混凝土 中性化 深 度值 $ 2 5 CS 3 5 $ 4 5 ； 粉煤 灰与矿 渣双掺 ， 同期 混凝 土中性化深度值 F S 2 5 F S 3 5 C F S 4 5 ，说明不 论矿渣单掺还是粉煤灰 与矿渣双掺 ，掺量合适时均能 提高混凝土抗 中性化能力 。 矿物掺合料的掺入 ，对酸雨侵蚀混凝土抗 中性化 能力有两个方面 的影响 ：一是矿物掺合料取代部分水 泥 ， 使 混凝 土 中水 泥熟料 含量 降低 ，析 出的 C a ( O H ) 数量减少 ，同时矿物掺合料二次水化反应进一步降低 C a ( O H ) 的含量 ， 使 混凝 土抗 中性 化能力下 降 ； 二是矿 物掺合料 的微集料效应能使混凝 土孔 隙细化 ，结构致 密化 ， 使侵蚀介质 的渗入速度 下降， 在一定程度上缓解 酸雨侵蚀 混凝土 的中性化速度同 。从试验结果来看 ， 掺 入粉煤灰对 酸雨侵 蚀混凝土抗 中性化有不利 的影响 ， 掺入矿渣或矿渣 与粉煤灰双掺 ， 且掺量合适 ( 最佳掺量 为 2 5 ) 时 ， 能在一定程度上提高酸雨侵蚀混凝土 的抗 中性化能力。 3结论 ( 1 ) 酸雨侵蚀 条件下 ， 矿物掺合料 的掺入 ， 能延缓 混凝土表面发生溶蚀 的时 间。从延缓混凝土表 面性状 劣化 的效果来看 ，粉煤灰与矿渣双掺 矿渣单掺 粉 煤灰单掺。 ( 2 ) 相 同矿物掺合料掺量混凝土受酸雨 侵蚀 时 ， 粉 煤灰与矿渣双掺混凝土强度降低最少 ，其次是矿渣单 掺混凝土 ， 基准混凝土强度下降最多 ； 粉煤灰与矿渣 双 掺 以及单 掺矿渣 配制 的高强混凝土比单掺粉煤灰配制 的高强混凝土抗 酸雨侵蚀能力强。 一 1 2一 酸 雨侵蚀 循环 次数 次 ( c )粉煤灰与矿渣双掺 ( 3 ) 混凝土 中性化深度值 随酸雨侵蚀循 环次数 的 增加而增大 ；掺矿物掺合料 昆 凝 土抗 中性化 能力大小 顺序 为 ：粉 煤灰 与矿渣 双掺混 凝土 矿 渣单 掺混凝 土 粉煤灰单掺混凝土 。 ( 4 ) 综合实验结果 ， 桥梁用 C 5 0高强混凝土抗 酸雨 侵蚀 的最佳 矿物掺合料组 合为粉煤灰 与矿渣双掺 ， 且 掺量为 2 5 。 参考文献 ： 1 王文兴 中国酸雨成因研究【 J 】 中国环境科学 ， 1 9 9 4 ， 1 4 ( 5 ) ： 3 2 3 3 2 9 2 】T L a r s s e n ， G R， C a r m i c h a e l ， A c i d r a i n a n d a c i d i f i c a t i o n i n C h i n a ： t h e i mP o r t a n e e o f b a s e c a t i o n d e p o s i t i o nEn v ir o n me n t a l P o l l u t i o n 2 0 0 0 ( 1 1 0 ) ：8 9 1 0 2 3 陈烽 模拟酸雨环境下胶砂 、混凝土抗侵蚀性能的试验研究： 硕 士学位论文1 长沙： 中南大学 ， 2 0 0 6 【 4 黄金 国， 关共凑 ， 李 凡佛 山市区大气降水 P H值 的时空 分布及 酸 雨成 因研究 佛山科学技术学院学报( 自然科学版) ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 5 4 - 5 7 5 覃立香 ， 胡曙光 ， 马保 国 粉煤灰对 混凝土抗硫酸盐性 能的影 响 混凝 土与水泥制品 1 9 9 7 ( 5 ) ： 1 5 2 0 6 T a r u n R N a i k ， S h i w S S i n g h ， Mo h a mma d M Ho s s a i n P r o p e r t i e s o f h i g h p e r f o r ma nc e c o n c r e t e s y s t e ms i nc o r p o r a t i n g l a r g e a mo u n t s o f hi g h l i m e f l y a s h【 J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 1 9 5 2 0 4 7 h a o d o n g X i e ， L i Q i ， D i n g Z h o u I n v e s t i g a t io n of t h e e f f e c t s o f a c i d r a i n o n t h e d e t e rio r a t i o n o f c e me n t c o n c r e t e u s i n g a c c e l e r a t e d t e s t s e s t a b l i s h e d i n l a b o r a t o r y J A t mo s p h e ri c E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 4 ， 3 8 ( 2 7 ) ： 4 4 5 7 - 4 4 6 6 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 1 1 3 作者简介 ： 孙鑫鹏( 1 9 8 3 - ) ， 男， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 长沙韶山南路 2 2号 中南大学铁道校区建工楼 3 0 6 # 联 系电话 ： 1 5 9 7 3 1 7 6 9 5 3