机制砂掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响.docx

机制砂掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响摘要：采用抗折劣化系数、抗压劣化系数两个指标从宏观上研究了不同机制砂掺量对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能的影响，并采用孔结构分析仪从微观孔结构上探讨了机制砂混凝土的孔结构与其抗硫酸盐侵蚀性能的关系。结果表明：随着机制砂掺量的增加，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能呈现出先上升后下降的趋势，且当机制砂掺量为50%,混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能最佳；机制砂混凝土的平均孔径和表面分形维数与其抗硫酸盐侵蚀性能有较高的相关性，平均孔径越小混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越好，表面分形维数越大抗硫酸盐侵蚀性能也越好。关键字：混凝土；机制砂掺量；硫酸盐侵蚀；平均孔径；表面分形维数Effectsofmanufacturedsanddosageonsulfateattackresistanceofconcrete1.iangYong-ningzZhangShan(CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,FujianProvince350108,China)Abstract:Thesulfateresistancecapacityofconcretewithdifferentamountofmanufacturedsandfromthemacroisstudiedbasedonbendingdegradationcoefficient,compressivedegradationcoefficient.Andthemicrosopicmethodisusedbasedonporestructureanalyzertoanalysetherelationshipbetweenporestructureandsulfateresistancecapacityofmanufacturedsandconcrete.Theexperimentalresultsshowthat:Thesulfateresistancecapacityofconcreteistakingonthetrendofrisingfirst,thendroppingwiththeincreaseofmanufacturedsandmixingamount.Andthesulfateresistancecapacityofconcreteisbest,whenthemixingamountis50%.Thesulfateresistancecapacityofmanufacturedsandconcretehasahighcorrelationwiththeaverageporesizeandsurfacefractaldimension.Thesmallertheaverageporesize,thebetterthesulfateresistancecapacityandthethebiggerthesurfacefractaldimension,thebetterthesulfateresistancecapacity.Keywords:Concrete;Amountofmanufacturedsand;Sulfateattack;Theaverageporesize;Thesurfacefractaldimension1前言天然砂作为一种不可再生资源，正面临着日益短缺的状况，有些地方甚至到了无砂可用的地步，因此机制砂作为一种替代天然砂的资源己越来越受到重视。目前，机制砂混凝土在很多工程中使用，如湖南怀新高速公路和株六线铁路的高架桥及玉蒙铁路的混凝土结构物中使用大量的机制砂混凝土。然而随着机制砂混凝土的大量使用，机制砂混凝土的耐久性也应该引起重视。研究表明，相对于天然砂来说机制砂颗粒表面粗糙，级配不合理，会对混凝土的工作性能、力学性能特别是耐久性能产生影响。硫酸盐侵蚀作为混凝土耐久性的重要内容，一直受到国内外学者的广泛关注。目前针对机制砂混凝土的耐久性研究，主要集中在抗渗性和抗冻融性，而在抗硫酸盐侵蚀方面研究的还比较少。PMShanmugavadivu等人研究表明，在硫酸盐侵蚀作用下机制砂混凝土的质量和强度损失率都要比天然砂混凝土的低。LiBeiXing等人研究了石粉对机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能的影响，结果表明，石粉的加入可以提高机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀能力。刘娟红等人采用干湿循环法对机制砂掺量为50%的混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进行研究发现，掺量为50%的机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能良好，且优于天然砂混凝土.