脫硫石膏現(xiàn)澆墻體材料對(duì)鋼筋銹蝕性研究

慕 儒，鄧國(guó)志，田穩(wěn)苓

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

0 概述

隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，脫硫石膏作為一種新興材料被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域．我國(guó)是脫硫石膏的生產(chǎn)大國(guó)，每年約產(chǎn)出脫硫石膏8 750萬(wàn)t（1億零300萬(wàn)m3）．這些脫硫石膏的囤積不僅占用土地資源，其不合理處理還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞．鑒于此，我國(guó)在“十一五”規(guī)劃中將脫硫石膏的利用正式提上日程，由此開(kāi)啟了我國(guó)脫硫石膏綜合利用的新篇章．

脫硫石膏作為墻體材料也成為近年來(lái)脫硫石膏應(yīng)用方向的一個(gè)重點(diǎn)課題，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將為我國(guó)脫硫石膏的消耗提供一條新途徑．濟(jì)南大學(xué)黃偉，王曉波等人將脫硫石膏在165℃下炒制得到的脫硫石膏粉作為主要材料，通過(guò)摻加一定量的水泥、粉煤灰等所得的復(fù)合材料墻體，不但強(qiáng)度得到保證，而且在防水性能，防止裂縫產(chǎn)生方面都有很好的效果[1]．

脫硫石膏含水量高（10%～15%），水化后內(nèi)部孔隙率大，且偏酸性[2-4]，如用作現(xiàn)澆填充墻體材料，無(wú)可避免地直接或間接與鋼筋接觸，其酸性有可能導(dǎo)致鋼筋銹蝕．本文測(cè)試了脫硫石膏對(duì)鋼筋的銹蝕性，并通過(guò)一系列方法對(duì)脫硫石膏材料改性，防止對(duì)鋼筋的銹蝕．

1 脫硫石膏對(duì)鋼筋的銹蝕

鋼筋混凝土是當(dāng)前用量最大的建筑材料之一，水泥水化后的主要成分為水化硅酸鈣，呈堿性，對(duì)鋼筋不存在銹蝕作用，相反，鋼筋在堿性環(huán)境中表面形成鈍化膜，鈍化膜可有效防止銹蝕作用的發(fā)生[5]．而脫硫石膏內(nèi)部環(huán)境偏酸性，其中的鋼筋表面無(wú)法形成鈍化膜，可能發(fā)生銹蝕．

脫硫石膏對(duì)鋼筋的銹蝕作用，尚未見(jiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo)．本文通過(guò)失重法對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證．

1.1 鋼筋銹蝕試驗(yàn)方法

鋼筋銹蝕檢測(cè)的方法分為電化學(xué)檢測(cè)與物理檢測(cè)兩類(lèi)．電化學(xué)檢測(cè)方法有自然電位法、流阻抗普法、電流階躍法和線性極化法；物理方法有失重法、電阻棒法、射線法、沖擊回波法、超聲波檢測(cè)法等[6]．失重法是最常用的鋼筋銹蝕測(cè)定方法之一，也是本試驗(yàn)采用的方法，這種方法具有操作方便、信息量大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)．

試驗(yàn)材料：脫硫建筑石膏、熟石灰、直徑6mm的光圓鋼筋、鹽酸、飲用水．

試驗(yàn)設(shè)備：pH值測(cè)定儀、天平、攪拌器．

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋在純石膏構(gòu)件與水泥砂漿試件中鋼筋的銹蝕量如表1所示．從表1可以看出，石膏中鋼筋的銹蝕程度隨齡期的增長(zhǎng)有一個(gè)明顯的增長(zhǎng)，且銹蝕程度大于水泥砂漿，銹蝕180d時(shí)石膏中鋼筋的銹蝕量是水泥砂漿的4倍多．

表1 鋼筋在脫硫石膏與水泥砂漿銹蝕量Tab.1 Thecorrosion quantity of bar in desulfurization gypsum and cement mortar materials

2 脫硫石膏的鋼筋銹蝕改性

鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)危害巨大，逐漸降低結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的承載能力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞，而且結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)可能為脆性突然破壞，導(dǎo)致傷亡事故[7]．若使用脫硫石膏作為墻體材料，必須采取有效措施改變其對(duì)鋼筋的銹蝕性能．

2.1 脫硫石膏改性措施

脫硫石膏對(duì)鋼筋的銹蝕主要是因?yàn)槠涑煞轂閺?qiáng)酸弱堿鹽，pH值較低，使鋼筋易發(fā)生銹蝕．研究表明，當(dāng)pH值達(dá)到12.5～13.2時(shí)，鋼筋不易銹蝕，而低于11.5時(shí)，銹蝕則會(huì)發(fā)生[6]．實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，脫硫石膏溶液的pH值低于10．為此，擬通過(guò)添加一定比例的熟石灰（Ca(OH)2）調(diào)節(jié)脫硫石膏內(nèi)部酸堿環(huán)境．

