矿物掺合料对海洋混凝土结构硫酸盐侵蚀影响的试验研究.pdf

文 章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 4 ) 0 卜0 0 3 4 0 4 生态建材 ： l _ 1 矿物掺合料对海洋混凝土结构硫酸盐侵蚀影响的试验研究 E x p e r i m e n t a l S t u d y o f E ff e c t o f Mi n e r a l A d m i x t u r e o n S u l f a t e C o r r o s i o n o f C o n c r e t e S t r u c t u r e u n d e r S e a - Wa t e r E n v i r o n me n t 马志鸣 ，赵铁军z ，王鹏刚z ，卢峰2 ( 1 青 岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 2 6 6 1 0 0 ；2 青岛理工大学 ，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 对不 同配合 比混凝土试件在海洋水下区进行现场暴露试验 ，通过实验室内对混凝土中硫酸根 离子含量测 定 ，研 究腐蚀龄 期 、水胶 比及 矿 物掺合 料对 混凝 土抗硫 酸盐侵 蚀 的影响 ，探 究硫 酸 盐在 混凝土 内部侵 蚀 机理。试验结果表明：侵蚀到混凝土试件 内部的 自由硫 酸根 离子含量与总硫酸根 离子含量 ，随着侵蚀龄 期和水胶比的不同而变化 ，同时向混凝土中掺入一定比例的粉煤灰 、矿粉等矿物掺合料 可以改善混凝土 试件 内部孔隙结构，有效提高其抗硫酸盐侵蚀能力 ，从而延长混凝土结构耐久性能。 关键词： 暴露试验 ；硫酸盐侵蚀 ；矿物掺合料 ；耐久性 中图分类号 ：TU 5 2 8 3 3 文献标 志码 ：A 0 前 言 混凝土结构耐久性不足是引起其达不到设计使用寿命 的主要原因，如果在恶劣环境下，更易加速其耐久性劣化 速率。海洋环境中含有大量侵蚀介质，随着水分快速侵入到 混凝土结构内部，造成混凝土内部一系列物理化学反应， 尤其以氯离子、硫酸根离子侵蚀最为严重。氯离子侵蚀作 用导致混凝土内部钢筋锈蚀；硫酸根侵蚀作用表现为硫酸 根离子与混凝土的水化产物发生化学反应，形成腐蚀产物， 在内部膨胀压力作用下使混凝土发生破坏。海水盐度含量 在 3 2 一 3 7 ，p H值在 8 8 2之间，是一种天然强电解质 溶液，同时也是悬浮泥沙、溶解气体、生物以及腐败有机 物的复杂混合体系，在海洋环境多种因素耦合作用下加剧 了混凝土损伤程度。由于现代土木技术的发展，海洋暴 露环境下混凝土结构越来越多，故研究实际暴露环境下混 凝土内部硫酸盐侵蚀机理尤为重要 1 _ 。 根据国内外研究试验，多为试验室环境下混凝土中硫 酸盐侵蚀机理的研究，而对实际海洋暴露环境下混凝土内 部硫酸盐侵蚀研究涉及较少 6 - 9 。基于上述原因，本文通 过对不同混凝土试件进行海洋暴露试验，制备不同配合比 的混凝土试件，通过对不同因素下试件内部硫酸根离子的 测定，探究海洋暴露环境下混凝土内部硫酸盐侵蚀机理， 为实际海洋工程中混凝土结构的应用提供理论依据。 1 原材料与配合比 本试验用原材料均来自青岛本地，同时根据海洋腐蚀 环境下硫酸根离子试验结合考虑不同强度等级、不同矿物 掺合料等因素，通过前期大量试验研究对比，从经济与实 用等方面研究了7个混凝土配合比，见表 1 。 表 1 混凝土配合比 k g m 基金项目：国家自然科学基金发展项目 ( 5 0 7 3 9 0 0 1 )，青岛市基础研究- 联合基金计划项目 ( 1 3 1 4 1 1 5 - j c h ) 3 4 CoAL AsH 1 201 4 2 试验内容及试验方法 2 1 潮汐区暴露试验 混凝土试块在标准养护室中养护 2 8 d 后取出，取两 个相对侧面为试验用面，其余四面用环氧树脂 ( 环氧树脂 与固化剂体积比为 3 ： 1 ) 密封，保证硫酸盐侵蚀为一维扩 散。