活性掺合料矿渣对砂浆抗酸雨侵蚀性能的试验研究

活性掺合料矿渣对砂浆抗酸雨侵蚀性能的试验研究

陈成钦

【摘要】试验研究了矿渣取代率的不同以及不同砂胶比下水泥砂浆的抗酸雨侵蚀的能力。试验采用的是“三湿四干”干湿循环方式加速试验的进程且较好地模拟了现实环境，按长沙市的酸雨特征配制了PH值为4并含有SO42-,Ca2+,Mg2+,NH4+,H+的模拟酸液［1］。试验中可以得出结论：在合适的矿渣掺量下，试件抗折强度逐渐上升，合适掺量的矿渣等量取代水泥，经模拟酸雨循环腐蚀后的试件强度均高于同等条件下纯水泥砂浆试件的强度，即矿渣微粉提高了砂浆的抗酸雨侵蚀能力，不同取代率及砂胶比的影响有较大差异。试验中以20%的矿渣掺量、1.5的砂胶比配合提高效应最显著。

【关键词】矿渣；砂胶比；酸雨；干湿循环；抗折强度

EffectofSlagontheresistancetoacidrainofcementmortar

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

【Abstract】Theinfluenceofthemineraladmixtures—slagontheabilitytoresistacidrainofcementmortaisresearched.Thetestmethodused,developedbasedontheacidrainconditionofChangsharegion,istheaccelerateddry/wetcycletests,inwhichthecementmortorspecimensareimmersedinsimulatingacidsolutionscontainingionsofSO42-,Ca2+,Mg2+,NH4+,H+,with4.0ofpHfor3d,andthendriedinairatroomtemperaturefor4d.Thetestresultsshowedthat:theflexuralstrengthofthecementmortarcanimprovewiththeincreaseofslagpowdermixture;itisalsofoundthatthestrengthofcementmortarwiththeaddictiveofslagpowderisbetterthancementmortarwithoutslagpowderaftersimulatingacidrain（pH=4.0）corrosion.Therefore，itisconcludedthatthereplacementofslagpowderisfavorabletoimprovetheacidrainresistanceofPortlandcementmortar.

【Keywords】slag;rateofsandandcement；acidrain；day/wetcycles；flexuralstrength

随着人们对各种建筑物（构筑物）使用年限要求的不断提高，使得混凝土耐久性的研究成为了世界各国混凝土材料科研人员的研究热点，也成为研究重点。导致混凝土耐久性不足有很多因素，其中环境酸化便是其一。酸沉降［2］是造成环境酸化的原因之一，包括湿沉降和干沉降。前者是指大气中的酸性气体（主要是指CO2、SOx、H2S和NOx等）通过降水(雨、雾、露、雪等)的形式迁移至地表，形成的pH值小于5.6的湿沉降物，这就是酸雨［2］。酸雨是目前举世瞩目的全球性环境问题,大量的调查结果表明,酸雨不仅对生态系统、农作物，而且对各种建筑材料及文化资源都会产生严重的影响。

我国对酸雨的研究和检测起步较晚。1981年至1983年，全国开展了酸雨的调查。检测结果表明，全国有20个省、市、自治区不同程度地出现了酸雨，占普查总数的87%，最严重的是江南区域。长江以南的苏州、广州、贵阳等城市，降水的pH值曾经低于4.0，其中最低值为3.1。政府有关部门对此问题已予以高度重视。目前已有一些研究人员针对酸沉降对混凝土的腐蚀机理、实验方法及获得的主要成果进行了一些研究，取得了一些成果。毫无疑问，随着时间的推移，这方面的研究将会有更多的发展，将会得到相关人士的更多关注。

本试验旨在探讨不同矿渣取代率下的砂浆的抗酸雨侵蚀的能力。研究矿渣微粉对水泥砂浆性能的影响，不但可以促进工业废渣的合理利用，还可以为改善混凝土的抗酸雨侵蚀性能开辟一条有效且现实的技术途径。

1试验方案

1.1原材料

水泥:湖南海螺42.5级普通硅酸盐水泥，28d抗折强度为9.8MPa，抗压强度为48.2MPa；

矿渣:江西联达高新建材厂生产S95级粒化高炉矿渣细粉,密度2.88g/cm3,比表面435m2/kg；

水:普通自来水；

砂:湘江河砂,细度模数2.7,属II区中砂，最大粒径4.75mm；

水泥、矿渣的化学组成见表1。

1.2试件成型

本次试验主要采用的试模为特制的塑料圆柱管(φ＝25mm、h=13mm)，按照表2所列配合比，每个配合比搅拌砂浆20L，分批装入113根圆管，以测定在酸雨侵蚀下砂浆的强度等的性能变化；2个40mm×40mm×160mm三连模，以测定在酸雨侵蚀下砂浆的质量变化。试验采用搅拌机搅拌，振动台振动成型后，立即放入标准养护室养护，养护2d，拆模后入清水中养护至28d后分别浸泡清水与酸雨溶液中，进行对比试验。