2.2 熟石灰用量的確定

在脫硫石膏中添加熟石灰可以顯著提高pH值，熟石灰用量以控制pH值達(dá)到12.5、對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕性為準(zhǔn)．試驗(yàn)中，按照按照水∶灰（石膏+熟石灰）=10∶1的比例，將脫硫石膏和熟石灰配制成漿液，攪拌15min，使脫硫石膏和熟石灰溶解，之后用濾紙過(guò)濾后得到試驗(yàn)用的漿液，漿液靜置2 d后進(jìn)行pH值測(cè)定，pH值采用pH值測(cè)定儀進(jìn)行．調(diào)整石灰的摻入量，得到不同石灰添加量下的漿液pH值，共計(jì)20組，結(jié)果如圖1所示，并進(jìn)行pH值-熟石灰摻量關(guān)系二次曲線擬合（式 (1)、圖1）．之后根據(jù)擬合曲線確定石灰添加量．

式中：Y為pH值；X為灰膏比．

從圖1可以看出，漿液的pH值隨著石灰添加量的增大而增大，灰膏比2%～7%時(shí)pH值增速快，當(dāng)灰膏比大于7%時(shí)，增速有所減緩；當(dāng)灰膏比達(dá)到11.5%時(shí)，漿液的pH值已經(jīng)基本停止增長(zhǎng)，原因可能是此時(shí)熟石灰達(dá)到飽和．

圖1 石膏-石灰溶液pH值測(cè)定Fig.1 pH valuedetermination of gypsum-limesolution

2.3 銹蝕實(shí)驗(yàn)

根據(jù)確定的灰膏比（ /）進(jìn)行銹蝕實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中，選用直徑6 mm的光圓鋼筋，用砂紙打磨除掉鋼筋表面的雜質(zhì)，再放在濃度12%的鹽酸溶液中進(jìn)行酸洗，而后浸泡在石灰水中中和，之后在烘箱中烘烤4h后取出，預(yù)埋在100 mm×100 mm×400 mm的立方體試塊中，預(yù)埋前記錄鋼筋質(zhì)量，預(yù)埋位置如圖2所示．

試塊經(jīng)指定天數(shù)（30 d，60 d，90 d，180 d）的自然養(yǎng)護(hù)后破型，取出鋼筋進(jìn)行打磨、酸洗、中和、烘烤處理后稱(chēng)取質(zhì)量，前后質(zhì)量的差值即為鋼筋銹蝕量．每個(gè)試件中3根鋼筋銹蝕量的平均值為該構(gòu)建對(duì)鋼筋的銹蝕量（舍去誤差超過(guò)平均值10%的數(shù)據(jù)）．試件灰膏比為4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%，以純脫硫石膏（ /=0）試件與水泥砂漿（POM）試件作為對(duì)比試件，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．

從圖3可以看出：1）鋼筋的銹蝕量隨灰膏比的增大而減小；2）鋼筋銹量蝕隨時(shí)間推移而增大；3）灰膏比達(dá)到9.7%與11.5%的試件和水泥砂漿試件中鋼筋的銹蝕量接近．另外，灰膏比為11.5%試件對(duì)鋼筋的銹蝕程度甚至還小于水泥砂漿試件．從pH值的角度分析，添加石灰至pH值達(dá)到12.5～13的范圍時(shí)可有效防止鋼筋銹蝕的發(fā)生，這也印證了之前的結(jié)論．

圖2 試件鋼筋位置示意圖Fig.2 Sketch map of bar

3 石灰對(duì)石膏其它性能的影響

3.1 力學(xué)試驗(yàn)

分別對(duì)石灰/石膏（ /）為4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%配比的試件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并與純石膏的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比．試驗(yàn)方法參照《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》GB/T 17669.3-1999，試件水固比為55%，溫度20±2℃，自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示．

石膏抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化，當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí)無(wú)論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，較純石膏分別提高了20%～30%；而隨著石灰添加量的增大，抗壓抗折強(qiáng)度大幅下降，當(dāng)達(dá)到9.7%時(shí)，強(qiáng)度基本與純石膏強(qiáng)度相當(dāng)；達(dá)到11.5%時(shí)，強(qiáng)度普遍低于純石膏試件．

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，石膏的強(qiáng)度隨之增大，一般情況下28 d強(qiáng)度較7 d強(qiáng)度提高30%～60%．當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí)，與7 d時(shí)的強(qiáng)度相比，28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度提高38.5%，抗折強(qiáng)度提高50.7%．

抗折試驗(yàn)中還觀察到，當(dāng)設(shè)定加載速度為5 N/s時(shí)，試塊破壞后斷面平滑，當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)突然斷裂，屬于脆性破壞，如圖5．抗壓試驗(yàn)中，當(dāng)加載速度為7N/s時(shí)，試塊受壓區(qū)邊緣表面的石膏先行脫落，裂縫向內(nèi)側(cè)發(fā)展，后來(lái)逐漸發(fā)展直至形成通縫，試塊完全破壞，裂縫發(fā)展情況如圖6．

