不同矿合物对轻骨料混凝土性能演变及抗硫酸盐腐蚀影响

不同矿合物对轻骨料混凝土性能演变及抗硫酸盐腐蚀影响

肖静宇1龙杰2

1湖南农业大学东方科技学院长沙410128；

2中机国际工程设计研究院有限责任公司长沙410007）

摘要：利用不同矿合物等体积取10%~30%水泥，同时在圆型陶粒中掺加15%破碎型页岩陶粒，制备页岩陶粒轻骨料混凝土。采用力学、干湿循环、从早期抗压强度、抗SO42-腐蚀等方面，研究在硫酸盐溶液条件下，不同矿合物对轻骨料混凝土力学及耐久性方面影响。研究结果显示：不同矿合物轻骨料混凝土28d抗压强度基本高于基准样；当SO42-溶液浓度为5%时，掺矿合物试样抗腐蚀性显著提高，且细度越高提升效果越明显；随着干湿循环次数的不断增长，超细粉煤灰、一级粉煤灰、二级粉煤灰、磨细矿粉的最优掺量为30%、20%、20%、10%。

关键词：轻骨料混凝土；矿合物；抗压强度；干湿循环；硫酸盐

0引言

轻骨料混凝土因良好耐久性、低收缩、抗震性能等优点，越来越广泛的运用在大跨度桥梁、超高层建筑等重大结构工程中。轻骨料混凝土（lightweightaggregateconcrete，简称LWAC）取代普通混凝土后既可以减轻结构体自重、缩小结构断面尺寸，增加桥梁跨径，降低塔梁高度，减少桥墩数量，结合一定数量的矿合物取代普通水泥后其强度、耐久性等方面也得到了明显提升，同时结构孔隙率显著降低，抗腐蚀性得到明显提升。

现国内外研究报道中，例如，MansurSumer[1]研究了不同粉煤灰对混凝土强度和硫酸盐腐蚀影响，表明粉煤灰种类对混凝土强度和弹性模量影响较大，粉煤灰等级从C到F，混凝土膨胀值明显减小，抗SO42-腐蚀性能明显增强。AmirElsharief[2]研究了轻骨料砂浆的微观结构和耐久性能，结果表明骨料界面得到了明显优化，基体内部导电率显著降低。文献[3]研究了外掺粉煤灰对LWAC相关力学性能影响，结果显示LWAC外掺30%粉煤灰时，混凝土和易性和力学性能得到明显改善。但这些研究只要以混凝土的某一方面为重点，主要表现在力学性能、抗腐蚀性、收缩、抗碳化等方面，关于不同矿合物对LWAC早期力学性能研究较少，特别是在不同矿合物掺量的硫酸盐腐蚀方面未见相关报道。因此，本文以LWAC早期力学性能和硫酸盐腐蚀为主要研究对象，以页岩陶粒为主要粗骨料，在制备LWAC基础上，研究不同掺合料条件下LWAC的硫酸盐性能演变规律，讨论其相关影响因素，评价其影响机制。

1材料与试验方法

1.1原材料

水泥：普通PO42.5水泥。掺合料：超细粉煤灰（缩写UFA），比表面积为550m2/kg；I级粉煤灰（缩写FA（I）），比表面积为425m2/kg；II级粉煤灰（缩写FA（II）），比表面积305m2/kg；磨细矿粉（缩写GBS），比表面积为420m2/kg。粗骨料：宜昌宝珠公司生产的直径为5~20mm高强页岩陶粒。细骨料：级配河砂。

1.2试验方法

（1）硫酸盐腐蚀试验：按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB/T50082-2009方法进行。在Na2SO4浓度为5%溶液中，干湿循环0、10、20、50次，再测其试件抗压强度（尺寸100mm×100mm×100mm），计算抗蚀系数K=试件循环后抗压强度值/试件循环前抗压强度值。

1.3混凝土配合比设计及浇筑方法

采用UFA、FA（I）、FA（II）、GBS四种矿合物，以不同比例等质量取代水泥，在制备LWAC基础上，按照JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行配合比设计，主要配合比参数：胶凝材料总量500kg/m3，轻骨料为557kg/m3，用UFA、FA（I）、FA（II）、GBS分别10%、20%、30%等质量取代水泥，陶粒预湿时间为1小时，减水剂掺量以拌合物坍落度在150±20mm为准，水胶比为0.3，体积砂率为40%。

