含石膏质岩集料混凝土内部硫酸盐侵蚀评估方法研究.pdf

2 0 1 2 年 第 5 期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 01 2 ( To t a I NO2 71 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I N1 CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 2 1 含石膏质岩集料混凝土内部硫酸盐侵蚀评估方法研究 刘江 。柯达 2 1刘昌国 ，李北星 ( 1 湖北 省宜 巴高速公路建设指挥部 ，湖北 宜 昌 4 4 3 7 0 0 ；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： 集料中掺杂过量的硫酸盐尤其是石膏会引起混凝土内部硫酸盐侵蚀， 通过膨胀率和强度试验， 研究了集料中掺杂石膏的粒径 、 掺合料种类和养护温度对混凝土抗内部硫酸盐侵蚀的影响， 讨论了膨胀率 、 抗折强度和抗压强度这 3 个指标在评估混凝土内部硫酸盐侵 蚀中的意义。 结果表明： 膨胀率能更好地反映混凝土内部硫酸盐侵蚀的大小， 比较适合作为评价指标， 而抗压强度和抗折强度因为存在数 据跳差等问题， 作为评价指标的参考性较差。 关键词： 内部硫酸盐侵蚀；含石膏质岩集料；混凝土；评价指标 中图分类号 ： T U5 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 2 ) o 5 0 0 6 4 0 3 E va l ua t i on me t hod o f i n t er na l s ul pha t e a t t a c k o f c onc r e t e wi t h gy ps e ous r oc k s a s a gg r ega t e LI U J i a n gt , KEDa 2 , LI U Ch a n g- g u o ， L1Be i - x i n g ( 1 ， He a d q u a r t e r s o f Y i c h a n g B a d o n gHi g h w a yC o n s t r u c t i o no f Hu b e i P r o v i n c e ， Yi c h a n g 4 4 3 7 0 0 ， C h i n a ； 2 S t a t e Ke y L a b o r a t o r yo f S i l i c a t eMa t e ri a l s f o r A r c h i t e c t u r e ， Wu h a nU n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o n t a mi n a t i o n o f a g g r e g a t e s w i t h e X C e S S s u l p h a t e s a l t s( e s p e c i a l l y g y p s u m) ma y r e s u l t i n i n t e r n a l s u l p h a t e a t t a c k( I S A) o f c o n c r e t e Ef f e c t so f g y p s u m a g g r e g a t ep a r t i c l e s i z e ， mi n e r a l a d d i t i v ek i n d s a n d c u r i n gt e mp e r a t u r eo nI S A o f c o n c r e t ewa s s t u d i e db yt h e e x p e ri m e n t s o f e x p a n s i o n r a t i o a n d s t r e n g t h， a n d t h e s i g n i fic a n c e o f t h e t h r e e e v a lua t i o n i n d e xe s f o r I S A wa s d i s c u s s e d， s u c h a s e x p a n s i