脫硫石膏抗折試驗(yàn)時(shí)所表現(xiàn)出的脆性破壞，是因?yàn)槊摿蚴嘧陨泶嘈耘c強(qiáng)度低造成的；抗壓試驗(yàn)時(shí)，試件受上下方壓力作用，側(cè)面自由，受壓處材料向下移動(dòng)，受壓面處材料產(chǎn)生側(cè)向膨脹，材料內(nèi)部的不均勻位移導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生，而裂縫的發(fā)展方向是偏向受壓區(qū)內(nèi)側(cè)的，隨壓力增大，裂縫繼續(xù)發(fā)展直到試件破壞．

3.2 原理分析

脫硫石膏水化后的晶格呈短柱狀或針狀，這類(lèi)晶格不利于抵抗外力，且晶格間存在大量孔隙，進(jìn)而導(dǎo)致脫硫石膏力學(xué)性能不理想．在石膏中加入適量的熟石灰，熟石灰容易與空氣中二氧化碳反應(yīng)生成難容物碳酸鈣，碳酸鈣析出后填補(bǔ)了脫硫石膏中的孔隙，包絡(luò)住脫硫石膏柱狀晶格，使晶格直徑增大，從而導(dǎo)致脫硫石膏強(qiáng)度增大；而當(dāng)過(guò)多石灰晶體析出時(shí)，石膏內(nèi)部的鏈接形式由石膏晶格連接為主轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}晶體連接為主，而析出物碳酸鈣粘結(jié)能力較弱，這便導(dǎo)致了脫硫石膏試件強(qiáng)度的下降．

表2 脫硫石膏試件抗壓、抗折強(qiáng)度Tab.2 Compressive and flexural strength of desulfurization gypsum specimen

圖3 石灰-石膏試件中鋼筋銹蝕量Fig.3 Lime-gypsum specimen of reinforcement corrosion

圖4 脫硫石膏試件抗壓、抗折強(qiáng)度Fig.4 Compressiveand flexural strength of desulfurization gypsum specimen

4 銹蝕機(jī)理的探討

與混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理相似，脫硫石膏中鋼筋的銹蝕也屬于電化學(xué)腐蝕，徐慧珠等指出當(dāng)pH值在4～11.5范圍內(nèi)發(fā)生吸氧腐蝕，大于11.5發(fā)生析氫腐蝕，鋼筋發(fā)生銹蝕應(yīng)當(dāng)具備3個(gè)條件：1）鋼筋表面存在電位差；2）鋼筋表面鈍化膜破壞；3）鋼筋表面存在銹蝕所需的水和溶解氧[5]．

脫硫石膏的pH值約為6.8，鋼筋在石膏中不會(huì)生成鈍化膜；脫硫石膏粒徑分布集中在40～110 m之間，顆粒呈短柱狀[8]，水化后內(nèi)部存在較多孔隙，利于水分和空氣存留，也為鋼筋的銹蝕提供了條件．

石灰主要成分為Ca(OH)2，呈強(qiáng)堿性，加入石膏中主要是改變了石膏內(nèi)部的酸堿環(huán)境，為鋼筋提供了較好的堿性環(huán)境，使之生成鈍化膜，進(jìn)而防止了銹蝕的發(fā)生．另一方面，石灰粉粒徑較細(xì)，一般在10 m以?xún)?nèi)[9]，在石膏水化過(guò)程中石灰充分填充石膏中的孔隙，使之更加密實(shí)，有效減少了導(dǎo)致鋼筋銹蝕的水分和氧氣．因此，添加一定量的石灰有助于防止脫硫石膏內(nèi)鋼筋的銹蝕．

5 結(jié)論

1）脫硫石膏作為現(xiàn)澆墻體對(duì)鋼筋存在銹蝕作用，銹蝕程度為重度銹蝕．

2）在脫硫石膏中添加熟石灰，可有效減小鋼筋銹蝕程度，灰膏比達(dá)到9.7%與11.5%時(shí)，對(duì)鋼筋銹蝕程度與水泥砂漿銹蝕程度相當(dāng)，可認(rèn)為不銹蝕．

3）適量的熟石灰可增加脫硫建筑石膏強(qiáng)度，當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí)，石膏-石灰混合材料強(qiáng)度達(dá)到最大值，比純脫硫石膏強(qiáng)度提高20%～30%．

4）脫硫石膏做現(xiàn)澆墻體仍存在一些問(wèn)題，如：強(qiáng)度低，防水性差，這些問(wèn)題還需進(jìn)一步深入研究．

圖5 抗折試驗(yàn)破壞示意圖Fig.5 Bending test schematic diagram

圖6 抗壓試驗(yàn)破壞示意圖Fig.6 Compression test schematic diagram

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