2试验结果与分析

2.1不同矿合物掺量对LWAC早期力学性能影响

随着UFA的掺量的不断增加，混凝土3d早期强度低于标准样，分别为标准值的93.7%，87.7%，76.8%；标准养护至7d，UFA掺量为20%时的LWAC强度上升最快，为标准值的1.05倍，其他试样强度接近标准值；7d到28d时，UFA掺量为20%时LWAC试件抗压强度上升较快，28d抗压强度值为标准值的1.14倍，其余试样基本大于标准值。FA（I）等质量取代10%、20%、30%水泥，3d抗压强度三组试件比较相近，都低于标准试样，分别为标准值的87.4%、85.1%、73.8%；养护至7d时，LWAC强度增长较快，随着FA（I）掺量的不断增加，试件抗压强度增长有所放缓，3组试样强度都低于强度标准值；28d时，FA（I）掺量在20%时LWAC强度上升最快，强度略高于标准试样，为标准值的1.04倍，其余试样强度接近标准试样。随着FA（II）掺量的增加，混凝土早期强度不断降低，仅为标准试样的80.1%、69.9%、66.9%；从3d~7d时，3组试样强度增长都较为缓慢，均低于强度标准值；到28d时，LWAC强度增长加快，FA（II）掺量为20%时，曲线斜率最大，强度接近标准试样。GBS等质量取代10%、20%、30%水泥，试样早期抗压强度值较为接近，均低于基准样；养护7d时，LWAC强度增长速率均大于基准样，等质量取代10%水泥时，强度增长最为明显，为标准的1.07倍；标准养护至28d时，3组试样强度大于等于基准样，取代量为10%时试件强度为最优值，为基准样的1.13倍。

试验结果表明：随着不同矿合物掺量的增加，试验早期强度均有下降趋势，由于不同矿合物材料本身细度、化学成分等的差异，UFA、FA（I）、FA（II）、GBS28d强度最优取代率分别为20%、20%、10%、10%。不同矿合物取代部分水泥，根据7d、14d、28d试件早期强度，LWAC水化作用反应迟缓，强度有所下降；标准养护至28d，由于轻骨料的返水作用为二次水化创造了条件，以及矿合物自身细度高，进一步填充内部孔隙，基体更加密实，矿物颗粒的微骨架作用等，试件抗压强度进一步增加。

2.2不同矿合物掺量对LWAC的抗硫酸盐腐蚀性能影响

在5%SO42-溶液条件下，UFA和FA（I）等质量取代水泥，掺UFA和FA（I）的LWAC在干湿循环0、10、20、50后，抗SO42-腐蚀性表现出先上升后下降的趋势。干湿循环20次后，掺UFA的试样抗蚀系数K值依次为102.6%、103.1%、105.8%，掺FA（I）试样的抗蚀系数K值依次为106.1%、107.9%、106.4%，均大于1且高于基准样；随着干湿循环次数的进一步增加至50次时，掺UFA试样的K值依次为93.4%、94.6%、96.5%，掺FA（I）试样的K值依次为95.6%、98.3%、97.6%，均大于基准样K值90.4%。FA（II）等质量取代水泥，在干湿循环0~20次，随着循环次数的增多，掺FA（II）试样的强度缓慢上升，循环到20次到达最高值，其抗蚀系数K值依次为104.5%、106.1%、105.7%；当循环到50次时，试样K值依次为92.4%、97.0%、92.2%。当FA（II）取代为30%时，LWAC的抗SO42-腐蚀性能在一定程度上有所下降，试件强度下降较快。随着GBS掺量的增加，试样早期抗压强度有所下降，干湿循环20次后，抗蚀性K值较为相近，分别为104.8%、103.3%、105.7%；干湿循环至50次，试样抗压强度有所下降，抗蚀系数K值均高于基准样，分别为96.7%、93.8%、93.0%。试验结果表明：当SO42-溶液浓度为5%时，干湿循环50次后，UFA、FA（I）、FA（II）和GBS的最优掺量为30%、20%、20%、10%；

分析其原因：首先，不同矿合物等质量取代水泥，在一定程度上减少了水泥水化Ca（OH）2数量的产生，同时活性矿合物水化消耗了部分Ca（OH）2，减少了钙矾石和石膏的形成；其次，UFA、FA（I）、GBS的微集料效应，降低了孔隙连通率，填充了因SO42-腐蚀产生的膨胀裂缝，提高了基体密实性，延缓了SO42-对LWAC的进一步腐蚀。

3结论

（1）由于矿合物早期活性较低，LWAC3d抗压强度均低于基准样，随着矿合物细度越高，强度上升越快，UFA、FA（I）、FA（II）、GBS的LWAC抗压28d强度最优取代率分别为20%、20%、10%、10%。

（2）在5%SO42-溶液浓条件下，矿合物LWAC试样抗腐蚀性有所提高，且细度越高，提升效果越明显。干湿循环50次，UFA、FA（I）、FA（II）和GBS的最优掺量为30%、20%、20%、10%，此时K值分别为基准样的1.07、1.09、1.08、1.07倍。

（3）相比于普通混凝土，LWAC界面过渡区优化明显，粗骨料界面孔隙率降低，抗腐蚀性显著提高。

参考文献：

[1]MansurSumer.CompressivestrengthandsulfateresistancepropertiesofconcretescontainingclassFandclassCflyashes[J].ConstructionandBuidingMaterials.2012.34：531-536.

[2]AMIRE，MenashiD.C，JANO.Influenceoflightweightaggregateonthemicrostructureanddurabilityofmortar[J].CementandConcreteResearch.2005.35：1368-1376.

[3]韩俊涛，申向东.外掺粉煤灰天然轻骨料混凝土早期力学性能研究[J].硅酸盐通报.2012.31（4）：847-851.

[4]SOKKARYEL，ASSALTM，KANDEEHH，etal.Effectofsilicafumeorgranulatedslagonsulphateattactofordinaryporlandandaluminacementblend[J].Ceramint.2004，30（2）：133-138.