酸性硫酸盐侵蚀下混凝土材料的性能.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 8期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 1 9 酸性硫酸盐侵蚀下混凝土材料的性能 唐咸燕 。楼胜俊 z ,何智海 。 1 _1 k 海建科检验有限公 司 ,上海 2 0 0 0 3 2 ;2 上海浦东 国际机场建设工程检测有 限公 司,上海 2 0 1 2 0 7 3 东
2、南大学 材料科学与工程学 院,江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要 : 研究 了混凝土在 p H = 3 0 并 含有 5 N a 2 s ( ) 4 的酸性硫 酸盐溶液 中长期浸泡过程 中的性能变化规律。试验结果显示 : 粉煤灰 、 矿渣 粉的掺人可以改善混凝土的抗酸性硫酸盐侵蚀 ; 在酸性硫酸盐侵蚀条件下, 混凝土表面明显受到侵蚀, 其强度先升高后降低; 在侵蚀过程 中, 不但有 c a组分的流失和 C S H的分解 , 而且还有膨胀性产物石膏的生成 。因此 , 其破坏进程较纯纯硫酸盐环境更快 , 其破坏形式为溶 蚀劣化 和膨胀剥蚀劣化的共同破坏形 式。 关键词 : 混凝土 ;硫酸
3、盐侵蚀 ; 酸陛介质 中图分 类号: T U5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 8 0 0 5 4 0 4 Pr op er t i e s of c onc r e t e d ue t o a c i d s ul f a t e a t t ac k T ANGXi a n - y a n , L OUS h eng -j u n 2 HEZ h i - h a i ( 1 S h a h lg h a i J i a n k eT e c h n i c a l As s e s s me n t o f C
4、o n s tr u c t i o nCo , L t d , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 , C h i n a ; 2 S h a n g h a i Pu d o n g i n t e rn a t i o n a l a i r p o r t As s e s s m e n t o fCo n s t r u c t i o n Co , Lt d , S h a n g h a i 2 01 2 0 7, Ch i n a 3 C o l l e g e o f Mate fi a l s S c i e n c e a n dE n g i n
5、e e r i n g , S o u t h e a s t Un i v e r s i t y , Na n j i n g2 1 1 1 8 9 , C h i n a ) Abs t r a c t :Th e a c i d s u l f a t e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e wh i c h we r e me a s u r e d by lon g s o a ki n g i n s o l u t i o n wh i c h c o n t a i n e d 5 Na 2 8 04 a n d wi t h a
6、p H= 30 wa e x p r e s s e d i n t h i s p a p e r Th e t e s t r e s ul t s s h o we d t h a t : t h e mi x t u r e o ff l y a s h a n d s l a g p o wd e r c a n i mp r o v e t h e a c i d s u l f a t e r e s i s t anc e o f c o n c r e t e; i n the a c i d s u l f a t e c o n d i t i o n, t h e c
