綠色韌性水泥基材料腐蝕及自愈合性能研究

王懷成，鮑文博，李林鳳，王東旭

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但環(huán)境中的SO42-會(huì)使得水泥基復(fù)合材料受到腐蝕，降低其使用壽命，增加維護(hù)成本，更甚者，會(huì)因其產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象導(dǎo)致以水泥基復(fù)合材料為主體的結(jié)構(gòu)破壞，造成工程事故，產(chǎn)生不必要的傷亡。我國(guó)部分地區(qū)的鹽漬土中含有大量SO42-，某些工業(yè)相關(guān)的建筑也需要具有一定的抗硫酸鹽腐蝕性。為保證工程質(zhì)量，在這些地區(qū)及建筑中，水泥基復(fù)合材料的抗硫酸鹽腐蝕性能尤為重要，因此對(duì)硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象的研究，得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。綠色韌性水泥基材料（GTCC）是從高性能、節(jié)約資源、綠色環(huán)保的角度出發(fā)，利用了工業(yè)廢料尾礦砂，并用大比例的粉煤灰替代水泥。為了探究這種新型材料的抗硫酸鹽腐蝕性能，在已對(duì)GTCC力學(xué)性能和耐久性能研究的基礎(chǔ)上[5-6]，研究水膠比及PVA纖維體積摻量在干濕循環(huán)條件下對(duì)材料抗硫酸鹽腐蝕性能的影響，以及PVA纖維體積摻量對(duì)材料在硫酸鹽環(huán)境中自愈合性能的影響，為GTCC在工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：遼寧山水工源水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥；粉煤灰：沈陽(yáng)熱電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料：沈陽(yáng)市于洪區(qū)天順砂廠的普通河砂，遼陽(yáng)市雞冠山礦山的尾礦砂，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為1.3左右；PVA纖維：東泰安同伴纖維有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度12 mm；減水劑：大連西卡公司生產(chǎn)，減水率最大可達(dá)40%，可使拌合后的混凝土有較好的粘聚性和較高的流動(dòng)性；增稠劑：濮陽(yáng)市三普化工有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素，可以有效地解決PVA纖維在水泥基復(fù)合材料拌和過(guò)程中成團(tuán)、結(jié)塊的現(xiàn)象，提高PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中的分散性。

1.2 試樣制備

試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，共采用9種配合比（見(jiàn)表1），其中PVA纖維體積摻量分別為0、1.5%和2.0%，水膠比采用0.40、0.45及0.50，減水劑和增稠劑摻量按占膠凝材料總質(zhì)量計(jì)，尾礦砂與天然砂按1∶1的質(zhì)量比混合。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，至少保證每組在每個(gè)試驗(yàn)階段有3個(gè)有效試件。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 抗硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)

GTCC的抗硫酸鹽腐蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（1）試件制備完成后放到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，26 d時(shí)從養(yǎng)護(hù)室取出，擦干試件表面水分，放入80℃烘干箱內(nèi)烘48 h。烘干處理結(jié)束后，取出并放置一段時(shí)間，待試件冷卻完畢，立即放到濃度為4%的Na2SO4溶液中，并保證溶液表面至少高于試件表面20 mm；試件浸泡時(shí)長(zhǎng)15 h，取出、放置干燥環(huán)境中1 h，然后放入烤箱迅速升溫至80℃，維持6 h，然后冷卻2 h。如此為1個(gè)循環(huán)，1個(gè)循環(huán)周期時(shí)長(zhǎng)為1 d。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在鹽溶液浸泡過(guò)程中對(duì)容器做包裹保鮮膜、并蓋上蓋子的密封處理，每隔一段時(shí)間替換1次新配置的溶液，以使溶液濃度不變。

（2）在上述試驗(yàn)組的循環(huán)周期達(dá)到 7、15、30、60 d時(shí)，用壓力機(jī)測(cè)試試樣的抗壓強(qiáng)度，按式（1）計(jì)算GTCC試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf：

式中：fcn——n次腐蝕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的GTCC試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；

fc0——28 d齡期時(shí)GTCC試件的抗壓強(qiáng)度，MPa。

1.4 濕循環(huán)下自愈合性能試驗(yàn)

濕循環(huán)下自愈合性能試驗(yàn)的試件采用表1中4#、5#、6#試件。

（1）試件制備完成后放到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，晾干，測(cè)試每組的抗壓強(qiáng)度，再根據(jù)抗壓強(qiáng)度，對(duì)其余試驗(yàn)所需試件進(jìn)行預(yù)制裂縫處理（即對(duì)其余試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，加載到力值達(dá)到抗壓強(qiáng)度的85%，持荷5 min，然后卸載，試件完整保持，并有肉眼可見(jiàn)的微小裂縫生成）。將上述經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理的試件放置到濃度為4%的Na2SO4溶液中，同樣對(duì)容器做包裹保鮮膜、并蓋上蓋子的密封處理，并且每隔一段時(shí)間替換一次新配置的溶液。

（2）待上述試件的養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到30、60、90 d時(shí)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，并按式（2）計(jì)算強(qiáng)度恢復(fù)率Ks：

式中：fsn——預(yù)制裂縫處理的試件在硫酸鈉溶液中腐蝕30、60、90 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度，MPa；

fn——標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)30、60、90 d時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組試件在不同干濕循環(huán)周期下的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各組試件在不同干濕循環(huán)周期下的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

