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2 0 1 4 年 第 3 期 (总 第 2 9 3 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 01 4( To t a 1 No 2 9 3) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE 掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响 刘俊 。牛荻涛，宋华 ( 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 在普通混凝土中单独或复合掺人粉煤灰、 矿渣和硅灰， 配制出不同种类掺合料混凝土试块， 进行若干次干湿循环硫酸 盐侵蚀试验后 ， 通过对试块外观变化的记录， 质量损失、 抗压强度 、 饱和面吸水率的测试 ， 考察和研究不 同掺合料对 昆 凝土抗硫酸 盐侵蚀性能的影响。 结果表明： 多种掺合料合理配合使用 ， 能明显提高混凝土抗硫硫酸盐侵蚀性能。 关键词 ： 掺合料 ；混凝土 ；硫酸盐侵蚀 ；干湿交替 ；S E M 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 7 9 0 5 I n f l ue n c e s b r o u gh t b y a dmi x t u r e s t o t h e s ulf a t e c o r r o s i o n o f c o n c r e t e U 【 ， J i m。 N1 U Di t a o。 SONG Hu a ( Co l l e g eo f C i v i l E n g i n e e r i n gXi a ll Un i v e r s i t yo f Ar c h i t e c t u r e a n dT e c h n o l o g y ， Xi an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y a d d i n g fl y a s h ， s l a g a n d s i l i c a f u me i n t o c o n c r e t e s o l e l y o r mu l t i p l y d i ff e r e n t t y p e s o f t e s t b l o c k s a r e p r e p a r e d f o r t h e we t rin g d r y i n g c y c l e s e x pe r i me nt i n t h e c o n di t i o n o f s ul f a t e c o r r os i o n I n a s s o c i a t e wi th the c h a n g e s h a p p e n e d on the s ur f a c e o f t h e s e t e s t b l oc ks ， t he i r ma s s l os s ， c o mpr e s s i v e s t r e ng t h l os s a n d wa t e r a bs o r p t i o n o f t he s a t u r a t e d s ur f a c e wi l l be t e s t e d t o s t ud y t h e i nf ul e n c e s b r o u g ht b y d i f f e r e nt a d mi x tur e s o n the s u l f a t e c o r r o s i on o f c o n c r e t e ， T he t e s t l e a d s t o the c o n c l us i o n tha t b y s u i t a bl y e mpl o y i ng the p r o po r t i o no f mu l t ip l e a d mi x t u r e s ， the d ura b i l i tyo f c o n c r e t e u n d e r s u l f a t e c o r r o s i v e e n v i r o n me n t c a nb e e n h a n c e dg r e a t l y Key w or ds： a dm i x t u r e s ； c o nc r e t e； s u l f a t e c o r r o s i o n； we t t i ng d r ying c y c l e ； S EM 0引言 1 试验 硫酸盐侵蚀破坏被认为是引起混凝 土材料 失效破坏 的四大主要 因素之一 。 