为了防止运送过程中试块表面的环氧树脂层遭到破坏， 等到环氧树脂完全干透后再送往海洋暴露试验区，并按照 试验设计方案将试块放在规定腐蚀区域。由于水下区试块 会受到水流的冲击，所以都用铁丝网尽量固定住。分别在 6 、1 2 、1 6 个月取出海洋暴露环境下试件，在试验室测定 硫酸根离子含量随深度的变化曲线 2 2 分光光度计测定硫酸根含量 将经过海洋实际暴露后混凝土试件进行烘干处理，用 混凝土磨粉机对试件磨粉取样，置于密封袋中保存；用稀 硝酸 ( 或蒸馏水 ) 和无水硫酸钠配置硫酸钠标准溶液，根 据不同的硫酸根离子质量和吸光光度值标定硫酸根离子曲 线；本试验用 7 5 5 B型紫外线可见分光光度计 ( 根据已标 定的硫酸根离子曲线 ) 测试溶液中的硫酸根离子质量含量， 具体试验步骤如下所示： 取 2 g 经过 0 1 m m筛子的混凝土粉末，用 5 0 m L 蒸馏水或稀硝酸 ( 浓硝酸：水= 1 5 ： 8 5 )浸泡，再振荡 2 h ， 浸泡 2 4 h ； 用慢速滤纸过滤试样，取 2 5 m L 滤液加入比色管中； 在比色管中先加入2 5 m L盐酸，再加入1 0 m L 混合 均匀的 B a C 1 ， -P V A混合液； 定容到 5 0 m L ，用手振荡 2 3 次，静置 5 m i n ，然 后用分光光度计法测定。然后用硫酸钠标定标准溶液曲 线，再经读数换算后即可测定试验样品中硫酸根离子的含 量 。 3 结果分析与讨论 3 1 腐蚀龄期对混凝土硫酸盐损伤的影响 为研究海洋暴露环境下侵蚀龄期对混凝土硫酸盐损伤 的影响，选取c 3 0 、 c 5 0两种配合比试件进行海洋水下区 暴露试验，本试验总持续时间为 1 6 个月，分别将达到6 个 月、1 2 个月、1 6 个月侵蚀龄期试件取出，用分光光度计法 测定不同试件、不同侵蚀龄期下混凝土中自由硫酸根含量 和总硫酸根含量，得到硫酸根离子分布图，如图 1 、图2 所示 深度 m m ( a)自由硫酸根 图 1 C 3 0混凝土在水下区的硫酸根离子分布 由图 1 可知，经过 1 6个月侵蚀后混凝土试件中自由 硫酸根离子和总硫酸根离子含量均较侵蚀龄期 6个月混凝 土试件高，且混凝土表层自由硫酸根离子随着侵蚀龄期的 不同，变化幅度较大，分析其原因有，由于 C 3 0水灰比 大，混凝土试件内部密实度不高，当侵蚀龄期较长时 ( 1 6 个月 )，硫酸根离子在混凝土表面形成的腐蚀产物导致表 层混凝土膨胀破坏，从而导致硫酸根离子快速渗入；而表 层总硫酸根离子含量随着侵蚀龄期的不同，变化较小，这 表明混凝土试件在腐蚀龄期为6个月时，其表层硫酸根离 子含量已趋于饱和状态，故随着侵蚀龄期的增加，其变化 幅度较小。 ( b ) 总硫酸根 图 2 C 5 0混凝土在水下区的硫酸根离子分布 1 2 0 1 4 粉煤灰 3 5 图 2为 C 5 0混凝土在水下区的硫酸根离子分布图， 总硫酸根离子变化趋势与 C 3 0混凝土相同。对比图 1 、 图2数据可知，C 5 0 混凝土的表层总硫酸根离子浓度略大 于 C 3 0混凝土，这是由于 C 5 0混凝土胶凝材料用量高， 其反应的硫酸根离子的量也越多，从而导致混凝土表层硫 酸根离子浓度增加。而 C 5 0的自由硫酸根离子浓度则保持 在 0 0 5 0 0 7 左右，这表明渗入的硫酸根离子大部分 参与化学反应所致，从而使表层自由硫酸根离子含量维持 在较为稳定状态。 3 2 水胶比对混凝土硫酸盐侵蚀的影响 为研究不同水胶比对混凝土硫酸盐侵蚀的影响，本试 验选取水胶比为 0 4 5( 码头 )、0 - 3 6( 挡浪坝 )以及 0 5 5 ( 扭工字) 混凝土试件 ( 海洋水下区暴露龄期均为l 2 个月)， 利用分光光度计法测定混凝土中不同深度的自由硫酸根离 子、总硫酸根离子含量，其试验结果如图 3 所示。 2 0 l | 8 1 6 1 蠖 1 2 鑫 10 笆n 8 馨 n 6 嗵 n4 02 0 0 图 3 不同水胶比混凝土试件中硫酸根离子分布 由图 3中数据可知，不同试件中自由氯离子含量相对 较低，并且在距离表面4 m m内含量较高，之后趋于稳定。 