粉煤灰基地聚合物混凝土耐久性能的研究

粉煤灰基地聚合物混凝土耐久性能的研究

刘红福1 ,张志伟2

1安能三局（成都)工程质量检测有限公司

2中国安能集团第三工程局有限公司重庆分公司

摘要：粉煤灰基地聚合物胶凝材料性能优异且环保低碳，具有广阔的应用前景。本文研究了粉煤灰基地聚合物混凝土的抗酸性介质侵蚀性能、抗硫酸盐侵蚀性能和碱-集料反应等耐久性能。研究结果表明：粉煤灰基地聚合物混凝土具有较强的抗酸性介质侵蚀性能及抗硫酸盐侵蚀性能；粉煤灰基地聚合物砂浆的ASR膨胀率在安全膨胀率范围之内，不存在潜在的碱硅酸反应危害。

关键词：粉煤灰；地聚合物；混凝土；耐久性

    粉煤灰是由火力电厂燃煤产生的工业副产物，近年来，由于我国传统的燃煤发电仍然在能源机构中占据着重要地位，所以其产生量巨大。据统计，2021年全国粉煤灰排放量超过6.5亿t[1]。目前粉煤灰主要综合利用途径包括以下几个方向：作为混凝土的矿物掺合料、制备墙体材料、改良土壤及提取氧化铝等[2,3]。

地聚合物是一种利用硅铝质原料和高碱溶液反应制备的新型无机胶凝材料，与硅酸盐水泥相比，其性能优异，制备和使用过程环保、低碳，应用前景广阔[4]。研究表明，粉煤灰可以作为地聚合物的原材料使用[5]，采用粉煤灰制备地聚合物混凝土，为粉煤灰的综合利用拓展了一条新路径，同时具有重要的环境、经济效益。目前，国内外学者对粉煤灰基地聚合物的反应机理及力学性能进行了大量的研究，而对其耐久性能研究较少。本文将从粉煤灰基地聚合物混凝土的抗酸性介质侵蚀性能、抗硫酸盐侵蚀性能及碱-集料反应等三个方面进行研究。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本试验采用的粉煤灰为II 级灰，其SiO2含量为48.85%、Al2O3含量为26.43%；水玻璃为碱激发剂，通过工业水玻璃和氢氧化钠复配而成；细集料的细度模数为2.4，粗集料采用粒径为5～20mm的石灰石碎石；活性集料为石英玻璃，经破碎、清洗、干燥、筛分后使用，其粒径为0.15~ 0.75 mm。粉煤灰地聚合物混凝土配合比如表1所示。

表1粉煤灰地聚合物混凝土配合比

1.2 试验方法

1.2.1抗酸性介质侵蚀性能试验方法

本试验采用100mm×100mm×100mm 立方体混凝土试件，将试件在标准养护室中养护28d，并测试混凝土试件的抗压强度R0，然后将混凝土试件放入5%的稀盐酸溶液中，浸泡28d测定混凝土试件的抗压强度R，比较混凝土试件侵蚀前后的强度变化。腐蚀程度用强度损失率来表示，则试件的强度损失率Rd( 蚀强率) 用下式表示。

Rd=×100%（1）

1.2.2抗硫酸盐侵蚀试验方法

本试验抗硫酸盐侵蚀试验采用浸泡法。试验采用100mm×100mm×100mm 立方体混凝土试件，成型一天后拆模，养护至28d，取混凝土试件分别浸泡在清水和硫酸钠溶液中，浸泡一定龄期后，测试侵蚀介质中和清水中相同龄期同配合比的混凝土的抗压强度。采用浓度为5%的硫酸钠溶液浸泡28d。

1.2.3碱-集料反应试验方法

由于时间原因，本试验没有采用GB/T50081-2002《普通混凝土试验方法长期性与耐久性能试验方法标准》，而是采用快速砂浆棒法对粉煤灰基地聚合物混凝土的碱-集料反应膨胀率进行研究。试验设备见图1。

