机制砂混凝土的酸雨中性化.pdf

中国科技核心期刊 新 癯 建 柑 相制硝混凝土的酸雨由性化 苏卿 ( 武昌理工学院， 湖北 武汉4 3 0 2 2 3 ) 摘要 ： 对碳化及酸雨 碳化复合作用下， 机制砂混凝土、 河砂混凝土的碳化深度进行对比。 结果表明， 碳化或酸雨与碳化复合作 用下， 混凝土的碳化深度 随强度等级提 高而 降低 ， 且机制砂混凝土的碳化深度均小于同强度等级的河砂混凝土 ； 与单一碳化相 比， 酸雨与碳化复合作用时， 由于酸雨 中 H 和 S 0 的共 同影响， 加速 了混凝土中性化进程 。 关键词 ： 机制砂； 酸雨； 混凝土； 中性化； 碳化深度 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 1 6 0 4 Ne u t r a l i z a t j O n o f a r t i fi c i a l s a n d c o n c r e t e c a u s e d b y a c i d r a i n S U Q ( Wu c h a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 2 2 3， Hu b e i ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Wi t h t h e e f f e c t o f c a r b o n a t i o n a n d c o mb i n i n g a c t i o n o f a c i d r a i n a n d c a r b o n a t i o n， t h e c a r b o n a t i o n d e p t h o f c o n c r e t e wi t h fiv e r s a n d a n d a r t if i c i a l s a n d wa s s t u d i e d， r e s p e c t i v e l y Th e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e e f f e c t o f c a r b o n a t i o n a n d c o mb i n e d a c - t i o n o f a c i d r a i n a n d c a r b o n a t i o n ， t h e c a r b o n a t i o n d e p t h o f c o n c r e t e l o we r e d wi t h t h e i n c r e a s e o f s t r e ng t h l e v e l ， a n d t h e c a r b o n a t i o n d e p t h o f a r t i fic i a l s a n d c o n c r e t e i s l e s s t h a n t h a t o f c o n c r e t e wi t h r i v e r s a n d o f t h e s a me s t r e n gth l e v e 1 C o mp a r e d wi t h s i n g l e c a r b o n a t i o n ， t h e n e u t r a l i z a t i o n o f c o n c r e t e wa s a c c e l e r a t e d u n d e r t h e c o mb i n e d a c t i o n o f H a n d S 04 2 -i n a c i d r a i n Ke y wor d s： a r t i fi c i a l s a n d： a c i d r a i n： c o n c r e t e ； n e u t r a l i z a t i o n ； c a r b o n a t i o n d e p t h 酸雨正式的名称为酸性沉降，指p H值小于5 6 的雨水、 冻雨、 雪、 雹 露等大气降水。在没有大气污染物存在的情况 下， 降水酸度主要是由大气中C O 所形成的碳酸组成， 其p H 值大约在5 6 6 0 。 据资料显示， 2 0 世纪7 0 年代以来， 酸雨已 逐步成为世界性的公害。 先是在欧洲、 北美等地相继出现大范 围的酸雨， 2 0 世纪8 0 年代中期以 后， 我国的酸雨区也日 益扩 大， 从西南、 华南逐步向北推移， 且以南京、 上海、 杭州、 福州和 厦门为代表的华东沿海也成为主要酸雨区，酸雨中心地区雨 水p H值也越来越低。 我国的酸雨主要是硫酸型， 三大酸雨区分别为： 华中酸雨 区， 是全国酸雨污染范围最大、 中心强度最高的酸雨污染区； 西南酸雨区， 是仅次于华中酸雨区的降水污染严重区域； 华东 沿海酸雨区， 污染强度低于华中、 西南酸雨区。 