同时硫酸盐侵蚀也是影响因素最复 杂 ， 危害性最大的一种环境水侵蚀。 我 国西部部分地区土壤 中含有大量的硫酸盐等强腐蚀性介质； 东部沿海一带的滨 海盐土和海水 中含有 大量 的硫 酸盐 ； 各类石油化工 ， 钢铁 冶金工 厂排放 的废 水 中也含有大量 硫酸根离 子 。 这 些土 壤 、 地下水 、 海水 以及 工业 废水中的硫酸根离子渗入? 昆 凝 土内部并与水化产物发生反应 ， 产生膨胀 、 开裂 、 剥落等现 象 ， 从 而使得混凝土强度和黏性降低并丧失 。 硫酸盐与混凝土水化产物发生化学反应 ， 生成 的石膏 、 钙矾石和钙硅石体积都会增大 ， 是典型的膨胀性侵蚀 【1 l 。 许 多研究 】 _ 2 J表 明 ： 粉煤灰 、 矿渣等掺 合料 的加入能有效降低 胶凝材料中c A 的含量， 消耗多余的水化产物 C a ( O H) ， 从 而改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能 。 但掺 合料种 类繁多 ， 化 学成分差别较大 ， 不 同掺合料混凝土 的抗硫酸盐性能差异 也很大 ， 本试验通过调控粉煤灰 、 矿渣 和硅灰的掺人种类 和质量 ， 考察和研究不 同掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性 能的影响 1 1试 验 材 料 原材料 为 ： 广州 市珠江水 泥有 限公 司生 产的粤 秀牌 P I I 4 2 5 R级( 旋窑 ) 水泥， 化学成分及物理力学性能见 表 1 、 2 ； 粉煤灰为粤和牌 I I 级粉煤灰 ， 化学成分及物理性能 见表 1 、 3 ； 矿渣采用马鞍山产矿渣微粉 ， 化学成分及物理性 能见表 1 、 4 ； 硅灰为 E l k e mMi c r o s i l i c a ， 化学成分及物理性能 见表 1 、 5 ； 减水剂采用聚羧酸高效减水剂 ， 减水效果在2 0 左 右， 掺人量为胶凝材料质量的 1 ； 水为普通 自来水 ； 石子采 用陕西泾 阳的锤破石( 粒径为 5 1 0 m m) ， 压碎指标为 1 2 ； 砂为陕西灞河 中砂 ， 细度模数为 3 0 。 表 1 原 材料 的化 学成 分 材料 S i O 2 A 1 2 0 3 C a O Mg O S 0 3 F e 2 0 3 L o s s 2 2 0 5 4 3 4 6 2 6 8 458 22 1 2 O 6 263 4 9 2 2 2 7 8 O 3 2 2 08 4 0 6 0 0 2 8 043 3 3 1 4 1 2 91 40 O 0 675 0 0 4 2 _ 8 0 1 23 9 2 0 6 0 - 3 2 0 - 3 2 060 1 4 3 20O 水泥 粉煤灰 矿 渣 硅灰 1 2试 验 方 法 按照表 6 配合 比制成 1 0 0 m mx l 0 0 m mx l 0 0 m m 立方 体混凝 土试块 ， 试块 成型后 1 d拆模 ， 标 准养 护 2 8 d后 自 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 9 1 8 基金项目：国家杰出青年科学基金( 5 0 7 2 5 8 2 4 ) ； “ 十一五” 国家科技支撑计划课题( 2 0 0 6 B A J 0 3 A 0 2 0 3 ) 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 水泥物理力学性能 4 5 Ix m筛余细度 烧失量 需水率 含水率 S O ， 表 5 硅灰物理性能 然养护至 9 0 d ， 采用 干湿交替的方法进行抗硫 酸盐腐蚀试 验。 其中干湿交替加速侵蚀的具体方法是 ： 将试块置于 2 5 浓度的硫酸盐溶液 中浸泡 1 6 h ， 取出晾干 1 h ， 再置入 8 O 烘箱中烘干6 h ， 取出冷却 1 h 为一个循环， 一个循环共 2 4 h 。 每一个月更换一次溶液 。 在 6 0 、 9 0 、 1 2 0 、 1 5 0 、 1 8 0 次循环 时 进行外观拍照 ， 质量测量和强度测试 ， 并将有代表性 的组 分在强度测试后取样 ， 利用电镜扫描观察微观形貌 。 表 6 试块配合 比 2 结果与分析 参照文献 2 3 和其他一些资料 ， 本试验选取试块表观 变化 、 质量变化 、 孑 L 隙率变化和抗压强度变化 四个因素 ， 来 分析和研究掺合料混凝土的硫酸盐侵蚀破坏情况； 通过部 分试块的微观形貌变化 ， 补充说明掺合料对混凝土抗硫酸 盐性能的影响 。 