o n rat i o， c o mpr e s s i v e s t r e n g t h a n d fl e x u ral s t r e n g t h Re s u l t s s h o wt h a t e x p a n s i o n r a t i o c a n o b j e c t iv e l y r e fl e c t t h e d e g r e e o f l S A r e a c t i o n and b e mo r e s u i t a b l e for a s e v a l u a t i o n i n d e x ， a n d t h e c o mp r e s s i v e a n d fl e x u r a l s t r e n gt h s a s a r e f e r e n c e o f th e e v a l u a t i o n i n d e x e s a r c p o o r b e c a u s e t h e r e e x i s t s d a t a j u mp a n d e r r o r s i n t h e i r t e s t s Ke y wor ds ： i n t e rna l s ulp ha t e a t t a c k； g y p s e o u s a g gre g a t e； c o n c r e t e ； e v a l u a t i o n ind e x 0 引 言 硫酸盐侵蚀一直是威胁混凝土耐久lI生的问题之一。 按硫酸 盐来源可分为外部硫酸盐侵蚀和内部硫酸盐侵蚀， 一般所说硫 酸盐侵蚀是指外界环境中的s O j 一 渗入混凝土的孔隙中与某些组 分发生反应而产生的膨胀破环， 很多年以来关于硫酸盐侵蚀的 研究主要集中在这种外部侵蚀 ， 对于由配制混凝土原材料引入 的硫酸盐引起的内部侵蚀的研究却比较少。 虽然国家标准规定 集料中的S O 含量不超过 1 ， 但由于集料成分分布的不均匀性 ， 对于集料中的 S O ， 含量控制比较困难 ， 很多工程对于 S O 含量 的检测也不是很重视 ， 部分地区出现了由于集料引人过量的硫 酸盐造成的混凝土内部硫酸盐侵蚀破坏 1 - 2 。 国外也有相关工程 的病害实例和研究 。 目前在建的湖北省宜巴高速公路在 K1 5 6 K1 6 0施工区域 内广泛存在一种含石膏的白云质灰岩， 当地俗称“ 灰包石” 四 。 为 探明含石膏集料引发的内部硫酸盐侵蚀对混凝土长期物理力 学性能的劣化影响， 本研究基于外部硫酸盐侵蚀加速试验的膨 胀率与强度评价指标 ， 研究了含石膏集料制备的混凝土试样在 1 年浸水养护条件下的膨胀率与强度变化规律。 1 试验原材料和方案 1 1 原材料 水泥采用P O 4 2 5 级水泥， C A含量为 8 3 8 ； $ 9 5级矿渣 粉； I 级粉煤灰； 外掺的含石膏集料来 自湖北省宜巴高速公路凉 水井隧道开挖的洞渣， 根据试验需要破碎、 筛分成 4 7 5 9 5 n 吼、 0 3 1 1 8 m l T l 以及 0 - 4 7 5 mn l 3种粒级。 上述材料的化学分见 表 1 。 其他原材料包括 ： 河砂 ， 细度模数 2 8 ； 石灰岩碎石 ， 4 7 5 9 5 mm单粒级 ； MAP E I S X CI 8 聚羧酸盐高效减水剂。 1 2试验 方案 外部硫酸盐侵蚀试验一般采用较高浓度的硫酸盐溶液 表 1 主要原料化学成分 收稿 日期 ：2 0 1 1 - l 1 3 0 基金项 目：交通运输部联合科技攻关项 目( 2 0 0 9 3 5 3 3 4 2 5 4 0 ) 6 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 1 0 0 0 0 mg L ) 作为侵蚀介质 ， 以保证在模拟外部侵蚀条件的 同时能在较短时间达到加速试验的评估效果嘲 。 所以， 在进行内 部硫酸盐侵蚀试验时， 采取了提高集料中的 S O， 含量作为加速 侵蚀试验的方式 ， 本试验统一控制集料中的S O 含量为 8 。 掺 杂的石膏质岩集料有 3种粒径， 4 7 5 9 5 mm粒级替代碎石， 0 4 7 5 mi i 1 粒级和 0 3 1 1 8 mn l 单粒径颗粒替代河砂。 