黄铁矿诱发混凝土劣化的机制：一项关于骨料粒径、硫化物含量和矿物来源的受控电化学研究

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Mechanisms of pyrrhotite-induced concrete deterioration: A controlled electrochemical study of aggregate size, sulfide content, and mineral source

铁硫化物混凝土耐久性受骨料粒径、硫化物含量及矿物来源协同影响，电化学加速测试揭示粗骨料早期开裂、高硫化物加速劣化及加拿大骨料劣化更显著。

　　

梅沙赫·奥霍（Meshach Ojo）|奥伊什·保琳·科雷亚（Auishe Pauline Corraya）|阿格雅·达哈尔（Aagya Dahal）|莱斯利·弗雷姆（Lesley Frame）|凯·威勒（Kay Wille）

美国康涅狄格大学土木与环境工程学院

摘要

含硫化铁的骨料会因氧化引起的膨胀和内部硫酸盐侵蚀而导致混凝土逐渐劣化。然而，骨料粒径、硫化物含量和矿物来源的单独影响仍不清楚，因为这些参数在实际情况中会相互作用。在之前对电化学加速测试方法进行验证的基础上，本研究通过控制实验程序，在统一测试条件下研究了它们的影响。制备了具有不同粒径分布、不同硫化物含量的混凝土试样，以及来自不同地质来源的含硫化铁骨料。通过共振频率测量、裂缝长度分析和微观结构表征来监测劣化过程。结果表明，粗粒骨料早期出现开裂和动态模量损失，而细粒骨料损伤较小。较高的硫化物含量会加速劣化过程，且来自加拿大的骨料劣化速度比来自康涅狄格州的骨料更快。这些发现为骨料粒径、硫化物可利用性和矿物来源对劣化的影响提供了新的见解，有助于更好地理解受影响结构中的劣化模式。

引言

在康涅狄格州东北部、马萨诸塞州和加拿大魁北克省的特鲁瓦里维耶尔（Trois-Rivières），混凝土骨料中存在硫化铁矿物被认为是地基劣化的主要原因[1]、[2]、[3]。其中，黄铁矿（pyrrhotite）的活性最强，会导致氧化、内部膨胀和开裂。典型的损伤迹象包括由硫化铁氧化引起的红棕色污渍、裂缝形成，在严重情况下，还会导致结构完整性丧失和混凝土基础崩塌。现场观察显示，不同地区的劣化速率差异显著。在特鲁瓦里维耶尔，劣化现象在2到4年内就会出现[4]、[5]，而在康涅狄格州东北部，劣化过程通常会持续15到30年[1]、[6]。尽管这些差异的原因尚未完全明了，但据报道，这些地区的骨料在矿物组成上存在差异[7]。 已知有多种因素会影响硫化铁引起的劣化，这些因素通常是相互作用的，而不是单独起作用的。其中一个因素是骨料中的总硫（ST）含量。较高的总硫含量与更广泛的氧化和更多膨胀性副矿物的形成有关，这通常与混凝土早期开裂相关[8]、[9]。这种关系表明混凝土中可参与氧化反应的活性硫化物更多。骨料的矿物组成也会影响劣化行为[10]，例如，特鲁瓦里维耶尔的骨料来自闪长岩（diorite），其中含有黄铁矿和磁黄铁矿（pyrite），而康涅狄格州的骨料主要来自片麻岩（gneiss）和云母岩（schist），其中主要含有黄铁矿[7]、[10]，多种硫化物矿物的存在与否可能会影响氧化路径。除了这些组成特征外，骨料的物理属性（如粒径分布）也可能导致损伤。在之前的研究中，不同粒径的粗骨料表现出不同的劣化程度，尽管该研究并未将骨料粒径作为主要研究对象[6]。总体而言，这些观察结果表明劣化受多种相互作用参数的控制，而不仅仅是单一因素。这些观察结果还描述了可能影响受影响结构劣化的各种材料特性，以及暴露条件对现场性能的影响[11]、[12]。然而，由于这些特性是在不同研究和不同条件下进行的，它们各自的贡献及其对现场劣化的综合影响仍不明确。明确这些参数的各自作用对于改进耐久性评估、解释现场性能以及指导受影响地区骨料的选择和评估至关重要。 电化学加速测试（EAT）提供了一种在受控和可重复条件下研究这些材料参数的方法。该方法可以加速硫化铁的氧化过程，使劣化现象在几周内而非几年内就能观察到[6]、[13]、[14]。早期的研究表明，EAT能够再现现场观察到的劣化模式[6]、[15]。这些能力使得EAT非常适合用于评估骨料特性在标准化条件下的影响。尽管这种方法的应用日益广泛，但之前的研究并未在单一标准化框架内分离出控制硫化铁劣化的相互作用材料变量。 本研究通过系统地改变三个关键因素来明确它们的各自贡献：不同粒径骨料中活性矿物的分布、通过控制替换骨料部分来调整的总硫含量，以及骨料的矿物来源。通过将EAT与非破坏性评估、视觉损伤定量和微观结构分析相结合，本研究详细评估了这些因素的变化如何影响劣化行为，并提出了一些新的见解。首先，它对EAT条件下的骨料粒径分布进行了结构化的参数研究，明确了粗粒和细粒骨料对损伤的影响。其次，它通过使用非活性骨料进行部分替换，来区分总硫含量和骨料粒径的影响，特别是在骨料粒径保持不变的情况下。第三，它在相同的电化学条件下直接比较了来自加拿大和康涅狄格州的含硫化铁骨料，并用微观结构证据支持了这些观察结果。这些贡献将EAT方法扩展到了程序验证之外，提出了一个将骨料特性与劣化严重程度和进展联系起来的机制框架。