2 1 表 观 变化 图 1 所示 为不 同掺合料 混凝 土试块在 1 8 0 次 干湿交 替加速侵蚀循环后的表观照片。 由图 1 可见 ， 试块 L S 1 出现 两 条粗 大裂缝 ， 成型面棱 、 角部已完全破坏 ， 粗骨料脱落 ， 混凝土变的松散 ， 破损处出现 白色膏状物质。 试块 L S 2 角部 开裂 ， 四角均存在不 同程度 的掉角 ， 表面有少量起皮 ， 在棱 部位置出现砂粒外漏现象。 试块 L S 3 存在严重开裂现象， 部分为贯通裂缝 ， 角部粗骨料外漏 ， 基本丧失强度。 试块L S 4 表面水泥浆析出， 表面存在起皮 ， 砂粒外漏 。 试块 L S 5除棱 角轻微破坏 ， 表面基本保持完整 ， 角部 出现轻微砂浆外漏 现象。 试块 L S 6 存在轻微掉角 ， 表面水泥浆析 出严重 ， 砂粒 外漏。 试块 L S 7 整体保持完好， 仅棱角部出现轻微砂浆外漏 现象 。 比较各个试块表观破坏情况可见 ， 粉煤灰 、 矿渣 和硅 灰对混凝 土的抗硫酸盐性能均有不 同程度的提高 ， 合理的 多种掺合料配合使用抗硫作用更佳 ； 掺合料对混凝土的抗 硫 酸盐侵蚀性 能由优到劣依次为 ： L S 7 ( 掺入 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿渣 + 1 0 硅灰 ) ， L S 5 ( 掺入 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿渣 ) ， L S 4 ( 掺入 1 0 硅灰 ) ， L S 2 ( 掺入 3 0 粉煤灰 ) ， L S 6 ( 掺入 3 0 粉煤灰 + 1 0 d i 灰 ) ， L S 3 ( 掺人 5 0 矿渣) ， L S I ( 纯混凝土) 。 2 2 质 量变化 图2所示为不同掺合料混凝土试块在 0 - 1 8 0次干湿 8 0 交 替加速侵蚀循环后的质量 ( 在 8 O烘箱 中烘干 1 2 h后 称重 ) 变化 。 由图 2可见 ， 各试块 在 6 0次干 湿循环后 ， 质 量出现 了不同程度 的提高 ， 这是 由于溶液 中的硫酸钠 与水 泥水化产物反应生成钙矾石 和石膏晶体 ， 钙矾石和石膏 晶 体 的溶解度较低 ， 容易在溶液 中析 出， 使得质量有不 同程 度 的提高 。 其中试块 L S 1 ( 纯混 凝土 ) 的质量在 6 0 次循环 时就到达最大值 ， 而随着干湿循环次数的增加 ， 质量递减 ， 原 因在于纯混凝土试块抗硫 酸盐侵蚀性 能较差 ， 随着试块 破坏 的加剧 ， 试块严重剥蚀 ， 出现骨料脱落 ， 甚至掉角 ， 掉 棱 ， 这使得试块质量下降 。 试块 L S 2 ( 掺人 3 0 粉煤灰 ) 在 1 2 0 次 干湿循 环又出现质量轻微 的增加 ， 其原 因在于 ： 粉 煤灰 的活性相对较低 ， 其火 山灰反应 主要发生在后期 ， 硫 酸盐溶液促进 了粉煤灰混凝土二次水化反应 【2 _ 。 试块 L S 3 ( 掺入 5 0 矿渣 ) 在 1 5 0 次干湿循环后质量又有较 明显的 增 加 ， 其原 因在于 ： 钙 矾石和石膏 晶体产生 的膨 胀作 用 ， 使得试 块出现裂缝 ； 裂缝 的进 一步发育 ， 溶液中的硫酸钠 可以与试块 内部的水泥水 化产物反应 ， 生成 更多 的钙矾 石和石膏 晶体 ， 使得 质量增加 ； 随着膨胀应 力不断增 大 ， 使得试块表面粗骨料脱落 ， 质量又开始减小 。 试块 L S 5 ( 掺 入 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿渣 ) 和 L S 7 ( 掺入 2 0 粉 煤灰 十 3 0 矿渣 + 1 0 硅灰 ) 在前 6 0次干湿循 环 ， 质量 增加 ， 而后 随 试验周期的增加 ， 质量变化较小 。 其原 因在于掺合料 的掺 量较大时， 掺合料的加入能有效降低胶凝材料中c 的含 量 ， 同时消耗多余的水化产物 C a ( 0 H) ： ， 提升了混凝土的 抗硫酸盐侵蚀性能。 比较各个试块的质量损失情况可见， 多种掺合料配合使用的 L S 7 ( 掺人 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿渣 + 1 0 硅灰 ) 和 L S 5 ( 掺人 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿 渣 ) 的抗硫 酸 盐侵蚀性能较优 。 