为了探讨 矿物掺合料对混凝土抗内部硫酸盐侵蚀的影响， 还对比了水泥 分别被 2 0 粉煤灰( F A) 、 3 0 矿渣粉( GG B S ) 取代的试样。 表 2 是试验用混凝土配合 比。 由于粗集料采用4 7 5 9 5 1T ff n小石， 混凝土膨胀率和强度试 验均采用 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 r n n l 尺寸的试件， 这也是为保证膨 胀率和强度试验结果有较好的对照性。 用于膨胀率测量的试件 两端埋有测量钉头， 使用比长仪测量长度。 试件成型后 1 d 脱模， 采用养护温度为2 0水浸方式养护， 对比样养护水温度为3 8 。 表 2 混凝 土配合 比 2 试验结果与分析 2 1 膨 胀 率 很多外部硫酸盐侵蚀的试验方法是以膨胀率为指标的， 如 美国的 A S T M C 1 0 1 2 法 ， 将一定强度的试件浸泡于硫酸盐溶液 中， 以一年膨胀值作为评价指标， 可用于各种混合水泥的抗硫 酸盐性能检测。 我国新修订的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法 7 是 通过在水泥中外掺一定量的二水石膏， 使水泥与外掺二水石膏 混合料中的 S O 含量达到 7 0 ， 然后测其胶砂试体在一定水量 中养护一定龄期后试体的膨胀率来评定水泥的抗硫酸盐侵蚀 性能， 这种方法使s O ； 直 接在水泥浆体内部参与水化反应 ， 对于 内部硫酸盐侵蚀试验比较有参考意义。 本试验以集料作为侵蚀源， 对于膨胀率的评测可以参照碱一 集料反应的评判标准8 1 ， 以0 1 膨胀率作为界限来评定。 1 O 0 9 O_ 8 O 7 萎 0 6 塾o 5 渣 0 4 O 3 O 2 0 1 0 养护 龄期 月 图 1 混凝 土的膨胀率 从图 1 膨胀率随浸水养护龄期的结果来看 ， 所有配合 比的 1 年膨胀率都超过了 0 1 ， 可以认为集料中掺 8 的S O 下， 无 论掺杂多大粒度的石膏都是有潜在危害的， 掺加掺合料也难以 完全抑制这种危害， 矿渣粉甚至促进了内部硫酸盐侵蚀的进行。 2 、 3 、 6 三个配合比均是掺杂呈细集料粒度的石膏， 虽然三者早 期的膨胀率各不同， 高温养护下的 6 配合比早期膨胀明显较大， 2 配合比因为其 中的含有较细的石膏颗粒( 0 3 m m) 其反应 比单粒径( 0 3 1 1 8 mm) 的3 配合比略快一点， 但是 1 年龄期 的膨胀率三个配合比基本一致。 考虑到这三个配合比实际引入 的石膏颗粒比表面积差不多， 最终膨胀率结果的一致性比较符 合试验预期分析。 掺比表面积较小的粗集料粒度的石膏岩的 1 配合比， 其 1 年龄期的膨胀值大概只有掺加细集料粒度石膏配 合l z L ( 2 # , 3 、 6 ) 的 1 2 ， 也是比较符合试验预期的， 而且结果的反 馈 比较直 观。 2 2抗 压强度 图 2混凝土抗压强度随浸水养护龄期的变化结果显示， 各 组配合比的抗压强度变化均是先增大后减小的过程 ， 这点在其 他各种外部硫酸盐侵蚀试验中也得到证实。 分析结果都认为初 期生成的侵蚀产物钙矾石填充了混凝土的孔隙， 使得混凝土的 强度在初期阶段会有所提高， 反应速度越快， 强度峰值出现就应 该越早， 高温( 3 8) 养护的6 配合比2个月龄期强度远大于其 他各组配合比就是很好的证明。 随着内部硫酸盐反应的进一步 进行 ， 当局部产生的膨胀应力达到了开裂应力时， 试件开始出现 裂缝 ， 然后出现强度下降。 各组配合比的抗压强度峰值大多出现 在 3 个月或者 4 个月龄期 ， 随后下降。 掺入粉煤灰的4 配合比的 强度下降幅度较小， 不过也呈现出下降趋势。 通过抗压强度的对 比， 我们发现， 在内部硫酸盐侵蚀作用下， 各组配合比的抗压强 度结果波动比较大， 一方面是集料中掺的石膏质岩石数量较多， 在替代部分普通砂、 石集料后， 实际上影响到了混凝土本身的配合 比， 所以各组配合比的初期强度值差别较大； 另一方面， 以集料 状颗粒为侵蚀源的内部硫酸盐侵蚀试验带有一定的不均匀性， 强度测试采用不同龄期试块会因此而带有较大的数据跳差。 养 护龄期 阴 图 2 混凝土的抗压强度 2 3 抗折 强度 图 3的抗折强度随浸水养护龄期的变化也呈先增大后降 低的的规律 ， 与图 2的抗压强度变化规律类似， 不同的是抗折 强度下降出现的龄期要早 ， 下降程度更大。 