2.1 PVA纖維摻量對(duì)GTCC抗硫酸鹽腐蝕的影響

由表2可以看出，對(duì)于水膠比為0.45和0.50的4#～9#試件，隨PVA纖維摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨之增大，并且其對(duì)提高材料的抗腐蝕性能的效果隨著腐蝕循環(huán)次數(shù)的增加而越加顯著。因此，摻加適宜的PVA纖維可以使材料的抗硫酸鹽腐蝕性能得到一定的改善。PVA纖維的使用可以改善該材料抗硫酸鹽腐蝕性能的主要原因是：纖維均勻并且方向隨機(jī)的分布在材料中，在材料內(nèi)部形成支撐體系，使的擴(kuò)散分布更有組織化。

而對(duì)于水膠比為0.40的1#～3#試件，隨PVA纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)先增大后減小，但摻PVA纖維的試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)依然高于未摻PVA纖維的試件。這更進(jìn)一步說(shuō)明了PVA纖維的使用可對(duì)材料的抗硫酸鹽腐蝕性能有所改善，但材料的抗硫酸鹽腐蝕性能并非與PVA纖維摻量一直成正比關(guān)系。所以，PVA纖維摻量應(yīng)在考慮到其它因素的影響后控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 水膠比對(duì)GTCC抗硫酸鹽腐蝕的影響

由表2可知，PVA摻量相同時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨水膠比的增大而減小，7#試件在腐蝕循環(huán)后期，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)甚至發(fā)生了急劇下降現(xiàn)象?？梢?jiàn)，隨著水膠比的增大，GTCC的抗硫酸鹽腐蝕性能逐漸減弱，這與已有混凝土硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象的規(guī)律相同[7-8]。水膠比能夠影響材料的抗硫酸鹽腐蝕性能的原因主要是：水膠比決定無(wú)規(guī)則的毛細(xì)孔系統(tǒng)、有害孔的孔隙率，改變了材料的孔結(jié)構(gòu)特征，水膠比增大，GTCC的密實(shí)性降低、抗擴(kuò)散性能降低，使離子更容易侵入水泥基復(fù)合材料內(nèi)部。

2.3 PVA纖維摻量對(duì)GTCC自愈合性能的影響

在硫酸鹽腐蝕濕循環(huán)下，GTCC的抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度恢復(fù)率見(jiàn)圖1。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，在60 d循環(huán)周期前，試件的強(qiáng)度恢復(fù)率均大于1，且強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高，說(shuō)明試件在濕循環(huán)周期60 d之前，經(jīng)過(guò)預(yù)制裂縫處理的試件在硫酸鹽環(huán)境中養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度可恢復(fù)甚至超過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的未損傷試件，且前期的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度相較后期快，說(shuō)明PVA纖維可以提高強(qiáng)度恢復(fù)率。但PVA纖維摻量為1.5%時(shí)的強(qiáng)度恢復(fù)率比PVA纖維摻量為2.0%時(shí)的高，說(shuō)明材料在硫酸鹽濕循環(huán)環(huán)境下的強(qiáng)度恢復(fù)率并不是一定隨PVA纖維摻量的增加而增長(zhǎng)，PVA纖維摻量應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。

圖1 硫酸鹽環(huán)境下GTCC的抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度恢復(fù)率

當(dāng)循環(huán)周期到達(dá)90 d時(shí)，所有組別的試件強(qiáng)度均有所降低，說(shuō)明試件開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕破壞現(xiàn)象，摻加PVA纖維的試件的強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)均大于1，而未摻纖維的試件在90 d時(shí)強(qiáng)度恢復(fù)系數(shù)下降到1以下，也說(shuō)明了PVA纖維可以提高材料的抗硫酸鹽腐蝕性能，并可提高強(qiáng)度恢復(fù)率。

PVA纖維可以提高材料的抗硫酸鹽腐蝕性能是因?yàn)椋A(yù)制裂縫試件的微小裂縫中，未斷裂纖維具有一定的防止裂縫擴(kuò)散的約束力和拉伸力，濕循環(huán)環(huán)境下未水化成分繼續(xù)水化、水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2與硫酸鹽反應(yīng)生成部分石膏CaSO4·2H2O填充材料裂縫，并與PVA纖維的約束力和拉伸力共同作用，使之密實(shí)、強(qiáng)度增高，從而提高了材料的自愈合性能。但隨著濕循環(huán)周期增長(zhǎng)，產(chǎn)物增多并堆積，使材料發(fā)生膨脹破壞，這就使得材料在硫酸鹽濕循環(huán)后期強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

（1）在干濕循環(huán)環(huán)境下，適宜摻量的PVA纖維可以顯著改善GTCC的抗硫酸鹽腐蝕性能，但增加纖維摻量與材料的抗硫酸鹽腐蝕性能的提高不一定成正比，需要合理控制PVA纖維的摻量。

（2）水膠比的增大會(huì)使GTCC在干濕循環(huán)環(huán)境中的抗硫酸鹽腐蝕性能降低，水膠比越大材料的抗硫酸鹽腐蝕系數(shù)越小，即材料的抗硫酸鹽腐蝕性能越低。

（3）在硫酸鹽溶液濕循環(huán)環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)前期硫酸鹽可以提高損傷試件的強(qiáng)度，隨著循環(huán)周期的延長(zhǎng)，試件仍會(huì)出現(xiàn)腐蝕破壞從而使材料強(qiáng)度降低。PVA纖維的合理使用可以顯著提高GTCC在硫酸鹽溶液濕循環(huán)環(huán)境下的自愈合性能。