矿物掺合料对混凝土抗酸雨侵蚀特性的影响.pdf

第 1 6卷第 3 期 2 0 1 3年 6月 建筑材料学报 j oURNAI 0F B UI L DI N G MATERI AL S Vo 1 1 6 ， No 3 J u n ， 2 0 1 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 4 1 6 0 6 矿物掺合料对 混凝 土抗酸雨侵蚀特性的影响 王 凯 ， 马保 国 ， 张 泓 源 ( 1 华东 交通 大学 土木 建筑 学 院 ， 江 西 南 昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 武汉理 工大 学 硅酸盐 建筑 材料 国家重 点实 验室 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ：通过 室 内加速 腐蚀试 验 ， 用球压 痕和 超 声 波方 法研 究 了含 不 同矿物 掺 合料 ( 高钙 粉 煤灰 、 磨 细 高炉矿渣 、 硅 粉 ) 混凝 土在模 拟酸 雨 ( p H一2 ) 下 的损 伤 劣化过 程友特 点 结果表 明 ： 在 混凝 土 中掺 入 一定 量 、 适 宜的矿 物掺 合料 ， 因其 发 生 火 山灰反 应 而使 体 系 C a ( OH) 含 量 降低 、 微 结 构 更加 致 密 ， 在一 定程 度上延 缓 了酸雨 对混凝 土 的侵 蚀破 坏进 程 ， 提 高 了混 凝 土 的耐 酸 雨侵蚀 能力 ， 其 中尤 以 高钙粉 煤灰 、 磨 细 高炉矿 渣 和硅粉 三元 复掺 效果 最 为明 显 ， 但 总 体上 延 缓作 用有 限 ， 含 矿 物掺 合 料 混凝 土在酸 雨侵蚀 持 续作 用下仍会 遭到 严重侵 蚀破 坏 含 矿物 掺 合料 混 凝 土酸 雨侵 蚀 破 坏主要 是 H。 。 溶蚀 性破 坏和 S O ： 一膨 胀性破 坏 共 同作 用 的结果 关键 词 ：混凝 土 ；酸 雨侵蚀 ； 矿 物掺 合料 ； 表 面损伤 ；内部损 伤 中 图分类 号 ：T U5 2 8 0 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 3 0 07 Ef f e c t o f M i n e r a l Adm i x t u r e s o n De t e r i O r a t i 0 n o f Co n c r e t e u n d e r Ac i d Ra i n At t a c k W AN G K ai ，M A Bao gu o 。ZHA NG H o n g yua n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，E a s t Ch i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Na n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ，Chi na： 2 S t a t e Ke y La b or a t or y o f Si l i c a t e Mat e r i a l s f o r Ar c h i t e c t ur e s，W uha n Uni v e r s i t y o f Te c h no l og y ，W uha n 4 30 07 0，Ch i na ) Ab s t r a c t ：Thr o ug h a c c e l e r a t e d c o r r os i o n t e s t s。t he d a ma ge pr o c e s s e s o f t he c o nc r e t e s c o nt a i ni ng di f f e r e nt mi n e r a l a d mi x t u r e s ( h i g h c a l c i u m f l y a s h( HF A) ，g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g( GGB FS )a n d s i l i c a f u me( SF) )i n s i m ul a t e d a c i d r a i n s o l u t i o ns ( p H 一 2)we r e i nv e s t i g a t e d by s ph e r e i nde nt a t i o n a nd uI t r a s 0 no s c o pe me t h o ds Th e r e s u l t s s ho w t ha t t he a dd i t i o n o f s ui t a bl e m i ne r a l a dmi xt ur e s c a n r e t a r d t h e d a ma ge p r o c e s s O f c on c r e t e s c a u s e d b y a c i d r