低碳型耐酸混凝土的试验研究

牛艳飞，刘玲玲，麻若楠

（广州大学土木工程学院 广州 510006）

0 引言

随着碳达峰、碳中和目标行动方案的细化和进一步实施，低碳已经成为我国未来各行各业的发展方向。随着我国工业化和城市化的发展，工业固体废弃物的种类和总量在持续增长［1-2］，随着这些固体废弃物对环境的危害日益加剧，对工业固体废弃物的资源化利用技术成为研究的重点和热点［3-4］。

工业生产过程中，各种酸性物质会腐蚀混凝土，影响其结构稳定性和耐久性［5-6］，耐酸混凝土是诸多应对措施中的一种［7-10］。以往的研究成果中，耐酸混凝土主要分为水玻璃耐酸混凝土、树脂类耐酸混凝土、沥青耐酸混凝土、硫磺耐酸混凝土和高铝水泥耐酸混凝土等［11］。

粉煤灰中除存在少量活泼金属氧化物外，其主要组成为具有抗腐蚀能力强，稳定性好、高温蠕变及热膨胀系数小等特性的莫来石和耐酸性能良好的玻璃体、石英等物质组成，通过选择合适的胶黏剂，制作出耐腐蚀性能达标的建筑材料具有一定的可行性，其来源主要为全国大量存在的火力发电厂等工业企业，来源广泛，库存充足，价格便宜，经济实惠。考虑到以上背景，本研究用矿粉和粉煤灰取代80%的水泥，使用质量分数为5%的稀硫酸溶液来模拟酸性腐蚀环境，尝试研发出具有耐酸性能的低碳型混凝土。

1 试验方案

1.1 混凝土配合比

混凝土的设计配合比如表1所示。坍落度目标值为15.0±2.0 cm，含气量目标值为4.5%±1.5%，通过调节外加剂的使用量来满足目标值。

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix Proportion of Concrete （kg/m3）

设计水胶比为0.3；水泥使用的是普通硅酸盐水泥；矿粉和超细矿粉的比表面积分别为400 m2/kg 和1 200 m2/kg；粉煤灰使用的是Ⅱ级粉煤灰；河砂使用的是Ⅱ级中砂，外加剂使用的是高性能减水引气剂。利用外加剂跟粉料的质量百分比来表示单位使用量。其中，各粉料的单位使用量后的括号里的数字表示该粉料占总粉料的质量比，为满足低碳型混凝土的目标，普通硅酸盐水泥的使用量仅占粉料的20%。

1.2 试验内容

本研究使用质量分数为5%的稀硫酸溶液来模拟酸性腐蚀环境。

⑴抗压强度试验：混凝土试块成型后第1 d（从混凝土搅拌加水时算起）拆掉模具，移至恒温恒湿环境中在水中养护。在龄期7 d、28 d、91 d 测试其抗压强度。

⑵质量损失试验：混凝土试块成型后第1 d（从混凝土搅拌加水时算起）拆掉模具，移至恒温恒湿环境中在水中养护。水中养护28 d之后取出，晾干称重，将该质量W0定为初始质量。然后将试块浸泡在质量分数为5%的稀硫酸溶液中，在浸泡之后第7 d、28 d、56 d、91 d取出试块，用自来水冲洗1 min，晾干之后称重。

⑶ 硫酸中性化试验：混凝土试块成型后第1 d（从混凝土搅拌加水时算起）拆掉模具，移至恒温恒湿环境中在水中养护。水中养护28 d 之后取出，浸泡在质量分数为5%的稀硫酸溶液中，在浸泡之后第7 d、28 d、56 d、91 d 取出试块，将试块沿长度方向切成两块，在断面处喷涂酚酞溶液，观察并测量中性化深度。

2 试验结果与分析

抗压强度试验结果如图1 所示，与掺了超细矿粉的K系列相比，掺了粉煤灰的F系列第7 d的抗压强度较低，但28 d和91 d的抗压强度更大。矿粉的化学成分能够发生如式⑴、式⑵所示的火山灰反应，且超细矿粉的比表面积较大，与Ca（OH）2的反应速率更快，所以早期强度比F 系列更高。但粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量更高，能够与更多Ca（OH）2发生反应，所以在第28 d和第91 d，F系列的抗压强度反而更高。

图1 混凝土抗压强度Fig.1 Compressive Strength of Concrete

质量损失试验结果如图2 所示，与同系列其他两组相比，F1 和K1 在硫酸溶液中浸泡28 d 后的质量有所增加，但在浸泡91 d 后的质量相比于浸泡前的质量有所减小。这可能是因为F1 和K1 中矿粉的掺量最高，矿粉的比表面积仅为400 m2/kg，火山灰反应速率较慢，消耗Ca（OH）2的量较少。浸泡初期，硫酸与Ca（OH）2发生如式⑶所示的反应，生成二水石膏附着在试块表面，所以质量增加。而长期浸泡的情况下，考虑到可能发生如式⑷所示的反应，混凝土发生膨胀使表面附着的物质剥落，所以91 d的质量大幅减少。

图2 混凝土质量损失率Fig.2 Mass Loss Rate of Concrete

硫酸溶液浸泡0～56 d 的过程中，F 系列质量变化率随着粉煤灰掺量的增加而减小。

硫酸溶液浸泡0～28 d 的过程中，K 系列质量变化率随着超细矿粉掺量的增加而减小。这主要是因为粉煤灰和超细矿粉与Ca（OH）2发生了火山灰反应，不仅消耗了大量Ca（OH）2，也使混凝土内部变得致密，抑制了硫酸的侵入与化学反应。

硫酸中性化试验结果如图3 所示，硫酸溶液浸泡过程中，F 系列硫酸中性化深度随着粉煤灰掺量的增加而减小，K 系列硫酸中性化深度也随着超细矿粉掺量的增加而减小，跟质量损失试验相同，这也是因为粉煤灰和超细矿粉的火山灰反应使混凝土内部变得致密，抑制了硫酸的侵入与化学反应。

图3 混凝土硫酸中性化深度Fig.3 Depth of Neutralization of Sulfuric Acid

观察硫酸溶液长期（91 d）浸泡之后的结果发现，F 系列的硫酸中性深度比K 系列要小，这可能是因为相比于超细矿粉，粉煤灰的火山灰反应更为缓慢，但持续性较好。所以龄期越长，混凝土内部越致密，有长期耐酸的潜在优势。

3 结论

关于低碳型的耐酸混凝土的试验研究，可得出以下结论：

⑴大量掺入矿粉和粉煤灰的混凝土的早期强度虽然不高，但长期强度发展较好。

⑵大量掺入粉煤灰和超细矿粉可以使混凝土内部变得更加致密，抑制硫酸的侵入与化学反应，有利于控制混凝土因硫酸侵蚀而发生的质量变化，也可以有效减小硫酸中性化深度。本试验所研发的低碳型耐酸混凝土在实际工程中的应用具有可行性。