分析其原因是因为混凝土试件在侵蚀环境下，表层混凝土 先发生硫酸盐侵蚀，侵入表层的硫酸根离子含量远大于反 应的硫酸根离子含量，造成混凝土表层自由硫酸根离子较 高，而混凝土内部受硫酸盐侵蚀程度低，且侵入内部的硫 酸根离子与反应的硫酸根离子几乎保持动态平衡，故混 凝土内部自由硫酸根含量趋于稳定。 试件中总硫酸根离子浓度随深度增加呈下降趋势变化， 3 6 CD 妇 1 2 01 4 测定腐蚀龄期为 1 2 个月的混凝土中硫酸根离子含量，其浓 度的大小关系依次为挡浪坝 扭工字 码头， 水胶比最小的 试件 ( 挡浪坝试件) 总硫酸根离子含量最高。分析其原因 有：硫酸根离子在混凝土中传输的同时，也会与混凝土的 水化产物发生反应，一方面由于码头试件水胶比最小，混 凝土试件密实度最高，从而硫酸根离子侵入混凝土内部的 含量及速率降低，总硫酸根离子含量减少；另一方面，由 于挡浪坝试件中水泥用量最多，故其反应的硫酸根离子越 多，又会使得试件总硫酸根离子浓度增加，在两种原因共 同作用下构成了上述总硫酸根离子分布曲线图。 3 3 矿物掺合料对混凝土硫酸盐损伤的影响 为探讨双掺粉煤灰和矿粉替代部分水泥对改善混凝土 抗硫酸盐的侵蚀性能，取C 3 0 C 3 0 F S和C 5 0 C 5 0 F S 两个系 列的混凝土试件 ( 海洋水下区暴露龄期均为 1 2 个月)，利 用分光光度计法测定不同深度混凝土中总硫酸根离子含量， 其试验结果见图4 。 n8 n 7 0 6 0 5 鑫 n 4 3 鹾 n 2 躜 n1 n0 图4 矿物掺合料对混凝土腐蚀1 2 个月硫酸根离子传输影响 由图4可知，不同配比试件硫酸根离子含量变化曲线 趋势相同，均随着渗透深度的增加而降低，达到一定深度 后总硫酸根离子含量趋于平稳。对于同一水胶比混凝土试 件，在同一深度处，掺入矿物掺合料的混凝土试件中总硫 酸根离子含量均小于未掺入矿物掺合料的混凝土试件，且 掺加矿物掺合料后试件表层总硫酸根离子浓度明显降低。 其原因有，矿物掺合料替代部分水泥后，一方面减少了 混凝土中与硫酸根离子反应的水化产物，另一方面矿物 ( 下转第3 9 页) 器 褪 髓鹾蹈 4 结 论 自配缓凝剂 N应用在粉刷石膏中，使粉刷石膏有更长 的可操作时间，提高掺量可达到 1 0 h以上，且抗折抗压强 度方面优势明显，同缓凝效果的前提下，自配缓凝剂 N配 制的粉刷石膏抗折、抗压强度分别高出S G 一 1 0配制粉刷石 膏强度的 1 5 和 4 0 以上；自配缓凝剂 N配制的粉刷石 膏拉伸强度破坏形式为界面破坏，也表现出了强度上的优 势；自配缓凝剂 N配制的粉刷石膏施工性较好，不粘刀， 利于加快施工进度。 参考文献 1 】王波， 徐惠忠 改性膨润土在粉刷石膏中的应用【 J 】 非金属矿， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 3 1 ： 1 1 - 1 2 【 2 】计亦奇， 刘豫峰， 刘巽伯 s 型石膏缓凝剂的性能 J l材料研究， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 2 2 2 4 【 3 】叶蓓红， 王瑞麟 粉刷石膏常用外加剂 化学建材， 2 0 0 1 ( 1 ) ：4 2 4 4 【 4 】姜从盛， 王莹 外加剂及掺材对粉刷石膏性能的影响 硅酸盐通报， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 9 2 - 9 4 【 5 】彭家惠， 彭志辉， 瞿金东， 等 缓凝剂对建筑石膏结构与强度的负面影 响【 J 】 _ 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 4 ， 3 6 ( 9 ) ： 1 1 7 7 - 1 1 8 1 【 6 】马保国， 黄洪财， 蹇守卫， 等 新型缓凝剂对建筑石膏性能的影响及机理 研究 J 重庆建筑大学学报， 2 0 0 8 ， 3 O ( 5 ) ： 1 4 4 1 4 7 作者简介：曹晓梅( 1 9 8 4 一) ， 女， 硕士 联系方式：江苏省常州市武进 弋工 业集中区尼高 路1 号 江苏尼高科技有限公司，E - m a i l ： x m c a o h a p p y 1 6 3 c o rn 收稿日期： 2 0 1 2年 8月 2 0日 ( 上接第3 6 页) 掺合料密实了混凝土内部的孑 L 结构，使得混凝土变得更加 致密，降低了硫酸根离子的侵入含量和侵蚀速率。