a i n a nd i mp r o v e i t s r e s i s t a n c e t o s ome e x t e nt ，e s p e c i a l l y f o r t ho s e wi t h H FA ，GGBFS a nd SF a d de d t o ge t he r Th e i m p r o ve m e nt r e s ul t s f r om t he po z z ol a ni c e f f e c t o f mi n e r a 1 a d mi x t u r e s t o r e d u c e t h e c o n t e n t o f Ca ( OH) 2 i n c o n c r e t e s a n d ma k e t h e i r mi c r o s t r u c t u r e mo r e d e n s i t v How e ve r，t he f un c t i on i s f i ni t e a s a who l e a nd t h e c on c r e t e s c o n t a i n i ng mi n e r a l a d mi xt u r e s c a n s t i l l s uf f e r s e - v e r e d a ma ge u nd e r t he s u s t a i n i ng a c t i on m i ne r a 1 a d m i x t ur e s i n a c i d r a i n s o l u t i on s s i o n o f SO4 t o ge t he r o f a c i d r a i n a t t a c k The d e t e r i o r a t i o n i s c a us e d b y t h e d i s s o l v i n g e r o s i on o f o f t he c o nc r e t e s c o nt a i ni ng H a nd t he e x p a nd i ng e r o Ke y wo r ds ：c o nc r e t e；a c i d r a i n a t t a c k；mi n e r a l a d m i x t ur e；s u r f a c e d a ma g e；i nne r d a ma ge 酸 雨 主 要 是 指 一 种 含 有 H ， S O ； 一， NH ， Mg 等 多种介 质 、 p H 值小 于 5 6的酸 性降水 在 酸雨侵蚀下混凝土中 C a ( OH) ， C S H 等水化产物 易发生 分解 和 或 产生膨 胀 ， 致使 混凝 土力 学性 能大 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 2 7 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 0 3 2 7 基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目( 5 1 0 0 2 0 5 0 ， 5 1 0 0 2 0 7 2 ) ； 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 9 7 3计 划 ) 项 目 ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 2 O1 1 CB 61 2 21 0 ) 第一作者 ： 王凯( 1 9 7 5 ) ， 男 ， 河南信 阳人 ， 华东交通大学副教授 ， 博士 E - ma i l ： wk l a b 1 6 3 C O IT I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王 凯 ， 等 ： 矿物掺合料对混凝 土抗 酸雨侵蚀特性的影响 4 1 7 幅度 降低甚 至丧 失 ， 特别 是 混 凝 土 内钢筋 很 容 易 会 因此而失去保护 ， 加速锈蚀 ， 致使其结构承载力极大 衰减 2 因此 ， 如 何 提 高 混 凝 土 结 构 抗 酸 雨 侵 蚀 能 力 ， 已 日益 引起 广 大 酸雨 重 灾 区土 木 工程 界 的普 遍 关 注 目前 国内外研究者主要从水泥品种和矿物掺合 料 两方 面 对 此进 行 了探 讨 S e r s a l e和 H 等l_ 3 通 过室内加速腐蚀试验研究发现， 矿渣水泥混凝土较 普 通硅 酸盐 水 泥 混 凝 土 具 有 更 强 的 耐 酸 雨 侵 蚀 能 力 ； B e l i e 等 通过 类 似研究认 为矿 渣 水 泥 或粉 煤 灰 水 泥并 不能 提 高混 凝 土 抗 酸 雨侵 蚀 能 力 ， 且 水 泥 中 矿 渣或 粉煤 灰 的掺 量 对 此 并 不 能产 生 多 大 影 响 ， 这 与王 凯 等 的研 究 结 果 类 似 S a r i e i e n等 3 研 究 表 得 注 意的是 ， 采用 以混 