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 导致不利影 响同 。 宏观量 上 ， 在 1 8 0 次干湿交替循环后 ， L S 5 和L S 7 质量和强度下降不大， 但随着钙矾石进一步发育， 将 出现大量的膨胀裂缝， 对混凝土结构造成破坏。 3结 论 本研究主要采用对 比试验 的方法 ， 对单掺和多掺混凝 土试块进行干湿循环加速腐蚀试验。 通过对试块外观变化 的记录 ， 质量损失 、 抗压强度 、 饱和面 吸水率 的测试 ， 并对 部分样品进行 了 S E M 观察 ， 考察和研究不同掺合料对混凝 土抗硫酸盐侵蚀性能的影响 ， 主要结论如下 ： ( 1 ) 在硫酸盐干湿循环腐蚀试验 中 ， 不同种类 的掺合 料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能有一个先提高后下降 的过程 ， 但峰值出现的时间、 提高和下降的幅度相差较大。 ( 2 ) 掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀具有一定的提高作 用 ， 主要原 因在于掺合料的加入 ， 细化 了混凝 土孑 L 结构 ， 提 高密实性 ； 降低 C A 含量 ， 减小膨胀 ； 降低 C a ( O H) 含量 ， 减轻侵蚀 。 ( 3 ) 通过 S E M 观察 ， 经硫酸盐侵蚀 后 ， 纯混凝 土生 成 物主要为针状钙矾石， 掺合料混凝土生成物主要为短柱状 钙矾石 。 ( 4 ) 根据试验结果综合评定 ， 各掺合 料混凝土 的抗硫 酸盐侵蚀效果由优到劣依次为 ： 掺入 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿 上接 第 7 8页 参考文献： 赵顺增 ， 游宝坤 补偿收缩混凝土裂渗控制技术及其应用【 M 】 E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 2 2 游宝坤 关于三膨胀源膨胀剂问题的解析 J 膨胀剂与膨胀混凝 土 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 2 【 3 】KR S T UL O VI C R， DAB I C P A c o n c e p t u a l mo d e l o f t h e c e me n t h y - d r a t i o n p r o c e s s C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 0 ， 3 0 ) ： 6 9 3 69 8 【 4 F OL L I AR D K J H e a t o f h y d r a t i o n mo d e l s f o r c e me n t i t i o u s ma t e r i als J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2 ( 1 ) ： 2 4 3 3 【 5 】B E N T Z D P T h r e e - d i me n s i o n a l c o mp u t e r s i mu l a t i o n o f P o m l a n d c e me n t h y d r a t i o n a n d mi c r o s t r u c t u r e d e v e l o p me n t J o u rna l o f Am e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y ， 1 9 9 7 ， 8 0 ( 1 ) ： 3 2 1 f 6 V o j t e c h F r i e d M a c m i l l a n 物理化学 M 薛宽宏 ， 泽 北京 ： 高等教 育出版社 ， 1 9 8 4 p 0 0 0 、 c 渣 + 1 0 硅灰 ， 掺入 2 0 粉煤灰 + 3 0 矿渣 ， 掺入 1 0 硅灰 ， 掺人 3 0 粉煤灰 ， 掺入 3 0 粉煤灰 + 1 0 硅灰， 掺入 5 0 矿 渣 ， 纯混凝土 。 ( 5 ) 结合本试验 的结果 ， 建议后续 的掺合料 混凝土硫 酸盐腐蚀试验干湿循环次数应该增至 2 4 0 次或更多 ， 以更 清楚 了解和分析掺合料混凝土 的后期抗硫酸盐性能。 