近年来， 随着我国混凝土用量逐年增加， 作为混凝土重要 基金项 目： 交通部西部项 目( 2 0 0 6 3 1 8 2 2 3 0 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 2 1 1 - 1 8 ； 修订 日期 ： 2 0 1 3 一 叭一 2 2 作者简介 ： 苏 卿， 女， 1 9 7 9年生 ， 甘肃 白银人 ， 博士 。E = ma i l ： s s _ q t a o 1 2 6 c o i n。 1 6 新型建筑材料 2 0 1 3 6 组分的天然砂资源却曰渐匮乏， 特别是在我国石多砂少的云、 贵、 川等地的交通设施建设中， 采用机制砂替代天然砂配制混 凝土势在必行。 而当地酸雨频率较高， 因此， 大量混凝土建 构 筑物， 包括桥梁、 大坝等重大工程直接暴露在大气环境中， 遭 受C O 和酸雨等腐蚀。混凝土耐久性问题十分突出， 而酸雨 影响下机制砂混凝土中性化的相关文献却鲜有报道。 因此， 本 文通过试验，对比了机制砂混凝土与河砂混凝土在酸雨作用 下的中性化过程，为机制砂混凝土结构的耐久性设计及评估 提供理论依据。 l 试验 1 1 原材料及混凝土配合 比 水泥： 贵州盘江海螺牌P 0 5 2 5 级水泥， 其物理性能参 数见表 1 ； 级粉煤灰： 0 0 4 5 m m方孔筛筛余2 0 ， 需水量比 1 0 5 ， 烧失量2 5 3 ； 机制砂： 母岩为石灰石， 细度模数3 0 7 ， 石粉含量 5 9 ，表观密度 2 7 6 0 k g m ； 河砂： 细度模数2 4 ， 表观密度2 6 0 4 k g m ， 含泥量4 0 ， 细集料级配曲线见图 1 ； 外加剂： 缓凝超塑高性能减水剂。试验用的混凝土配合比见 表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 苏卿： 机制砂混凝土的酸雨中性化 表 1 水泥的物理力学性能 蚓 摆 班 舔 图 1 细集料 的颗粒级配 表 2 混凝土的配合比 k g m 1 2 试验方法 1 2 1 碳化试验 碳化试验参照G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能 和耐久性能试验方法 进行。 混凝土试块尺寸为1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m la l ， 标准养护2 6 d 后在 6 0 下烘干4 8 h 。 经烘干处 理后的试块， 留下相对的2 个侧面， 其余表面采用加热的石蜡 密封。 然后在暴露侧面上沿长度方向用铅笔以1 0 m m问距画 出平行线， 作为预定碳化深度的测量点。 本试验分别测试了混 凝土加速碳化7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 和6 0 d 的碳化深度。 1 2 2 酸雨与碳化复合试验 我国酸雨中最主要的阴离子成份是S 0 4 2 _ ，其次是N O 一 ， 阳离子则以H + 和N H 4 + 为主。 根据典型城市酸雨的离子组成与 主要离子浓度， 试验以p H值4 0 、 S 0 4 2 - 浓度为0 1 5 m o l L的溶 液模拟酸雨，试验过程中溶液的S 0 2 - 浓度用硫酸铵调节， p H 值用硝酸调节。 试验采用边长1 0 0 m m的混凝土立方体试件，养护 2 6 d 时从标准养护室取出，在6 0 下烘干4 8 h 后留 下相对的2 个侧面， 其余表面用环氧树脂密封。 试验采用浸烘循环模拟酸 雨腐蚀， 即试块在酸雨模拟液中浸泡3 6 h 后晾干 1 h ， 再放入 6 0 烘箱里烘 1 0 h ， 取出冷却 1 h 为 1 个循环， 每 1 2 h用酸 度计测试酸雨模拟液的p H值，并用硝酸调节溶液的p H值。 1 0 次浸烘循环后进行碳化试验。 碳化龄期为7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 和 6 0 d 。 2 结果与分析- 2 1 试验现象 以J C 4 0机制砂混凝土为例， 对比了加速碳化、 酸雨与碳 化复合试验后混凝土试件的外观形貌， 结果见图2 。 ( a ) 加速碳化试验 ( b ) 酸雨与碳化复合试验 图 2 加速碳化、 酸雨与碳化复合试验后J C 4 0 试件的外观 从图2 可以看出，加速碳化试验后， J C 4 0 试件表层混凝 土较为完好， 碳化深度预定网格线清晰可见， 而酸雨与碳化复 合试验后， 混凝土试件表面砂浆层疏松， 有一定程度的剥落。 2 2 加速碳化条件下混凝土的碳化深度 不同碳化龄期时，机制砂混凝土和河砂混凝土的碳化深 度见 表 3 。 表 3 加速碳化条件下 2 组混凝土不同龄期的碳化深度 由表3 可见， 随着碳化龄期的延长， 混凝土的碳化深度增 大； 随着混凝土强度等级的提高， 碳化深度减小， 尤其是强度 等级为C 5 0和C 6 0 的混凝土，出现早期碳化深度为0 的情 况； 机制砂混凝土的碳化深度明显小于同强度等级的河砂混 凝土。 