凝土 强度 、 质量 等变化 为 基础 的酸雨 侵蚀评 价 指 标 ， 由于 混 凝 土腐 蚀 试 件 尺 寸 的 变 化 ， 将 使得 按 诸 如 GB T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普 通 混凝 土 力学 性能试 验 方 法标 准 计 算 得 到 的试 验 结果 偏 小 ， 并且 这类 评 价指 标 对 混 凝 土腐 蚀 初 期 的 损伤 也 不敏 感 本 文采用 球压 痕 和 超 声 波 方法 ， 通 过 实 时监 测 模拟酸雨下混凝土 的损伤劣化过程及特点， 对 比研 究几 种 常用矿 物掺 合料 对混凝 土抗 酸雨 侵蚀 特性 的 影响， 并借助 x射线衍射和扫描 电子显微镜对该影 响机 理进 行微 观分 析 1 试 验 明 ， 混 凝土 中 内掺 2 0 ”粉 煤 灰 对 提 高 其 耐 酸 雨 侵 1 1 原 材料 蚀能力有明显作用 ； 肖佳等_ 8 认 为粉煤灰对酸雨环 武汉亚东水泥厂产 的 4 2 5级普通硅酸盐水泥 境 中混 凝土 强度 保 持 不 变 的 能力 并 没 有 改 善 作用 ； ( O P C ) ， 比 表 面 积 3 5 O m。 k g ； 武 汉 电厂 产 的 高 钙 陈寒斌 等 以长期 浸泡 方式模 拟 酸雨对 掺 有 以锻 烧 粉 煤 灰 ( HF A) ， 比表 面积 4 0 5 IT I k g ， 游 离 氧 化 钙 煤矸石与矿渣、 粉煤灰等按一定 比例磨细而成 的复 含量小于 2 5 ， 改性后达到国家 级粉煤灰使用 合矿物掺合料的混凝土侵蚀， 得到了这种 以多种工 标 准 ； 武 汉 钢 铁 厂 产 的 粒 化 磨 细 高 炉 矿 渣 业废渣配制的复合矿物掺合料对混凝土抗酸雨侵蚀 ( G GB F S ) ， 比表 面积 4 6 0 m。 k g ； 挪威 埃肯公 司提 性 有积 极作 用 的结论 上述 表 明 ， 就矿 物掺 合料 对 混 供 的 中密质超 细硅 粉 ( S F ) ， 比表 面积 2 5 0 0 m k g 凝 土抗 酸雨 侵蚀 特 性 作 用 而 言 ， 目前 人 们 的看 法 尚 破 碎石 英 岩 碎 石 ， 最 大 粒 径 1 0 r n l T l ； 天 然 河 砂 ， 细 存 在较 大分 歧 ， 对 混凝 土 在 酸 雨 中的损 伤 劣 化 过 程 度模 数 2 7 5 ； 江 苏 建 筑 科 学 研 究 院 产 的聚 羧 酸 盐 也 尚未达到统一 和明确的认识 ， 且相关研究也仅限 高效减水剂 ， 减水率为 2 6 8 水泥和矿物掺合 料 于对受 损混 凝土 强度 、 质量 等变化 进行 定性 分 析 值 的化学 组 成 见表 1 表 1 水泥和矿物掺合料的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s ( b y ma s s )o f c e me n t a n d mi n e r a l a d mi x t u r e s Si Oz Ai z 03 Fe 2 03 Ca O Na 2 0 K2 0 Mg O S O3 I L 1 2试 验方 法 混凝土坍落度控制在 1 4 0 1 8 0 mm 含矿物掺 合料 混凝 土在普 通 硅 酸盐 水 泥 混凝 土 ( O P C C) 配 比 的基 础上 以矿物 掺合 料 等量 替 代 3 0 水 泥 配 制 混 凝土 配合 比及抗 压 强 度 如 表 2所 示 混 凝 土试 件 尺 寸 4 0 mm4 O mm 1 6 O F il m， 养 护 2 4 h拆 模 ， 再 标 准养护 3 O d 用 环氧 树脂 对试件 左 、 右表 面进行 防腐 处理 ， 晾干后将其浸泡于溶液( 清水或模拟酸雨) 中， 然后进行干湿交替循环腐蚀 干湿交替循环制度为 ： 试件 在溶 液 中浸泡 1 d后 ， 在 2 5 左右 下 再 自然 干 燥 1 d ， 即为 1个循 环 浸泡 过 程 中 ， 每 天用 P S 一 1 I 型 1 ) 文 中涉及 的粉煤灰掺量 、 游离氧化钙含量等均为质量分数 酸 度计 实时 监 测 溶 液 p H 值 ， 若 溶 液 p H 值 发 生 变 化 ， 则用 稀硝 酸调 整至 原酸度 每 2次 干湿交 替循 环 更换 1次溶液 根 据 中国酸 雨典 型 离 子 和酸 度 组 成 1 ， 模 拟 酸 雨采用浓硫酸、 硫 酸铵 、 硫酸镁等分析纯试剂配制， 但 为 了加快 腐 蚀 速 度 ， 增 大 了 部 分 离 子 浓 度 ， 其 中 S O 一浓 度为 0 0 1 mo l L 模拟 酸雨 的 p H一2 0 ， 其 离子组成详见文献 6 当混凝 土在溶 液 中干湿交 替循 环腐 蚀到 达预 定 腐蚀时间( ) 时， 将混凝 土取出晾干 ， 然后测试其表 面 弹性模 量 和超声 波速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 8 建筑材料学报 第 1 6卷 参照文献 1 o ， 采用球压痕法测定混凝土压痕 应 力一 应 变 关 系 曲线 ， 据 此 确 定 混 凝 土表 面 弹 性 模 量 