《Journal of Building Engineering》：Performance of concrete incorporating high-volume shield soil dreg and fly ash under sulfate wet-dry cycles
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盾构土渣混凝土与粉煤灰混凝土硫酸盐湿干循环抗腐蚀性研究：通过微观分析发现SSD中黏土矿物阻碍水泥水化且易风化，高体积FA未能显著提升抗腐蚀性。
曹鸿文|王东星|张健|周宝春|史宇豪
中国南方大学土木工程学院，衡阳421001
摘要
在混凝土中增加盾构土渣（SSD）和粉煤灰（FA）的使用可以有效减少碳排放，然而，大量使用SSD和FA对混凝土抵抗硫酸盐湿干循环（SWDC）性能的影响仍不清楚。本研究通过评估不同深度下的视觉劣化、质量变化、超声波脉冲速度、抗压强度和硫酸盐含量，来评价高体积SSD混凝土和高体积FA混凝土在相同初始强度下的SWDC抵抗能力。进一步采用扫描电子显微镜（SEM）、汞侵入孔隙度测定（MIP）和X射线衍射（XRD）来阐明高体积SSD和高体积FA如何影响劣化机制。结果表明，SSD中的粘土矿物阻碍了水泥的水化作用，其砂粒大小颗粒在SWDC下容易分解，导致高体积SSD混凝土的抗性较差。此外，将FA含量增加到较高水平并不能显著提高其SWDC抵抗能力。这些发现为提高固体废物在混凝土中的利用率及其长期工程应用提供了指导。
引言
近年来，中国盾构隧道施工产生的SSD年产量已超过1.19亿吨，并且仍在持续增加，而SSD的利用率仍低于1% [1]，[2]。同时，全球河砂（RS）资源日益枯竭，部分地区已经出现短缺 [3]。将SSD作为细骨料用于混凝土生产不仅可以缓解RS短缺问题，还能有效利用SSD资源，带来显著的社会、经济和环境效益。
幸运的是，先前的研究表明，去除小于75微米的颗粒后，SSD作为细骨料的力学性能与RS相当 [4]，[5]。然而，由于SSD含有大量粘土矿物，混凝土混合物中的自由水被粘土矿物吸收并转化为结晶水。同时，粘土矿物的持续离子交换作用导致颗粒内部的阳离子浓度相对较高，使更多的自由水渗透到层间区域，进一步加剧了水的吸收，使得使用SSD制备的混凝土完全失去工作性 [6]，[7]。如果采用额外添加混合水的方法，混凝土的力学性能会显著降低 [8]。或者，当使用额外的聚羧酸超塑剂时，必须大幅增加其用量，因为其侧链容易与粘土矿物（尤其是蒙脱石的层间结构）发生化学插层作用，从而增加混凝土的生产成本 [9]。目前，已经尝试了多种方法来减轻挖掘土壤的高吸水性，包括：（1）预固化处理 [10]，即使用矿渣和石灰对挖掘土壤进行预固化；但这种方法需要较长的处理时间；（2）水洗处理 [8]，去除小于75微米的颗粒；然而，这种方法耗水量大，并会产生需要二次处理的污泥和废水；（3）高温处理 [11]，通过800–1000°C的烧结改性粘土矿物以减少吸水性，但能耗较高。因此，迫切需要开发更环保、更高效的方法来改善SSD混凝土的工作性。
与混凝土生产相关的原材料中，水泥生产带来的生态影响最为显著 [4]，这促使人们广泛使用矿物外加剂。粉煤灰（FA）是最常用的矿物外加剂，它不仅具有火山灰效应和微骨料效应，还因其形态润滑作用而降低混凝土的需水量 [12]，[13]，[14]。结合使用SSD和FA可以改善SSD混凝土的工作性，并进一步减少其生态影响。因此，我们之前的研究采用响应面方法，用SSD替代RS、用FA替代水泥制备混凝土，虽然性能与普通混凝土相当，但SSD-FA混凝土的生态影响降低了11% [15]。
用于边坡防护工程的混凝土对坍落度和强度的要求相对较低，使其非常适合作为实际应用中的SSD混凝土。然而，中国东部沿海地区含有大量盐碱土壤，西部地区分布着广阔的盐湖 [16]，[17]。边坡防护结构长期暴露在降雨、盐碱土壤和波动的水分环境中，容易发生反复的湿干循环和硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀通过物理和化学机制进行。物理侵蚀是指在过饱和条件下硫酸盐的结晶以及芒硝和石膏石之间的相变，这在孔隙内产生结晶压力并造成损坏 [18]，[19]。