机制砂混凝土中含有一定量的石粉， 具有增黏、 润滑、 填 充和增强水化等多种效应，从而在一定程度上改善了硬化水 泥石的孔隙结构， 提高了机制砂混凝土抵抗碳化的能力。 2 3 加速碳化和酸雨复合条件下混凝土的 碳化深度 ( 见表4 ) N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 1 7 踟 的 加 加 0 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 苏卿： 机制砂混凝土的酸雨中性化 表 4 加速碳 化和酸雨复合条件下 2 组 混凝土 不同龄期的碳化深度 由 表4 可知， 酸雨与碳化复合作用时， 混凝土的碳化深度 表现出与加速碳化一致的规律， 即随着碳化龄期的延长， 混凝 土的碳化深度增大； 随着混凝土强度等级的提高， 碳化深度减 小。与单纯加速碳化相比， 酸雨与碳化复合作用下， 混凝土的 碳化深度均有不同程度的提高，表明酸雨加速了混凝土的中 性化进程。 以C 4 0 混凝土为例， 对比了加速碳化、 酸雨与碳化复合 后的碳化深度， 结果见图3 。 H C 4 0 ( 加速碳化) J C 4 O ( 加速碳化) 图 3 碳化 、 酸雨与碳化作 用下 C 4 0 混凝土 的碳化深度 由图3 可见， 不论碳化或酸雨与碳化复合， 机制砂混凝土 的碳化深度均小于相同强度等级( C 4 0 ) 的河砂混凝土， 说明 机制砂混凝土具有较好的抵抗碳化能力。 酸雨的腐蚀机理可以 表述为： C a ( 0 H ) 2 + 2 H + S 0 4 2 - - - - C a S 0 4 2 H 2 0 ( 1 ) 由式( 1 ) 可知， 酸雨对混凝土的影响与C 0 所引起的碳 化过程相似， 且由于反应生成的盐是可溶盐， 它们的溶出 对混 凝土结构的破坏与C 0 所引起的碳化作用也相似。因此， 将 酸雨过程称作混凝土的类碳化作用ll l 。研究表明闭 ， 酸雨对硅 酸盐水泥基材料的破坏主要是H 和S 0 一 共同作用的结果： 一 方面， H + 使硬化水泥石中的C a ( O H ) 、 C S H 、 C H 等物质发生 分解、 转化而引起结构溃散性腐蚀； 另一方面， s O 一 与水泥石 1 8 新型建筑材料 2 0 1 3 6 作用， 生成膨胀性的C a S 0 4 2 H 2 0 ， 进而引起膨胀性腐蚀。 也就 是说，酸雨腐蚀机理是一种由分解腐蚀与膨胀性腐蚀共同构 成的复合型侵蚀破坏。 结合本文的 试验结果，酸雨模拟溶液的主要酸性成分是 H 2 S O 和H N O ， 它们是强酸电解质， 在水溶液中能够完全电 离。即 H 2 S 0 4 2 H + + S 0 7 一 H N 0 广 H + N O 3 - 在浸烘循环作用下， 酸雨模拟溶液中的H 和s o ? 一 进入混 凝土表面或孔隙中， 其中H 。哙和混凝土中的水泥水化产物发 生强烈的中性化反应 。 此过程使得混凝土孔隙液体中的 浓度迅速增加，因而对H C 0 ， 的离解有抑制作用，进而对由 C 0 引起的混凝土中性化进程有减弱的趋势，但是随着浸烘 次数的增加， 强电解质离解出的H 浓度增加， 增强了混凝土 的类碳化作用，在宏观上表现为混凝土的碳化深度大于单一 碳化的情况。 这与文献【 3 4 ， 8 】 的研究一致。 此外， 进入混凝土 孔隙液的S 0 4 2 - 与水泥石作用，生成膨胀性的C a S 0 4 2 H 0晶 体以及无胶结性的S i O ? n H 2 0和A 1 0 3 n H 0胶体等， 导致材 料发生由表及里的侵蚀破坏， 并伴随内部结构的损伤， 外观表 现为最初材料表面出现软化、 浆化现象( 见图2 ) ， 随后逐渐产 生许多微裂缝，为后期碳化过程中C 0 的侵入提供了通道。 因此，酸雨与碳化复合作用下，酸雨加速了混凝土中性化进 程。 但有研究认为I9 I 1 ， 由于酸雨侵蚀的参与， 混凝土中性化 问题减弱， 相对于单独碳化作用， 酸雨和碳化复合作用对混凝 土中性化起到一定的抑制效果。 本文以C 4 0 机制砂混凝土为例， 按照C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 混 凝土耐久性评定标准 的方法计算了混凝土内 钢筋开始锈蚀 的时间t ，依此进一步对比碳化、酸雨与碳化复合作用的影 响。混凝土2 8 d 抗压强度为5 3 4 5 M P a 。 碳化导致混凝土内 钢筋开始锈蚀的时间f 按公 式( 2 ) 计 算： 1 = ( ) ( 2 ) 式中： 混凝土保护层厚度， 取3 0 m m ； 碳化影响系数， 按式( 3 ) 计算， 其中参数取值见表 4： 碳化残量， 按式( 4 ) 计算； k = 3 K c o K 朐 ( 1 ( 5 8_ 0 7 6 )( 3 ) c 1 2 0 3 5 k ) D e ( 1 _5 + 0 _ 8 4 k ) m ( 4 ) +1 O l 1 1 1 O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m