王雨利口研究了机制砂岩性和石粉含量对砂浆抗硫酸盐性能的影响，发现机制砂的岩性对砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能没有明显影响，机制砂中石粉含量的提高对砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能也没有有害作用。硬化水泥浆体的孔隙和孔结构是硬化水泥石的重要组成之一，也是影响混凝土力学性能以及耐久性能的主要因素之一。因此，研究混凝土的孔结构对于分析其宏观性能有极其重要的意义。平均孔径、孔径分布、比表面积是表征混凝土孔结构的重要因素。我国的吴中伟院士把混凝土中的孔分为：无害级孔(<20nm);少害级孔(2050nm);有害级孔(50200nm);多害级孔(>200nm)<,刘军【划等人研究了混凝土孔结构和渗透性能的关系，结果表明，混凝土的孔隙率与渗透性相关性不强，平均孔径与抗氯离子渗透性密切相关，临界孔径对水泥砂浆的抗渗性有直接影响。金姗姗皿等人研究结果表明基于热力学关系的分形模型能够很好的表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差，而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系；随着孔表面积分形维数的增大，平均孔径和中值孔径减小，孔表面积增加，水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加。张建波曲研究了混凝土孔隙的分形特征与氯离子渗透性能和强度的关系，结果表明，面分形维数越大，混凝土大空隙的粗糙程度越大，面分形维数越接近1,混凝土抵抗氯离子渗透性能力和强度越高，反之越低。目前从微观上研究混凝土的硫酸盐侵蚀的机理，主要是借助SEM、XRD等来分析不同侵蚀龄期的侵蚀产物，而从孔结构特征上的研究还比较少。因而有必要从孔结构特征方面来分析机制砂混凝土硫酸盐侵蚀的劣化机理。本文采用全浸泡法研究了机制砂掺量(0%、25%、50%、75%、100%)对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响，并采用比表面积孔结构分析仪测试混凝土的孔结构特征，从微观孔结构上探讨了混凝土孔结构与其抗硫酸盐侵蚀性能之间的关系。2试验2.1、 试验材料试验用水泥为福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥，表观密度为3050kgm3,主要性能指标及参数见表和表2；粗骨料为粒径小于IOmm的连续级配碎石；细骨料包含两种：一种为福铁路闽赣IV标前山隧道出口洞渣机制砂，另一种为闽江河砂，其性能指标和级配筛分见表23和表24。硫酸钠粉末由天津科贸化学试剂有限公司生产，分子式为Na2SO4,硫酸钠含量299%。表-1水泥性能指标比表面积凝终时间(min)终凝时间(min)烧失量(%)3天抗折强(MPa)3天抗压强(MPa)28天抗压强度(MPa)(m2kg)安定性340合格1261801.355.828.045.5表2水泥矿物成分含量C3S(%)C2S(%)C3A(%)SO3(%)C4AF(%)MgO(%)55.619.67.52.19.31.9表2-3河砂和机制砂的性能指标质表观密度堆积密度空隙率石粉含量饱和面干吸水砂(kgm3)(kgm3)(%)(%)率(%)河砂2599.71531.541.101.2机制砂2629.71638.837.74.83.9表-4河砂和机制砂级配筛分项目筛孔尺寸（mm）/累计筛余（）一细度模数4.752.361.180.60.30.15<0.15河砂00.765.1623.8689.5098.301002.18机制砂023.6945.8964.3576.7985.231002.962.2、 配合比设计试验采用小试件40mm×40mm×160mm的棱柱体细碎石混凝土试件，水灰比为0.55,具体配合比见表2-5o表2-5机制砂混凝土配合比f才料机制砂掺量水(kgm3)水泥(kgm3)河砂(kgm3)机制砂(kgm3)石子(kgm3)(%)JZO0200363.77350IlOlJZ2525200363.7551.2183.8IlOlJZ5050200363.7367.5367.5IlOlJZ7575200363.7183.8551.2IlOlJZlOO100200363.70735IlOl注：JZO表示机制砂掺量为0%。2.3、 试验方法1、硫酸盐侵蚀方法试验采用全浸泡试验法：混凝土试件在标准养护28天后，置于浓度为10%的硫酸钠溶液中进行完全浸泡试验，完全浸泡试验龄期为6个月。浸泡容器采取封闭措施，防止水分蒸发和外来因素的影响，浸泡溶液每个月更换一次。在规定的浸泡龄期（1个月、2个月、3个月、4个月、5个月、6个月）从不同配合比混凝土试件中各取出一组试件，测试试件的抗折强度、抗压强度和质量，并对数据进行统计。2、孔结构测试方法本试验采用北京金埃谱公司生产的V-Sorb2800孔结构分析仪。吸附介质为氮气，利用氮吸附法测得标养后机制砂混凝土的孔结构参数。2.5、 评价指标本文机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀的评价指标主要包括：抗折劣化系数、抗压劣化系数,具体公式如下所示。