步骤如下 ： 在试件表面沿长度方向中心轴线上每 隔 2 O mm 选 1个 测 点 ( 第 1个 测 点 距 试 件 左 边 缘 1 0 mm， 共 7 个 点 ) 将 2 5 mm 直径 的 轴承 钢球 压 头 ( 弹性 模量 和泊松 比分 别 为 2 1 0 GP a和 0 3 ) 在 所 选 测点处与试件表面无摩擦接触 采用 TY E 一 3 0 0型数 控万 能材料 试验 机对 置于试 验机上 下压 板之 间 的试 件 施 加 如 2 0 0 ， 2 6 0 N 不 同 的 低 压 力 ， 加 载 速 率 1 ram rai n ， 荷 载停 留时 间 2 0 S 试 验结 束 后 ， 用 美 国 产 MS 一 5型可读数 光学 显微 镜对 试件 压 痕 ( 凹坑 ) 直 径进 行测量 ， 测 量 时取 相 互 垂直 的 2次 直径 数 据 进 行 平均 ， 若 2次 直 径 之 差 大 于 3 O 9 6 ， 此 压 痕 不 予 考 虑 绘 制 混凝 土 压 痕应 力 一 应 变关 系 曲线 ， 取此 曲线 弹性 阶段 的斜率 ， 即为 混凝 土表 面弹性模 量 考虑 到 数 据结 果有 一定 的离散 性 ， 故 采 用 3个试 件 进 行 平 行 试验 ， 最终 结果 取 3次试验 的平 均值 按下式 计 算 混 凝 土相对 表面 弹性 模量 E 一 ( 1 ) 式 中 ： E E 分 别为 混凝 土 在模 拟 酸 雨和 水 中腐 蚀 相 同时间 t 后 的表 面弹性模 量 ( GP a ) 参照文献E 6 ， 采用对测 法测定混凝 土超 声波 速 ， 设备为 D J US 一 0 5智能超声波检测仪 根据超声 波速 ， 算得 混 凝 土 动 弹性 模 量L 1 按 下 式 计 算 混 凝 土相 对动 弹性模 量 E 一 番 ( 2 ) 式中： E E 分别为混凝土在模拟酸雨和水中腐蚀 相 同时间 t 后 的动 弹性模量 ( GP a ) 酸雨对 混凝 土侵蚀 主要 是一种 由表 及里 的逐 层 破坏 在混凝土腐蚀初期 ， 混凝土外层发生破坏 ， 但 其 内部强度依然存在 ， 因此若采用常规评价方法( 以 混凝土强度损失率等为指标) ， 将难以准确评价酸雨 侵蚀下混凝土 的实际损伤发展状态 1 为此 ， 本文 提 出采 用混 凝 土 相 对 表 面 弹 性模 量 ( E ) 和 相 对 动 弹性模 量 ( E ) 作 为评 价指 标 ， 分别 用来 评 判 酸雨 侵 蚀过程 中混 凝土 表 层 和 内部 的腐 蚀 损 伤程 度 ， 以描 述酸雨 侵蚀 下混凝 土 的劣 化过程 2结果与讨论 2 1 表面 腐蚀损 伤 模 拟 酸雨 侵 蚀 下 混 凝 土 的相 对 表 面 弹 性 模 量 ( E 。 ) 如 图 1 所 示 由图 1可见 ， 对 于 所测 混 凝 土 ， 其 E 。 均 随着腐蚀 时 间的延长 而逐 渐 衰减 ， 整 个 变化 可 分为初始快速下降、 稳定下降和临近破坏的急速下 降 3个 阶 段 第 1阶段 ， 即腐 蚀 初 期 ， 腐 蚀 时 间 为 3 0 4 0 d ， 混凝 土 E 陕速 衰 减 2 O 2 5 但 不 同 混凝 土 E 。 的 降幅不 同 ， 含 矿物 掺 合料 混 凝土 E 的 衰减较普通混凝土( OP C C) 小 ， 其 中又以高钙粉煤 灰、 磨细高炉矿渣和硅粉三元复掺混凝土 F S S C的 降幅最小 第 2阶段 ， 各混凝土 E 的衰减趋势趋于 平缓 对于混 凝土 OP C C， 第 2阶段 时 间约 为 1 1 0 d ， 而混凝 土 F S S C， G GB F S C， HF AC则 分 别 延 长 1 0 ， 6 ， 4 d左 右 ， 表 明在混凝 土 中掺入合 适 的矿 物掺 合料 可一 定程度 延缓模 拟酸雨 对混凝 土 表面 的侵蚀 劣化 进程 第 3阶段 ， 各混凝土的 E ， 又开始显著下降 经 模拟 酸雨腐 蚀 1 8 0 d ， 混 凝 土 O P C C的 E 。 为 0 2 2 5 ， 混凝 土 HF AC， G GB F S C和 F S S C的 E 虽较 0P C C 的大 ， 但 相 差 不 多 ， 分 别 为 0 2 3 3 ， 0 2 4 2和 0 2 4 8 ， 图 1 模拟 酸雨侵蚀下混凝土的相对表面弹性模量 Fi g 1 Re l a t i v e s u r f a c e e l a s t i c i t y mo d u l e ( E )o f c on c r e t e un de r s i mul a t e d a c i d r a i n at t a c k 眦 一 0 H F 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 王凯 ， 等 ： 矿物掺合料对混凝土抗酸雨侵蚀特性的影响 4 2 1 9 I o 1 1 陈寒斌 ， 陈剑雄 ， 肖斐 掺复合 矿物超细粉 混凝土 的耐久性研 究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 3 ) ： 3 5 3 3 5 6 CHEN Ha n b i n， CHEN J i a n x i o n g， XI AO Fe i S t u d y o n t he du r a bil i t y o f c o n c r e t e mo d i f i e d b y c o mp l e x m i n e r a l s u p e r f i n e p o wd e r J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 9( 3 ) ： 3 5 3 3 5 6 ( i n Ch i n e s e ) 陈志城 。 