参考文献 ： 1 张誉 混凝土结构耐久性概论【 M 】 上海： 上海科学技术出版社， 2 0 0 3 2 】亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题f J 1 _ 混凝土， 1 9 9 5 ( 3 ) ： 9 - 1 8 3 梁咏亍， 袁迎曙 硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀破坏的机 理【 J 】 6 圭 酸盐学报， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 8 【 4 】王琴 干湿交替环境下混凝土硫酸盐侵蚀的试验研究 J 】 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 2 9 3 1 f 5 】 杨瑞海 复合矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响【 J 1 粉煤 灰综合利用 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 2 1 2 4 6 吴宗道钙矾石的显微形貌 J J 中国建材科技 ， 1 9 9 5 ， 4 ( 4 ) ： 9 - 1 4 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 刘俊 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 从事结构安全性鉴定和检测 加固、 混凝土结构耐久性研究。 西安市碑林区雁塔路中段 1 3 号 ( 7 1 0 0 5 5 ) 1 3 5 7 2 03 2 3 7 9 7 】李华， 孙伟， 刘加平 X R D R i e t v e l d法用于水泥基材料物相的定 量分析 ： 昆 凝土， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 1 - 5 8 Y O U N G R A T h e r i e t v e l d m e t h o d M O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 3 【 9 】WA L E N T A G， F U L L MA N N T， G I M E N E Z MQ u a n t i t a t i v e r i e t v e l d a n a l y s i s o f c e m e n t a n d c l i n k e r J I n t C e m R e v ， 2 0 0 1 ： 5 1 5 4 1 0 】 傅献彩， 陈瑞华 物理化学【 M 】 北京： 人民教育出版社， 1 9 8 1 【 1 1 巴布什金 B N， 马特维耶夫 T M 硅酸盐热力学【 M 蒲心诚 ， 曹建 华 ， 译 E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 4 【 1 2 陈容， 陈志源 高钙粉煤灰中游离氧化钙水化动力学研究J _建 筑材料学报， 2 0 0 0 ， 3 ( 2 ) ： 1 4 7 1 5 0 作者简介 联 系地址 联系电话 ： 李华( 1 9 8 7 一 ) ， 女， 硕士。 南京市江宁区万安西路 5 9 号 江苏省建筑科学研究 院有限公司( 2 1 1 1 0 3 ) 1 3 6 5 51 61 7 56 重盟 口 中 国 工 程院院 长 周济一 行 赴南 方路 机参 观考 察 2 0 1 4 年 2 月 2 5日， 中国工程院周济院长在福建省副省长洪捷 序的陪同下 ， 率 国家“ 数控一代 ” 专家组赴福建南方路 面机械有限公司考察调研。 南方路机董事长方庆熙对专家组 的到来表示欢迎 ， 并向专家组介 绍了南方路机的发展历程 ， 展示 了南方路机主要产 品和设备这两年来所取得 的技术突破 。 南方路机作 为集矿 山石料采集 、 固体废 弃物再生处理 、 移动破碎筛分设备 、 机制砂生产线 、 工程材料和建材制成品综 合搅拌的整体工厂化解决方案 ， 全方位配套设备研发制造的提供商 ， 其始终秉承的“ 专业 、 专注” 的企业理念 ， 赢得了周济 院长的认可。当听闻近年来南方路机通过企业转型发展， 将产业链拓展到建材骨料的领域， 并引进国际上顶尖的制砂技 术 ， 生产优质精品机制砂 ， 领航 国内制砂技术变革 ， 周济院长表示只有专注于核心技术研发和创新 的企业 ， 才能最终推动 产业的不断 向前发展 ， 南方路机在这方面走在了行业前沿。 在参观结束后 ， 专家组一行对南方路机在工程机械行业 的贡献表示 肯定 ， 并对南方路机 的新发展寄予厚望。 R3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m