图1 碱骨料试验箱

2 结果与讨论

2.1粉煤灰基地聚合物混凝土抗酸性介质侵蚀性能

近年来，随着工业的快速发展，建造物所面临的环境侵蚀日益苛刻，酸性介质侵蚀就是其中之一。有调查资料表明, 我国30% 的区域属于酸雨区, 61.8%的南方省市出现酸雨，频繁的酸雨、呈酸性的地下水以及自然界的酸性环境等[6]，都对混凝土结构的耐久性造成很大的破坏。

混凝土试件在盐酸溶液中浸泡情况如图2所示，试验结果如表2所示。

图2  粉煤灰基地聚合物混凝土浸泡图

表2 粉煤灰地聚合物混凝土抗酸性介质侵蚀试验结果

从图2可以看出，粉煤灰基地聚合物混凝土试件在盐酸溶液浸泡后无明显变化。通过表2可以看出，粉煤灰基地聚合物混凝土蚀强率为负值，说明在盐酸溶液中，粉煤灰基地聚合物混凝土内部仍然继续水化，且水化引起的强度增长速率大于盐酸侵蚀造成的强度损失速率；这是因为粉煤灰基地聚合物混凝土的产物主要是沸石类矿物，而C-S-H凝胶（主要是低碱度的水化硅酸钙凝胶）作为骨架穿插在其中，沸石类矿物是硅铝氧化物形成的三维网状结构的聚合体，所以这种网状结构非常稳定；并且粉煤灰基地聚合物混凝土的产物是主要通过离子键、共价键结合的，而离子键和共价键的键能非常强，这可能是粉煤灰基地聚合物混凝土能抵抗酸性介质侵蚀的根本原因

[7]。

2.2粉煤灰基地聚合物混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

硫酸盐侵蚀是混凝土受化学侵蚀范围中最广泛的形式之一，而硫酸盐侵蚀是一个复杂的物理化学过程，在整个侵蚀过程中包含了很多次生过程。

粉煤灰地聚合物混凝土试件在标准养护条件下养护至28天龄期，然后将试件分别浸泡在清水和5%的硫酸钠溶液，28d后测试混凝土试件的抗压强度。试验结果如图3所示。

图3 浸泡在清水和硫酸钠溶液的试件强度对比

从上图可知，浸泡在浓度为5%硫酸钠溶液的粉煤灰地聚合物混凝土抗压强度均高于未浸泡前的抗压强度，但均小于浸泡在清水里的粉煤灰地聚合物混凝土抗压强度。说明粉煤灰地聚合物混凝土在5%硫酸钠溶液浸泡初期强度增长，这是因为碱激发粉煤灰反应生成的凝胶态固相产物填充到液相中, 使得水化反应速率大幅度降低，未完全溶解的粉煤灰颗粒就会被固定在已反应生成的聚合物网络中；再加上硫酸盐侵入混凝土内部能填充混凝土固有的孔隙中，使混凝土在一定龄期内变得更加密实[8]，造成粉煤灰基地聚合物混凝土受硫酸钠侵蚀后的一定时间内抗压强度增大。

因为时间原因，在所进行的周期内混凝土强度没有出现降低，对粉煤灰基地聚合物混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的强弱不能做出准确的判断，只能说明在一定龄期内粉煤灰基地聚合物混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力较强。

2.3粉煤灰基地聚合物砂浆碱-集料反应

当混凝土中的集料含有活性集料（主要成分为活性氧化硅）时，如果所用的水泥中碱含量过高时，碱水解会生成NaOH和KOH，而NaOH和KOH会与活性集料发生化学反应，形成复杂的碱-硅酸凝胶等，碱-硅酸凝聚可以吸水膨胀，严重时可使混凝土胀裂。这种化学作用称为碱-集料反应（ASR）[9]。

2.3.1 碱含量对粉煤灰基地聚合物砂浆ASR膨胀率的影响

碱是诱发ASR不可或缺的条件，碱含量的多少直接影响碱集料反应的程度。对于普通硅酸盐水泥，一般要控制碱含量（以氧化钠当量计）在0.6%以内，以防止ASR的发生。而碱激发粉煤灰胶凝材料中的碱含量在6%到12%之间，这对普通硅酸盐水泥来说，是一个非常惊人的碱含量，在活性集料和水存在的条件下，一定会发生碱集料破坏。但是碱激发粉煤灰胶凝材料是否也会发生碱集料破坏？值得我们担忧。本试验设置四组配合比，碱含量分别为7%、8%、9%、10%。活性集料含量为10%，活性集料粒径为0. 15~ 0. 75 mm。采用快速砂浆棒法，来探究碱含量对碱激发粉煤灰砂浆ASR膨胀率的影响，实验结果如表3所示。

