水泥混凝土耐酸性能及不同添加剂影响分析

水泥胶凝材料是一种碱性材料，很容易与酸发生反应，导致钙化物的缺失，从而使结构破坏。由于水化产物及其性能的差异，碱激发矿渣混凝土比硅酸盐水泥混凝土有更好的耐酸性。

腐蚀深度和质量损失常用来评价水泥和混凝土的耐酸性能。Shi［17］的研究发现，在pH为3的硝酸溶液中浸泡580天后，碱激发矿渣水泥的腐蚀深度大约是1.3 mm，而普通硅酸盐水泥的腐蚀深度为2.5 mm。碱激发矿渣水泥抵抗盐酸溶液腐蚀的能力同样比普通硅酸盐水泥强。在醋酸溶液中浸泡150天后，普通硅酸盐水泥和碱激发矿渣水泥砂浆腐蚀情况见图9-15，碱激发矿渣水泥砂浆表面平整、密实，无裂缝、无缺棱掉角等，耐腐蚀能力优于硅酸盐水泥砂浆。

Bakharev等［19］研究了普通硅酸盐水泥混凝土和由氢氧化钠/水玻璃激发的矿渣混凝土浸泡在醋酸溶液（pH=4）中一年的腐蚀情况。结果发现，碱矿渣混凝土有33%的强度损失，而普通硅酸盐水泥混凝土则达到47%。他们认为强度降低取决于水化产物中钙的含量，普通硅酸盐水泥混凝土中钙含量达64%，而碱激发矿渣混凝土中钙的含量仅有39%。除此之外，碱矿渣混凝土水化产物中的C—S—H的C/S（钙硅比）低，在酸性介质中稳定，而普通硅酸盐水泥混凝土中水化产物具有高的C/S，易与醋酸反应形成极易溶解的乙酸钙化合物，降低了混凝土的耐酸性能。

图9-15　在醋酸溶液中浸泡150天的照片［18］

Gourley等［20］发现，使用寿命为50年的普通硅酸盐水泥混凝土，在硫酸溶液（pH=1）中循环浸泡80次后质量损失为25%，然而，碱激发混凝土若要达到相同的质量损失，则需要1 400次的浸泡循环，这就意味着其使用寿命可达到900年。

随着碱激发矿渣混凝土中胶凝组分范围不断扩大，越来越多的研究者将不同的工业废渣引入到碱激发矿渣混凝土这一体系中。作者研究了掺入锂渣、石粉和粉煤灰后对碱矿渣混凝土耐酸性的影响。试验中将这几种工业废渣以等质量比单独或复合替代部分矿渣，研究多组分的碱激发混凝土在2%、5%硫酸溶液和2%盐酸溶液中的耐腐蚀性。试验结果图9-16～图9-18中各试样的编号含义如下：C1-100%矿渣，C2-70%矿渣+30%锂渣，C3-70%矿渣+30%石粉，C4-40%矿渣+30%石粉+30%锂渣，C5-40%矿渣+30%锂渣+30%粉煤灰。

图9-16　碱激发混凝土经2%H2SO4腐蚀后的抗压强度和质量损失率/%［7］(www.xing528.com)

图9-17　碱激发混凝土经5%H2SO4腐蚀后的强度和质量损失率/%［7］

试验过程中发现，当试件刚放入硫酸溶液中时，试件表面有气泡产生，气体呈臭鸡蛋气味，硫酸的浓度越高，气泡越明显，产生的气味也越浓烈，这说明硫酸对混凝土的腐蚀很快，且浓度越高，腐蚀也越大。当混凝土浸泡一定龄期后（12个月），溶液对试件的腐蚀有所不同，在2%的硫酸溶液中，溶液稍有浑浊，将试件取出，表面有一些粉化，有部分砂浆粉脱落，用钢丝刷刷洗后，试件表层脱落，露出一部分细骨料，棱角处有轻微脱落。而在5%的硫酸溶液中时，溶液浑浊严重，试件表面层变软，用钢丝刷可轻易刷掉，洗刷后试件表面凸凹不平，表层完全脱落，缺棱掉角，大石子裸露，说明腐蚀程度较严重。

在2%的硫酸中，复掺锂渣、粉煤灰的碱激发混凝土的耐酸性最好。浸泡一年后，其强度和质量损失率最低，分别为34.7%、1.64%，比同龄期的碱矿渣混凝土的值（43.4%，2.29%）分别降低8.7%、0.65%，其次是单掺锂渣的混凝土，强度和质量损失率也较碱矿渣混凝土的低4.8%、0.42%；石粉掺入后，降低了碱矿渣混凝土的耐酸性，石粉和锂渣复合后的碱激发混凝土的耐酸性和碱矿渣混凝土相近。在5%的硫酸中，腐蚀规律基本与2%的硫酸溶液相同，但腐蚀程度加深，强度损失率在54.5%～84.8%之间，质量损失率为5.0%～13.8%，特别是单掺石粉后，强度损失率达84.8%，说明此时混凝土已完全破坏。

碱激发多组分混凝土在2%的盐酸溶液中的腐蚀结果图9-18所示。

图9-18　碱激发混凝土经2%HC1腐蚀后的质量损失率和抗压强度损失率/%［7］

在盐酸溶液中浸泡一年后，掺入30%石粉（C3组）后的强度损失率最大，其次是C4组（含30%石粉），强度损失率最小的是掺入30%锂渣的碱激发混凝土（C2组）。这说明锂渣对提高碱矿渣混凝土的耐酸性有较大的作用，而石粉的加入降低了碱矿渣混凝土的耐酸性，当复合加入锂渣、石粉，锂渣、粉煤灰后，耐盐酸性又有所提高。但是，浸泡后的碱激发混凝土强度都低于同龄期浸泡于水中的混凝土强度，这表明在腐蚀的过程中混凝土仍继续水化，强度不断增长。此外，在浸泡的早龄期（1个月），C1、C2的质量有所增加，这是混凝土继续水化的结果。随浸泡龄期的延长，质量开始有所损失，浸泡12个月后，质量损失率的顺序为C3＞C1＞C4＞C2＞C5，在0.66%～2.31%范围内波动，复合掺入锂渣、粉煤灰混凝土的质量损失率最低，掺入石粉的最大。

从耐酸性试验结果可知，不同的工业废渣掺入到碱矿渣混凝土中对其耐酸性的影响也不相同。锂渣的产生过程是经过酸处理的，因而锂渣替代部分矿渣能提高其耐酸性；锂渣和粉煤灰复合时，两者相互填充、密实混凝土内部孔隙和空隙，减少了酸的侵入；石粉的主要成分是碳酸钙，即一种不耐酸的成分，因此，当替代部分矿渣后能明显降低碱矿渣混凝土的耐酸性。