包亦望 酸环境腐蚀 对混凝土接触变形和损伤的影响 J 建筑 材料学报 ， 2 0 0 1 ， 4 ( 3 ) ： 2 4 4 2 4 9 CHEN Zh i c h e n g， BAo Yi wa n g I n f l u e nc e o f e n v i r o n m e n t a l c or r o s i o n o n c o n t a c t d e f o r m a t i o n a n d d a m a g e o f c o n c r e t e ma t e r i a l s J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 1 ， 4 ( 3 ) ： 2 4 4 2 4 9 ( i n Ch i n e s e ) 税 国双 ， 汪越胜 ， 曲建民 材料力 学性 退化 的超 声无损检 测与 评价E J 力学进展 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 5 2 6 8 SHUI Gu o s hu a n g，WANG Yu e s h e n g。QU J i a n mi nAd v a n c e s in n o n d e s t r u c t i v e t e s t a n d e v a l u a t i o n o f ma t e r i a l d e g r a d a t i o n u s i n g n o n l i n e a r u l t r a s o u n d J Ad v a n c e s i n Me c h a n i c s ， 1 2 1 3 1 4 3 2 0 0 5， 3 5 ( 1 )： 5 2 6 8 ( i n Ch i n e s e ) 王凯 ， 马保国 ， 龙世宗 酸雨侵蚀下 水泥石物相 组成变化 的微 观分析 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 )： 8 8 0 8 8 4 W ANG Ka i ， M A Ba o g u o， LONG Sh i z o n g M ic r o a n a l y s i s o f p ha s e c o m p o s i t i o n s c h a n ge o f h a r d e ne d c e me n t p a s t e t o a c id r a i n a t t a c k J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 9 ， 3 7( 5 )： 8 8 0 8 8 4 ( i n Ch i ne s e ) 余红发 ， 孙伟 ， 鄢 良慧， 等 在盐湖环境 中高强与高性 能混凝 土 的抗冻性口 硅酸盐学报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 7 ) ： 8 4 2 8 4 8 YU H o ng - f a ， S U N W e i ， YAN Li a n g h u i ， e t a i Fr e e z i n g t h a wi n g d u r a b i l i t y o f h i g h s t r e ng t h a n d h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e e x p o s e d t o s a l t l a k e s J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y， 2 0 0 4， 3 2 ( 7 )： 8 4 2 8 4 8 ( i n Ch i n e s e ) S HI Ca i - j u n ， S TE GE MANN J A Ac i d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f d i f f e r e n t c e me n t i n g ma t e r i a l s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 0， 3 0( 2 )： 8 0 3 8 0 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m