由于试件体积变形表 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现为膨胀所 引发的混凝 土内部裂纹在抗折 试验受力条件 下更 易扩展， 此相对于抗压强度值而言， 抗折强度随膨胀率的变 化更为敏感。 在外部硫酸盐侵蚀试验中， 很多标准采用抗折强度 作为强度参考值， 如我国GB 2 4 2 O 一1 9 8 1 提出以抗折抗蚀系数 ( 即浸泡在侵蚀溶液中试件的抗折强度与淡水中的同龄期抗折 强度之比) 作为评价指标 ， 杨德斌p 等基于 G B 7 4 9 6 5提出了 一 种新的试验方法 ， 定义抗折强度比值作为作为抗蚀系数 ， 即 为浸泡在侵蚀溶液中的砂浆试件的抗折强度与水中标养 2 8 d 的砂浆试件的基准抗度的比值。 但对于内部硫酸盐侵蚀而言， 侵蚀反应从成型就开始发生了， 而且集料成分的变化使得淡水 养护的基准样对比意义下降 ， 不过可以参考上述方法 ， 将各组 配合比的第一个龄期( 1 个月) 的强度作为基准 ， 将以后各个龄 期的强度换算为变化率， 这样可以更直观地将强度变化趋势表 现出来 ， 虽然初期 1 个月龄期的侵蚀会有影响， 但可以消除不 同配合比之间由于配合比的差异引起的初始龄期强度差的影响。 图4足以混凝土 1 个月龄期的抗折强度为基准， 换算得到的抗折 强度变化率结果 ， 可以发现， 掺有矿粉的5 配合比虽然比不掺 的 3 配合比的抗折强度大( 见图3 ) ， 但实际上5 配合比的抗折 强度损失率也很大， l 2个月龄期的强度损失率甚至是最大的， 对比图 1 的膨胀率变化结果， 掺矿粉的 5 配合 比的膨胀率也是 最大的一组， 抗折强度变化与膨胀率两者之间有很好的一致l生。 蓬 褂 制 黑 养护 龄期 阴 图 3 混凝土的抗折强度 l 2 3 4 6 l2 养护龄期 胴 图 4混凝土的抗折强度变化 率 2 4几 点讨论 以上通过膨胀率 、 抗压强度 、 抗折强度三个指标表征了各 配合比混凝土内部硫酸盐侵蚀的结果。 随着浸水养护龄期的延 长和内部硫酸盐反应的进行， 抗压强度虽然表现为下降， 但不 是很支持膨胀率的变化结果， 尤其是掺有粉煤灰的4 配合比的 1 年龄期膨胀率已经接近 0 2 ， 抗折强度也出现明显下降的情 况下， 而抗压强度几乎没有降低。 另外， 随着内部硫酸盐侵蚀进 行产生的膨胀率增长， 抗压强度的下降相比抗折强度的下降是 延迟的， 考虑到钙矾石的填充孔隙作用 ， 这也是符合规律的， 不 6 6 过作为评价指标 ， 抗压强度的参考J生 不如另外两项。 作为评价指标的一个要求 ， 尽可能减少试验数据测量误差 是很重要的， 就这一点而言， 强度这种破坏性测试相对于各种 非破坏性测试来说有所不足。 成型较多龄期的试件带来的跳差 对结果分析也有影响， 而且本试验属于掺杂石膏质岩集料的侵 蚀 生 试验，数据跳差比一般的配合比试验要大一些。 从图2 、 3 的 数据来看， 强度数据的波动较大， 不是很符合i 式 验预期。 而体积 变化这种非破坏性试验可以长期对同一组试件进行连续测量 ， 全程跟踪混凝土的变化情况， 比较有参考价值。 另外，混凝土构件在使用中都是处于承受载荷的状态 ， 这 种条件下的体积变形对于构件强度的影响会大于实验室中无 荷载的情况， 因此在实验室测得 0 1 的膨胀情况下或许还不足 以引起明显的强度降低 ， 而在实际使用中。 一些大体积混凝土 构件则可能因为产生了较大的应力集中而出现比实验室所得 结果更大的性能 劣化或破坏 。 3结论 ( 1 ) 集料中掺加石膏质岩的粒度越小 ， 内部硫酸盐侵蚀反 应的速率和程度越大， 所配制的混凝土膨胀率和强度损失越大； 粉煤灰能提高混凝土抗内部硫酸盐侵蚀性能 ， 矿粉反而有害， 其 机理需要进一步探究 。 ( 2 ) 膨胀率作为混凝土内部硫酸盐侵蚀评估指标的参考性 好于强度。 膨胀率的数据跳差小， 比较容易看出各组变化趋势， 便于把握混凝土内部硫酸盐侵蚀的反应程度； 而强度数据受各 种因素影响较多， 数据跳差较大， 作为评价指标的可靠性较差。 ( 3 ) 抗折强度对于混凝土内部硫酸盐侵蚀造成的膨胀破坏的 敏感性大于抗压强度， 作为评价指标试验周期较短， 如果以初期强 度为基准换算出类似于抗蚀系数的相对值作为评价指标更为合适。 ( 4 ) 内部硫酸盐侵蚀评价指标应倾向于体积变化测量这种 非破坏性试验 ， 可以长期连续追踪同一试件的性能变化， 因此 在内部硫酸盐侵蚀的评估中可以可虑一些非破坏性检测方法， 如超声波 、 回弹值检验等。 