7、o n c r e t e s u r f a c e wa s c o r r o d e d s e v e r e l y, a n d i t S s t r e n g t h i S u p fir s t a nd t h e n d o wn; i n t h e c o u r s e of c o r r o s i o n n o t o n l y i n c lud i n g th e l e a k i n g o fCa c o mp o u n d a nd t h e d e c o mp o u nd i n g o f C S H b u t a l s
8、 o c o n t a i n i n g t h e f o r ma t i o n o f t h e e x pa n s i v e p r o d u c t g y p s u m, s o t h e c o rro s i o n p r o c e s s i s f a s t e r tha n the p u r e l y s u l f a t e c o rr o s i o n , a n d t h e f a i l u r e f o r m c a n b e s u b j e c t e d t o d i s s o l u t i o n c
9、 o rr o s i o n a n d e x pa n d e d a b r a s i o n c o rro s i o n Ke y w or ds : c o n c r e t e; s u l f a t e a t t a c k; a c i dme d i u m 0 引言 硫酸盐侵蚀是导致混凝土破坏的一个重要因素, 广泛存在 于沿海、 湖泊、 盐浸渍等地区, 这些地区的硫酸盐一般呈中性或 者碱性。 然而, 在有的环境条件下的硫酸盐却是带酸性的。 当黄 铁矿暴露在空气中, 由于氧化作用, 当水沿含有黄铁矿的混凝 土块的微细孑 L 隙渗透或者沿混凝土与黄铁矿的交界边沿流
10、动时 , 便会形成的酸性的硫酸盐侵蚀环境。 另外 , 我国南方地区的降 雨和土壤也是酸性的, 部分工业污水和城市生活废水等也都带 有酸性 , 并含有较高 的硫酸盐 。当这些酸性 的硫酸盐 与混凝 土 接触时, 将会很容易与碱性的混凝土发生一系列的反应 , 对混 凝土的耐久性产生不利影响。国内纯硫酸盐侵蚀方面的研究报 道较多, 但是酸性硫酸盐侵蚀在这方面的研究仅有少量报道 1 。 为了进一步了解混凝土在此种侵蚀环境条件下的劣化机理, 本 试验配制了p H值为 3 0并含有 5 Na S O 4 的酸性硫酸盐溶液 对混凝土进行长期浸泡试验 。 1 原材料 水泥: 湖南湘乡普通硅酸盐水泥, 2 8
11、d抗折强度为 6 7MP a , 收稿 日期 :2 0 1 0 - 0 3 2 4 5 4 抗压强度为 3 6 1 MP a 。 粉煤灰: I 级粉煤灰, 湖南湘潭发电厂产, 密度为 2 3 4 g c m , 比表 面积为 5 1 2 mV k g 。 矿渣微粉 : 江西联达高新建材厂生产 $ 9 5级粒化高炉矿渣 超细粉 , 密度 2 8 8 e C c m , 比表面 4 3 5 mV k g 。 砂 : 湘江河砂 , 细度模数 2 7 , 属 I I 区中砂 。 石子 : 5 2 0 mm石灰石碎石 , 压碎指标为 6 8 。 水: 普通 自来水。 水泥、 粉煤灰、 矿渣微粉的化学组成
12、见表 1 。 表 1 水泥、 粉煤灰、 矿渣微粉 的化学组成 2试 验 方 法 2 1 试件 成 型与测 试 在室内温度为 2 4, 相对湿度为 7 5 左右的环境下 , 按表 2 成型基准混凝土试件 , 同时按表 3的胶凝材料配合比成型掺有 粉煤灰、 矿渣微粉的混凝土试件 , 试件成型后于标准养护条件 下养护 2 4 h后拆模, 之后继续放人标准养护室养护至规定龄期。 标准养护混凝土强度按 G B T 5 0 0 8 1 8 1 2 o 0 2 普通混凝土力学 性能试验方法标准 进行, 试件尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 1 0 0 m m, 混凝土氯离子扩散系数参照文献 2
13、 】 按照德国 A a c h e n T业大学 建筑材料研究所( i a b c ) 采用的氯离子电迁移快速试验方法RC M 法 , 测试混凝土中氯离子非稳态快速迁移的扩散系数。 混凝土 抗酸性硫酸盐侵蚀试件尺寸为, 1 , 5 o m mx 5 0 mm的小型圆柱体 试件, 是从标养 1 4 d后的 1 5 0 mmx 1 5 0 m mx 5 5 0 0 mm的试件上 钻芯取样所得。 小型厕柱体试件制作好以后, 继续于标准养护室 养护至2 8 d龄期, 之后浸泡于p H = 3 0左右含 5 Na 2 S O 的溶液 中, 每周以稀硫酸用 p H计测试调整溶液的p H值, 每半个月或 1