1.3试验方法：干湿循环浸泡法

（1）成型的试件于2d后拆模，并放入标准养护室养护至28d，并测得28d的相关初始试件性能：抗折强度，初始质量；

（2）按设计好的比例配制出试验所用的酸雨—模拟酸液，模拟酸雨溶液组成见表3；

（3）到龄的圆管试件分成两半，一半浸泡于酸液中，另一半浸泡于自来水中。为加快其侵蚀速度，采用干湿循环法(周期浸泡法)［3］：试件在酸液中浸泡3天，再取出放置于实验室特制试件架上4天，接着又放于酸液中，如此循环即可；

（4）测试相关参数：试件浸泡到一定的龄期（4W、8W、12W、16W、20W）就按相关规范测定其抗折强度、质量变化。

1.4评价指标

（1）抗侵蚀系数

试件在侵蚀溶液中抗腐蚀性能用抗蚀系数来衡量。抗蚀系数是用同龄期的水泥砂浆在20oC的温度下分别在模拟酸液和清水中浸泡后的抗折强度之比来表示，即

K=fR/fW（1）

式中：K——抗蚀系数；

fR——试件在20oC模拟酸液中浸泡后的抗折强度，MPa；

fW——试件在20oC清水中养护至同龄期抗折强度，MPa。

（2）质量变化率

（2）

2试验结果与讨论

2.1水中养护的强度

2.1.1当砂胶比mS/mb=2.5时，清水养护中的试件强度大多呈上升趋势，尤其是矿渣掺量较少的S2，S4及基准S0组，但早期基准组高于其他组，后期则随着矿渣掺量的大小而显示不同的效应。S2，S4组随试验的进行强度值逐渐增强且大大高于S0组，S6和S8则相反，具体如下图1，图2可看出。分析上述规律发生的原因，矿渣等量取代水泥，致使水泥用量降低，早期矿渣只起填充作用，活性没有发挥出来，使得水泥水化产物减少，故早期强度发展较慢。而在后期，发生的二次水化反应［4］生成了大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙胶凝物质，以及其火山灰效应能改善砂浆的界面和孔的结构，降低砂浆的孔隙率，故强度有了提高，且随着时间的进行增强效应更显著。而对于掺量较大的组二次水化反应的生成物不足以使强度提高较快，故实验强度值不及基准组。

2.1.2当砂胶比mS/mb发生变化时：

从下图3，图4中可看出，矿渣的增强效应随着砂胶比的相对降低发挥得更加显著。S2B试验组的强度值接近成直线增加，且较高于其他组。这是因为砂适量的减少则水泥浆相对增多，能更有效地填充在硬化后的水泥石中,改善水泥石的孔结构,提高水泥石的密实性,而起到更好的提高强度的作用。

2.2模拟酸雨干湿循环腐蚀后的强度

2.2.1当砂胶比mS/mb=2.5时，在pH值为4.0的模拟酸雨条件下矿渣微粉掺量对经模拟酸雨干湿交替循环腐蚀后的水泥砂浆试件强度的影响见图5，图6。

从图可知：在模拟酸雨中强度变化的总体趋势是先升高后降低。由图知，早期发展规律和清水中的类似，28D抗折强度因矿渣的加入而使得纯水泥砂浆试件的强度值高于其他试验组，但后期强度则相反：掺量不大的试验组S2和S4均高于基准组S0，较大掺量的S6，S8组则依然低于S0组。随着试验的进行，在8次（试件开始浸泡后历时一周即干湿循环一次：7天一个循环）干湿循环腐蚀之后掺有矿渣微粉试件和基准组的纯水泥砂浆试件的抗折强度均开始下降，但是下降的趋势各不相同。而且就矿渣的性能而言，较少掺量的S2，S4组其抗折强度值在试验中均高于S0组，但大掺量的S6，S8却低于基准组，可以看出适量的矿渣掺量大大地改善了水泥砂浆的抗酸雨腐蚀能力。