化学侵蚀涉及硫酸盐与氢氧化钙（CH）、一硫酸盐（AFm）和三钙铝酸盐（C3A）之间的反应，生成膨胀产物（如石膏和钙矾石AFt），见公式（1）、（2）、（3） [20]，[21]，[22]，[23]。石膏通常被认为是反应过程中的中间产物，其大量形成需要高浓度的硫酸盐或较低的pH值 [23]，[24]，[25]，[26]。此外，石膏形成引起的体积增加小于CH的溶解体积，其膨胀机制中的作用仍有争议 [27]。当CH几乎耗尽时，基质中的C-S-H开始脱钙，导致凝聚力和强度大幅下降，见公式（4） [28]，[29]。物理和化学侵蚀的共同作用导致混凝土膨胀、开裂和软化。此外，湿干循环使混凝土内部环境持续处于不饱和状态，加速了硫酸盐向混凝土中的迁移 [30]，[31]。
不幸的是，我们之前的研究 [4] 显示，根据GB/T 14684–2022标准测试时，含有砂粒大小颗粒的SSD具有较差的安定性 [32]，目前还没有研究探讨使用SSD作为细骨料制备的混凝土对SWDC侵蚀的抵抗能力。现有研究表明，适量的FA可以通过火山灰反应降低孔隙率从而增强对SWDC的抵抗能力 [33]，[34]。然而，在高体积FA条件下，较低的水泥含量会导致混凝土在SWDC开始时的初始强度降低，从而削弱其对SWDC侵蚀的抵抗能力 [33]，[35]。在保持初始抗压强度不变的情况下，增加FA含量是否能提高混凝土对SWDC的抵抗能力仍是一个未解决的问题。
为了解决这些问题，本研究根据我们之前的研究 [15] 中获得的响应面方程设计了具有相同初始抗压强度的混凝土混合物，同时最大化了SSD和FA的掺入量。通过视觉观察、质量变化、超声波脉冲速度、抗压强度和不同深度的硫酸盐含量来评估高体积SSD混凝土和高体积FA混凝土对SWDC的抵抗能力。进一步使用SEM、MIP和XRD分析微观结构、孔径分布和相组成，从而了解高体积SSD和高体积FA如何影响混凝土对SWDC的抵抗能力。这些发现为高固体废物含量混凝土的长期工程应用提供了参考。
材料
本研究中使用的混凝土由水泥、FA、RS、SSD和砾石组成，如图1(a)所示。SSD来自珠江三角洲水资源分配项目的盾构隧道段，在测试前在105°C下烘干超过8小时至恒重，然后破碎至2毫米以下。RS为本地采购的中砂，细度模数为2.6，符合II区级配。测量了SSD和RS的基本物理和力学性能。
SSD的安定性
在安定性测试过程中，需要通过清洗去除小于0.30毫米的颗粒。我们之前的研究通过立体显微镜观察和BET测试分析了SSD的安定性明显低于RS的原因 [4]。由于SSD和RS在不同颗粒组之间的差异总体上一致，图6仅展示了1.18–2毫米颗粒大小的SSD和RS的立体显微镜外观。SSD颗粒呈现整体红棕色。
讨论
混凝土的硫酸盐抵抗性研究通常在完全浸没、部分浸没和湿干循环条件下进行。在完全浸没条件下，混凝土始终与硫酸盐溶液接触，基质内部不存在过饱和和芒硝结晶的条件；因此，硫酸盐侵蚀仅通过化学作用进行。
结论
本研究探讨了高体积SSD混凝土和高体积FA混凝土对SWDC的抵抗能力，并阐明了其背后的机制。主要结论如下：
(1)混凝土在SWDC下的劣化过程可分为四个阶段：（ⅰ）快速生长阶段：腐蚀产物迅速形成并填充孔隙；（ⅱ）潜伏阶段：微裂纹不断扩展并反复填充，表现出“不稳定-稳定-不稳定”的动态过程；（ⅲ）诱导阶段：微裂纹
CRediT作者贡献声明
周宝春：撰写 – 审稿与编辑。史宇豪：撰写 – 审稿与编辑、研究。王东星：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。张健：撰写 – 审稿与编辑。曹鸿文：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论设计、研究、数据分析
利益冲突声明
作者声明与本研究无利益冲突。
数据可用性
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亲爱的编辑，作者声明与本研究无利益冲突。
作者声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系，对任何产品、服务及/或公司没有可能影响本文立场或评审结果的专业或其他个人利益。
致谢
本研究得到了
湖南省自然科学基金青年科学基金（A类）（编号：2025JJ20049、
湖北省杰出青年学者自然科学基金（编号：2024AFA051以及
国家自然科学基金（编号：52578428的支持。