材料

本研究中使用的混凝土试样采用符合ASTM C 150标准的普通波特兰水泥（OPC）I/II型制造[16]。其化学成分详见表1。 使用了两种细骨料：河沙（RS）和来自加拿大魁北克省特鲁瓦里维耶尔的含硫化铁骨料（CA1）。粗骨料包括本地来源的非硫化铁（NP）骨料和CA1，以及两种本地来源的含硫化铁骨料CT1和...

结果与讨论

结果按参数组组织，以与实验程序的结构相对应。第1组（G1）关注单一含硫化铁来源（CA1）的骨料粒径分布的影响。第2组（G2）评估总硫含量的影响，包括用非活性骨料进行部分替换。最后，第3组（G3）在相同骨料粒径分布下研究骨料来源的作用。所有组都进行了视觉损伤和裂缝发展的观察...

结论与未来工作

基于之前建立的加速含硫化铁混凝土劣化的技术，本研究探讨了硫化铁矿物的分布、含量和矿物来源在一致电化学条件下的影响。通过整合非破坏性评估、视觉损伤定量和微观结构分析，结果为这些材料参数如何影响劣化提供了新的见解...

CRediT作者贡献声明

梅沙赫·奥霍（Meshach Ojo）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。 奥伊什·保琳·科雷亚（Auishe Pauline Corraya）：可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。 阿格雅·达哈尔（Aagya Dahal）：撰写——审阅与编辑、研究、数据分析。 莱斯利·弗雷姆（Lesley Frame）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、数据分析、概念化。 凯·威勒（Kay Wille）：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由美国商务部（US Department of Commerce）下属的国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）资助，项目编号为：70NANB21H113、70NANB23H009和60NANB23D187。扫描电子显微镜（SEM）实验在先进显微镜与材料分析中心（CAMMA）进行，X射线衍射（XRD）实验在康涅狄格大学（UConn）的X射线实验室完成。作者感谢Ryan Soucy、Dominic Parciasepe、Geovanni Muriel、Nicholas Candow、Luke Pellerin和Darcel Courtney提供的帮助。