2.2.2当砂胶比mS/mb发生变化时，在pH值为4.0的模拟酸雨条件下矿渣微粉掺量对经模拟酸雨干湿交替循环腐蚀后的水泥砂浆试件强度的影响见图7，图8。

从上图中可以得知：在本试验条件下，砂胶比降低的试验组S2A、S2B使得水泥砂浆的抗折强度值大大高于基准组及较大的砂胶比组S2。矿渣取代率相同（20%）而砂量不同时，S2B组（mS/mb=1.5）中各点值都高于S2A（=2.0）组及S2（mS/mb=2.5），且随着试验干湿循环次数的增加其下降的趋势远比其他组要平缓。

2.3抗蚀系数

试件在侵蚀溶液中抗腐蚀性能一般用抗蚀系数来衡量。图9为矿渣掺量发生变化时水泥砂浆试件的抗蚀系数，总体的变化趋势是：矿渣微粉掺量为20%的S2和40%的S4试件的抗蚀系数在8次干湿循环之后才开始降低，而其它矿渣微粉掺量及基准组水泥砂浆试件的抗蚀系数在4次干湿循环之后即开始降低。其中矿渣微粉掺量S4组的抗蚀系数高于S2组但是S2组数值下降的速度却远比S4组平缓。图10为砂胶比不同时砂浆试件的抗蚀系数。从图中可知，纯水泥砂浆的基准组抗试系数最低且呈明显的下降趋势，其他矿渣掺量则体现出较强的抗蚀性能，不仅强度降低的龄期晚而且抗蚀系数较高，此规律类似于图9，但就砂胶比而言，S2A组的数值高于S2B组的，可是前者下降的速度却不及后者的平缓。故此结论再连同上述抗折强度的分析可知，矿渣掺量组为S2B的水泥砂浆试件体现出更优的抗酸雨侵蚀能力。

2.4水中养护的质量变化

试验中水泥胶砂试件的质量因矿渣掺量的不同而具不一样的变化，用质量损失率来体现此变化，其计算关系式为：质量损失率=各测试龄期的质量／28D初始质量。这样进行比较则图中点在竖轴零点上表示质量增长，零点以下则表示质量的减少。从图11可看出，在本试验条件下，无论砂胶比的大小随着试验的进行各试验组胶砂的质量在20W后均呈现增长的趋势，这是因为水泥石中的水化反应持续进行着，龄期越长产生的水化物越多，从而质量得到增长。图11中则可看出S2A组的增重保重效应最好。

2.5模拟酸雨干湿循环腐蚀后的质量变化

2.5.1当砂胶比mS/mb=2.5时，与清水中一样的进行比较，用质量损失率来体现质量随着干湿循环次数的增加而具有的变化规律，试验的具体结果在下图13，从中可以看出循环了4次时的质量变化还没有特定的规律，这是试验时间较短，试验条件有限等而导致的。8次后各质量有增有减，且掺矿渣除S2组外其他组均呈现增长的趋势，12次循环后所有试验组的质量都有增加，即矿渣试验组持续增重。16次与20次中质量呈减少的趋势，而且基准组的减少程度远大于矿渣掺合组。并且整个图中S2组的各点离散性最少，即此他组的各龄期质量变化幅度最小，保持水泥胶砂整体性的能力最强。此上分析说明了活性掺合料矿渣（尤其是合适的掺量）能提高水泥砂浆抵抗酸雨腐蚀的能力。

2.5.2当砂胶比mS/mb=2.0和1.5时，从图14中可看出S2A组则体现出最好的性能，由此可知对于质量而言含砂量相对较少的更有利水泥砂浆的发展，这点与上述抗折强度的发展规律是一致的。

3结论

（1）在本试验条件下，在清水中浸泡养护的各不同矿渣微粉掺量的水泥砂浆试件的抗折强度值及质量在后期都呈上升的趋势，且适当的掺量增强效应愈加明显。

（2）适宜的矿渣微粉掺量和相对较小的砂胶比对水泥砂浆在pH值为4.0的模拟酸雨条件下保持其强度不变的能力有很好的改善作用。

（3）适宜的矿渣微粉掺量和相对较小的砂胶比对水泥砂浆在pH值为4.0的模拟酸雨条件下保持其质量不变的能力有很好的改善作用。

（4）大掺量矿渣微粉单独使用的情况下砂浆的抗酸雨腐蚀能力不及纯水泥砂浆，矿渣的效应得不到发挥反而产生负面影响。故工程实际中不提倡单掺量大的矿渣，而当与其它掺合料混掺时，本试验还有待进一步研究或查阅相关方面的试验研究。

参考文献

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2.刘詠珍.酸沉降的形成、危害及其防治[J].湘潭矿业学院学报,1994,3;

3.周定,谢绍东,岳奇贤.模拟酸雨对砂浆影响的研究[J].中国环境科学,1996,2(1);

4.周士琼.土木工程材料[M].北京:中国铁道出版社,2005