在水下 区腐蚀 l 2个月的混凝土，C 3 0系列混凝土掺加矿物掺合 料后在距表面4 m m处内部硫酸根离子含量就开始处于动 态平衡状态，未掺加的混凝土则在 8 m m后才开始达到稳 定状态；C 5 0 系列混凝土掺加矿物掺合料后在距表面6 m m， 而未掺的混凝土在距表面 1 0 m m内部的硫酸根离子含量 开始处于稳定状态；同时稳定阶段掺加矿物掺合料的混凝 土内硫酸根离子含量也是明显小于未掺加的，分析其原因 有，由于矿物掺合料的加入，改善了试件内部孔隙结构， 使试件更加密实，从而侵入试件内部的硫酸根离子含量有 明显的降低，提高了试件的抗硫酸盐侵蚀能力。 4 结论 ( 1 ) 在海洋水下区暴露环境下，混凝土中以自由态存 在的硫酸根离子含量相对较小，同时侵蚀龄期对自由硫酸 根离子含量变化影响较小；而总硫酸根离子含量随着侵蚀 龄期的增加而增加。 ( 2 ) 混凝土的水胶比对硫酸根离子的传输影响较大， 降低水胶比可以提高试件抗硫酸盐侵蚀能力，降低硫酸根 离子侵蚀速率；但同时由于水泥用量的增加反而会提高反 应硫酸根离子含量，使混凝土中总硫酸根离子含量增加。 ( 3 )由于粉煤灰一 矿粉等矿物掺合料的微集料反应及 火山灰效应，矿物掺合料的加入可以改善试件内部孔隙结 构，较未掺入矿物掺合料试件的总硫酸根离子含量有明显 降低，提高了试件抗硫酸盐侵蚀能力， 从而延长混凝土结 构耐久性能。 参考文献 1 】刘伟龙，金祖权，常洪雷，等矿粉混凝土在海洋环境下的氯离子 侵蚀研究【 J 】 粉煤灰 ，2 O 1 3( 3 )： 1 4 1 7 2 】周效国，汪俊华 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规 律 J 混凝土与水泥制品，2 0 l 2( 1 0 )： 5 1 5 6 3 】高建明，丁平华，陈吓敏，等 干湿交替作用下混凝土抗硫酸盐侵 蚀性能研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1( 5 )： 1 7 - 2 1 4 马志鸣， 赵铁军， 王鹏刚，等 海洋浪花飞溅区混凝土硫酸盐侵蚀试验 研究 J 】 混凝土与水泥制品， 2 0 1 3( 1 0 )： 5 8 5 】金祖权，赵铁军，孙伟 硫酸盐对混凝土腐蚀研究【 J 】 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 3 ) ： 9 0 9 3 6 贺传卿，李永贵 ，王怀义 ，等 硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀及其防 治措施【 J 混凝土，2 0 0 3 ( 3 ) ： 5 6 5 7 7 】梁咏宁， 袁迎曙 超声检测混凝土硫酸盐侵蚀的研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 4( 8 )： 1 5 1 7 8 乔宏霞， 何忠茂，刘翠兰 硫酸盐环境混凝土动弹性模量及微观研 究 J 】 哈尔滨工业大学学报 ，2 0 0 8 ， 4 0 ( 8 ) ： 1 3 0 2 1 3 0 6 9 刘连新 察尔汗盐湖及超盐渍土地区混凝土腐蚀及预防初探 J 建 筑材料学报 ，2 0 0 1 ， 4 ( 4 ) ： 3 9 5 4 0 0 作者简介：-( 1 9 8 7 -) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 混凝土结构耐久 性 单位：青岛市市政工程设计研究院有限责任公司， 通信方式：山东省 青岛市深圳路2 2 2 号， 天泰金融广场A 座1 3 5， 邮编： 2 6 6 1 0 0 ， E - m a i l ： l 0 3 5 l 1 6 3 q q c o m 收稿日期： 2 0 1 2年 9月 2 3日 1 2 0 1 4 粉煤灰 3 9