表3  碱含量对粉煤灰地聚合物砂浆ASR膨胀率的影响（%）

从表3可以，碱含量为7%~10%，砂浆棒的14d膨胀率都没超过0.1%，并且是远远小于0.1%，可以判定粉煤灰基地聚合物混凝土无潜在的碱硅酸反应危害。

碱激发粉煤灰的水化过程是一个不断消耗碱的过程，随着水化反应的进行，体系中的碱进入水化产物中，形成了以含碱金属的水化铝硅酸盐为主的水化产物。而这些水化产物有较高的比表面积，对钠离子和钾离子具有很强的吸附能力，因此很大程度地降低粉煤灰基地聚合物中的游离碱含量，对碱集料反应起到很好的抑制作用[10]。

2.3.2 活性集料含量对粉煤灰基地聚合物砂浆ASR膨胀率的影响

活性集料含量对混凝土的碱集料反应的膨胀率有很大的影响。研究表明[9]，在活性集料质量分数5%到50%范围内，碱矿渣水泥砂浆ASR膨胀率随活性集料质量分数的提高而增大。本试验设置四组配合比，活性集料含量分别为5%、10%、15%、20%。碱含量为9%，活性集料粒径为0. 15~ 0. 75 mm。试验结果如表4所示。

表4活性集料含量对粉煤灰地聚合物砂浆ASR膨胀率的影响（%）

从表4可以看出，在碱含量一定时，活性集料含量在5%~20%之间，粉煤灰基地聚合物砂浆棒的14d天膨胀率均小于0.1%，说明活性集料含量在一定范围内，粉煤灰基地聚合物无潜在的碱硅酸反应危害。

3 结论

本论文主要对粉煤灰基地聚合物混凝土抗酸性介质侵蚀性能、抗硫酸盐侵蚀性能及碱-集料反应等方面进行了研究，主要结论如下:

在质量分数5%的盐酸溶液结合质量分数5%的硫酸钠溶液浸泡28d后，粉煤灰基地聚合物混凝土的抗压强度都出现了不同程度的增加，说明粉煤灰基地聚合物混凝土具有较强的抗酸性介质侵蚀性能及抗硫酸盐侵蚀性能。

当活性集料含量为10%时，碱含量在7%到10%之间，粉煤灰基地聚合物砂浆最大膨胀率不超过0.1%；当碱含量一定时，活性集料的含量对粉煤灰基地聚合物砂浆ASR膨胀的影响很小。所以粉煤灰基地聚合物无潜在的碱硅酸反应危害。

参考文献：

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[2] 杨建军,徐小彬,殷素红,等.粉煤灰综合利用新途径的探讨[J] 材料研究与应用,2008（12）.

[3]张力,李星吾,张元赏,等.粉煤灰综合利用进展及前景展望[J].建材发展导向,2021,19(24).

[4] 史才军.碱-激发水泥和混凝土[M].北京：化学工业出版社,2008.

[5] 郑娟荣,刘丽娜,谢灵霞.碱激发粉煤灰胶凝材料砂浆及混凝土的性能研究[J]混凝土,2009（05）

[6] 胡志远,陈剑雄,苏都喜,等.复合掺合料抗酸雨混凝土耐久性能[J].重庆工学院学报(自然科学版),2008(05):45-49.

[7] 胡洁,郑娟荣.碱激发胶凝材料抗酸侵蚀性的试验研究[J].山西建筑,2011,37(35):119-120.

[8] 张磊,杨鼎宜.混凝土硫酸盐侵蚀过程及主要产物研究进展[J].混凝土与水泥制品,2006(06):19-22.

[9] 杨长辉,蒲心诚,吴芳.碱矿渣水泥砂浆的碱集料反应膨胀研究[J].硅酸盐学报,1999(06):651-657.

[10] 彭小芹,李硕,黄滔,许国伟.土聚水泥混凝土及其碱集料反应初探[J].材料导报,2007,21(12A):183-185.