1、强度劣化系数K=左为一标养28d后混凝土的强度；力一某侵蚀龄期混凝土的强度（T=1、2、3、4、5、6月）；K混凝土强度劣化系数。3试验结果分析3.1、不同机制砂掺混凝土的强度劣化系数不同机制砂掺量混凝土在硫酸钠溶液中浸泡后各龄期的抗折劣化系数和抗压劣化系数变化规律见图3-1和图3-2。II ' I ' I ' I ' I ' I0123456时间（月）图3T不同机制砂掺量混凝土的抗折劣化系数1.20-10.90-I1l1l11111I-1l0123456时间（月）图3-2不同机制砂掺量混凝土的抗压劣化系数5 0 5 .09,9LLO.从图3-1和图3-2中可以看出，混凝土的抗折和抗压劣化系数呈现出先上升后下降的趋势。这主要是由于在侵蚀初期硫酸钠溶液进入到混凝土内部与水泥水化产物发生反应，生成钙矶石和石膏等产物，而钙矶石和石膏的体积都比反应前混凝土本身体积大，这些产物填充了混凝土的内部孔隙，使混凝土变得更加密实，因而在侵蚀初期混凝土的抗折强度和抗压会有明显的提高；但随着钙矶石和石膏的继续生成，混凝土内部没有足够的空间来容纳这些生成物，一旦内部孔隙被这些产物填充满并继续填充就会在混凝土内部产生膨胀内应力，当内应力到达一定程度时会使混凝土形成裂缝，而形成的裂缝又会加速硫酸根离子侵入到混凝土内部，从而形成了恶性循环侵蚀混凝土，因此到了侵蚀后期混凝土的抗折和抗压劣化系数开始下降。在经过六个月的侵蚀后，除了JZ5O的抗折劣化系数和抗压劣化系数大于1外，其余各组均小于或等于1。从图可知，JZOJZ25、JZ75、JZIoO的抗折劣化系数曲线的变化规律比较相似，在三个月前抗折劣化系数迅速上升，在三个月时强度达到最大，在三个月后又快速下降。其中JZlOo的抗折劣化系数在下降段下降速度最快，在五个月后抗折劣化系数就已小于1，说明其抗硫酸盐侵蚀能力相对其他几组来说较差。JZ50的抗折劣化系数曲线相比其余各组明显较平稳，在前四个月抗折劣化系数一直增大，在第四个月时强度达到最大，在侵蚀六个月后的抗折劣化系数还是大于1,说明其抗硫酸盐侵蚀性能较好。若以强度劣化系数来评价不同机制砂掺量混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，可以得出JZ50>JZ75>JZ25>JZ0>JZ100o混合砂混凝土（JZ25、JZ50、JZ75）的抗硫酸盐侵蚀效果要比天然砂混凝土（JZO）和全机制砂混凝土（JZlOO）好,这可能是因为混合砂的级配要优于天然砂和机制砂，从而使配制而成的混凝土更加密实，更能抵御SCV-进入混凝土内部。JZ50在各组混凝土中表现出了最佳的抗硫酸盐侵蚀性能，这可能是因为机制砂掺量为50%的混合砂与水泥浆和粗骨料结合的最好，使混凝土内部的孔隙减小，提高了混凝土的密实度。3.4、 机制砂混凝土孔结构与抗硫酸盐侵蚀性能的关系3.4.1 平均孔径与侵蚀六个月后强度劣化系数的关系不同机制砂掺量混凝土的平均孔径见表3-1和图3-4o表不同机制砂掺量混凝土的平均孔径（nm）JZOJZ25JZ50JZ75JZlOO14.521814.238413.547713.852015.2462JZO JZ25 JZ50 JZ75 JZ100 机制砂混凝土图3-4不同机制砂掺量混凝土的平均孔径从表3-1和图3-4可以看出，随着机制砂掺量的增加，混凝土的平均孔径呈现出先减小后增大的趋势，当机制砂掺量为50%时，平均孔径达到最小，而且JZ25和JZ75的平均孔径比JZO和JZloo的都小。这表明，机制砂和天然砂互掺可以使混凝土的平均孔径减小，优化了混凝土的孔结构，从而提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。为了能更清楚地反映混凝土的平均孔径与其抗硫酸盐侵蚀性能之间的关系，现建立不同机制砂掺量混凝土的平均孔径与六个月后抗折劣化系数和抗压劣化系数之间的关系，如图3-5和图3-6所示。13.4 13.6 13.8 14.0 14.2 14.4 14.6 14.815.0 15.2 15.4 平均孔径(nm)13.4 13.6 13.8 14.014.2 14.4 14.614.815.0 15.215.4 平均孔径(run)图3-5平均孔径与抗折劣化系数图3-6平均孔径与抗压劣化系数从图3-5和图3-6可以看出，随着平均孔径的增加，混凝土的抗折劣化系数和抗压劣化系数都相应地下降，即平均孔径越小，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越好。这是因为平均孔径减小，混凝土中微孔增多，大孔减少，因而提高了混凝土的密实度。平均孔径与抗折劣化系数和抗压劣化系数基本上呈线性关系，拟合直线的相关系数R2分别为0.9085.0.9601,说明平均孔径与强度劣化系数有较高的相关性。3.4.2 表面分形维数与强度劣化系数关系通过FHH(Frenkel-Halsey-HilD模型计算得到侵蚀六个月后不同机制砂掺量混凝土孔结构的表面分形维数见表3-2和图3-7。表3-2不同机制砂掺量混凝土的表面分形维数JZOJZ25JZ50JZ75JZlOO2.53652.56022.57572.56832.5188251-IIII.JZOJZ25JZ50JZ75JZ100机制砂混凝土图3-7不同机制砂掺量混凝土的表面分形维数从表3-2和图3-7可以看出，随着机制砂掺量的增加，混凝土的表面分形维数呈现先增加后下降的趋势，当机制砂掺量为50%,D值最大。