参考文献 ： 【 1 】 耿维怒 ， 尚建丽， 陈厌事， 等 含硫酸盐骨料导致混凝土腐蚀的试验 研究l J 1 建筑技术， 1 9 9 2 ， 1 9 ( 8 ) ： 4 7 2 4 7 4 2 】 杨秉 十字垭隧道病害原因分析及治理I J l l铁道标准设计 ， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 91 -9 5 3 1 HA N E H AR A S S u l t e d e t e ri o r a t i o n a n d D E F J C e me n t a n d C o n c r e t e ， J a p a n C e me n t A s s o e i a t i o n， 2 0 0 3 ( 6 7 1 ) ： 6 1 6 2 4 1 AL- AT TAR T S， AL KHATEE B A M， BACHAI A HBe h a v i o r o f h i g h p e r f o r ma nc e c o n c r e t e e x p o s e d t o i n t e r n a l s u l f a t e a t t a c k( p y ps u mc o n t a mi n a t e d a g g r e g a t e ) C P r o c e e d i n g s o f 1 0 t h B i e n n i a l A S C E A e r o s p a c e Di v i s i o n I n t e rua t i o n a l C o n f e r e n c e o n E ng i n e e r i n g ， C o n s t r u c t i o n a n d Op e r a t io n i n C h a l l e n g i n g E n v i r o n m e n t s( E a r t h a n d S p a c e 2 0 0 6 ) ， Ho u s t o n T e x a s ， US A， Ma r ， 2 0 0 6 5 傅克俭， 刘江， 胡恒 宜巴高速公路“ 灰包石” 的研究与工程对策 J 】 交 通科技 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 1 4 4 1 4 6 f 6 Ai mi n Xu， Ah ma d S h a y a n m， P u d B a b u r a ma n i F e s t me t h o d s f o r s u l f a t e r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e a n d me c h a n i s m o f s u l f a t e a t t a c k， S t a t e o f t h e a r t R e v i e w C 1 AR R B T r a n s p o r t R e s e a r c h L t d 1 9 9 8 ： 1 3 8 【 7 1 G B r 7 4 9 L _ _ 2 0 0 8 ， 水泥抗硫酸盐侵蚀 验万； - E 京： 中国标准出版社 8 曹鹏举碱一 骨料反应试验方法评述I J 1 长江科学院院报， 2 0 0 0 ， 1 7 0) ： 51 -5 3 9 杨德斌 ， 周俊龙 外加剂与矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的有 效性研究 J 1 混凝土， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 2 一 】 5 作者简介： 刘江( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 高级工程师。 联系地址 ： 武汉币洪山区珞狮路 1 2 2号( 4 3 0 0 7 0 ) 联系电话： 1 3 8 0 8 6 9 4 7 3 5 O O O O 0 O O 0 0 4 3 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m