14、 个月进行一次混凝土性能测试, 并更换一次溶液, 其强度测试 方法参照 C E C S 0 3 : 8 8 钻芯法检测混凝土强度技术规程 进行。 表 2基准混凝土配合比各材料用量 2 _ 2 评 价 指标 试件在侵蚀溶液中抗腐蚀性能用强度变化率来衡量。强度 变化率的定义如下 : 比同龄期抗压强度变化率: Kv 3 = : I二 : 1 0 0 ( 1 ) 式中: K 一 溶液中试件抗压强度与同龄期清水养护试件抗压 强度的强度变化率; Fy Q 一 混凝土试件在清水中养护至 i 龄期时的抗压强 度, MP a ( 2 8 d 之前为标养) ; 厂 - 一混凝土试件在酸雨溶液中养护至 i 龄期时的
15、抗 压强度 , MP a ; 3 试验结果与讨论 3 1 标准养护条件下混凝土的性能测试 3 1 1 抗压强度 在标准养护条件下混凝土的强度发展规律见图 1 。 由图 1 可见, 在 3 、 7 d龄期时, 不管粉煤灰和矿渣粉以何种方式掺入, 其抗压强度值都较基准混凝土低, 2 8 d时, 除单掺 2 0 粉煤灰的 试件其抗压强度较基准混凝土试件低外, 其他的掺和方式都较 基准试件高, 5 6 d龄期以后, 所有掺有粉煤灰 、 矿渣粉的试件其 抗压强度都较基准混凝土的高。 粉煤灰与矿渣微粉作为活性矿物掺合料, 通过其“ 二次反 应 ” , 对混凝 土的力学性能有一定的影 响。由上述的混凝 土抗
16、压 强度可知, 在 5 6 d以前, 当掺量相同时, 单掺矿渣微粉要 比单掺 粉煤灰的效果好, 其原因是矿渣微粉的反应活性要优于粉煤灰, 矿渣微粉能够提供更多的水化产物, 对降低水泥石孔隙率方面 有更明显的作用 ; 在 5 6 d以后, 粉煤灰活性开始充分发挥, 其强 日 山 、 憩 龄期 , d 图 1 标准养护条件下混凝土的强度发展规律 度逐步超过单掺矿渣微粉的混凝土。当粉煤灰和矿渣微粉复合 双掺时, 其抗压强度表现出了较好的“ 超叠加效应” 。 3 1 2 氯离子扩散系数 从图2可以看出, 粉煤灰、 矿渣微粉的掺人显著降低了混 凝土的2 8 d氯离子扩散系数 , 而且当粉煤灰、 矿渣微粉
17、双掺时 其值更低。在粉煤灰、 矿渣微粉掺量为胶凝材料总量的2 0 时, 单掺矿渣微粉的混凝土氯离子扩散系数较掺单粉煤灰的低; 两 者复合双掺时, 矿渣微粉掺量越大其氯离子扩散系数越低。因 此 , 在 2 8 d时, 矿渣粉对混凝土的抗氯离子渗透性能改善作用 较粉煤灰好。 毒 盎 rJ 样本 图 2 混凝土的氯离子扩散 系数 C 1 - 的渗透性一般由两个基本因素决定: 一是混凝土对 C 1 谚 透扩散的阻碍能力, 这种阻碍能力决定于混凝土的孔隙率及孔 径分布; 二是混凝土对 c l 一 的物理或化学结合能力, 即固化能力。 矿物掺合料的掺入, 一方面改善了混凝土的孔结构和级配, 孔隙 率下降,
18、 使孔细化, 且混凝土的孔隙率和最可几半径随着矿物 掺合料掺量的增加而减小 ; 另一方面改善了混凝土水化产物 的组成 , 掺合料的火山灰效应减少了粗大结晶、 稳定性极差的 水化产物 C a ( O H) : 的数量及其在水泥石一 集料界面过渡区的富 集与定向排列 , 从而优化了界面结构4 1 , 并且其二次水化反应能 生成更多的低碱度的 C S - H凝胶。 因此矿物掺合料的掺人不但 可以改善混凝土的渗透性 , 提高混凝土的密实度, 而且由于孔 细化、 以及低碱度的 C S H凝胶的生成 , 都可以增加混凝土结 合 c l 一 的能力5 1 , 进而提高其抗氯离子扩散能力。 3 2 酸性 硫
19、酸盐侵 蚀环 境 下混凝 土的性 能测 试 3 2 1 外观变化 从试块上钻芯取样后的试件的初始外观以及经溶液浸泡 后的外观变化如图 3 所示, 从图中可知试件的外观颜色及表面 平整度变化趋势。混凝土的外观明显受到溶液的侵蚀, 一般是 随侵蚀时间的增长 , 其外观颜色逐渐变黄, 而且局部呈浅黄色, 似铁锈, 之后再逐渐变成灰白色即材料表面形成一些白色针状 结晶斑点, 似白霜覆盖于材料表面。腐蚀产物脱落的特征是分 5 5 层脱落, 即层状脱落, 使得混凝土表面变得粗糙 , 骨料暴露。掺 有粉煤灰和矿渣粉的试件其颜色变化进程较基准混凝土慢, 如 图 3 ( b ) 所示。 由此可知, 粉煤灰 、
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