结合图3-1和图3-2机制砂掺量与混凝土抗折劣化系数、抗压劣化系数的关系，可知表面分形维数随着机制砂掺量的变化规律相比抗硫酸盐侵蚀指标随着机制砂掺量的变化规律较一致，都是呈现先升后降的趋势。这说明表面分形维数与混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能具有一定的相关性。结合图3-4不同机制砂掺量混凝土的平均孔径可知，表面分形维数随机制砂掺量的变化规律与平均孔径刚好相反，平均孔径越小，表面分形维数越大。这主要是因为平均孔径越小，孔径分布越细化，小孔隙也增大,因而也越向无序无规则方向发展，从而表面分形维数也越大。图3-8和图3-9为不同机制砂掺量混凝土的表面分形维数与六个月后抗折劣化系数、抗压劣化系数之间的关系。图3-8表面分形维数与抗折劣化系数的关系0.92-2.51 2.52 2.53 2.54 2.55 2.56 2.57 2.58 表面分形维数IRA2=0.88871.041.02图3-9表面分形维数与抗压劣化系数的关系表面分形维数反映了物体表面的不规则性和粗糙程度，也即反映了该表面对三维空间的填充能力，其值介于23之间【划。若表面分形维数为2,表明表面是规则的、光滑的；若表面分形维数越接近3,表明其表面越不规则、越粗糙，对三维空间的填充能力也越强。从图3-8和图3-9可以看出，不同机制砂掺量混凝土的表面分形维数与其抗硫酸盐侵蚀性能成正比，表面分形维数越大，抗折劣化系数、抗压劣化系数都随之增大。这主要是因为表面分形维数越大，混凝土内部孔隙也越不规则、越粗糙，硫酸根离子侵入时受到的阻力也越大，因而抗硫酸盐侵蚀性能也越高。表面分形维数与机制砂混凝土的抗折劣化系数与抗压劣化系数的相关性较好，相关系数都在085以上。因此表面分形维数与不同机制砂掺量混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能也具有较高的相关性，且D越大，抗硫酸盐侵蚀性能越高。4结论木文基于以上试验研究，得出了如下结论:1、机制砂掺量与混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能之间具有一定的相关性，随着机制砂掺量的增加，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能呈现出先上升后下降的趋势，当机制砂掺量为50%,混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能最佳。2、随着机制砂掺量的增加，不同机制砂掺量混凝土的平均孔径呈现先减小后增大的趋势，当掺量为50%时最小。平均孔径与机制砂混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能具有较高的相关性，平均孔径越小，抗硫酸盐侵蚀性能越高。3、不同机制砂掺量混凝土的表面分形维数D随着机制砂掺量的增加呈现出增大后减小的趋势当掺量为50%时最大。表面分形维数与不同机制砂掺量混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能也具有较高的相关性，D越大，抗硫酸盐侵蚀性能越高。参考文献宋少民,耿雷.人工砂高性能混凝土抗渗性与抗冻性研究J.工业建筑，2007,37(12):109-112.庞林太.机制砂混凝土在工程实践中的应用团.铁路工程造价管理,2007,04:28-31.陈正发，刘桂凤,马建.机制砂混凝土在冻融循环下的强度和耐久性研究几混凝土,2011(7):79-81.4P.M.Shanmugavadivu,R.Malathy.DurabilitypropertiesofconcretewithnaturalsandandmanufacturedsandProc.OfInternationalConferenceonScienceandEngineering(ICSE2011).2011.BeiXing,L.,W.Jiliang,Z.Mingkai.EffectoflimestonefinescontentinmanufacturedsandondurabilityoflowandhighstrengthconcretesJ.ConstructionandBuildingMaterials,2009z23:2846-2850.刘娟红，李政，王俊杰，etal.机制砂与天然细砂混掺配制高性能混凝土耐久性的研究J)新型建筑材料,2006:1-3.王雨利.低强度等级泵送高石粉机制砂混凝土的研究2.材料科学与工程学院，武汉：武汉理工大学,2007.吉林，缪昌文,孙伟.结构混凝土耐久性及其提升技术M.北京：2011.9吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土M.北京:1999.10刘军,邢锋,董必钦.混凝土孔结构和渗透性能关系研究J混凝土,2007,12:35-37.口1)金珊珊,张金喜,陈春珍,陈炜林.水泥砂浆孔结构分形特征的研究J.建筑材料学报,2011,01:92-97.口2)张建波.混凝土孔隙分形特征表征氯离子渗透性能研究.中国建筑材料科学研究总院,2010.口3叶家元.水化硅酸钙的微观结构特征与其结构模拟D.北京：中国建筑材料科学研究院总院,2007.