低溫和干濕循環(huán)雙重環(huán)境下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究

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(1. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070； 2. 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，蘭州 730000)

1 研究背景

“西部大開發(fā)”政策的實(shí)施和“一帶一路”國家戰(zhàn)略的確立與推進(jìn)，極大地促進(jìn)了我國西部地區(qū)的繁榮與發(fā)展，在此背景下，也使得我國西部地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到快速的發(fā)展。近些年，我國西部地區(qū)興建了大量的公路、橋梁和隧道等工程，這些工程項(xiàng)目的建成投產(chǎn)使當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钌a(chǎn)變得非常便利，經(jīng)濟(jì)得到蓬勃的發(fā)展。但是不少工程建成不久混凝土便受到不同程度的腐蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全，需要維修加固或直接報(bào)廢重建，使得國家財(cái)產(chǎn)遭受巨大的損失，所以混凝土的耐久性越來越受到工程技術(shù)人員和科研人員的普遍重視。

硫酸鹽侵蝕作為一種危害性最大、影響因素最復(fù)雜的環(huán)境水侵蝕，是混凝土耐久性研究的最主要內(nèi)容之一[1-3]。在我國西北地區(qū)，如甘肅和青海等地，分布著大量的鹽湖和鹽漬土，土壤和地下水中富含硫酸根離子[4]，處于這些地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁和隧道工程等，混凝土均面臨著被硫酸鹽侵蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)[5]。雖然從20世紀(jì)50年代開始我國就已經(jīng)開展了對(duì)硫酸鹽侵蝕的研究，但是大多是以單一環(huán)境為背景，如對(duì)低溫長期浸泡[6-8]和干濕循環(huán)[8-11]環(huán)境下的侵蝕機(jī)理和規(guī)律均已進(jìn)行相關(guān)研究。但是我國西北地區(qū)年平均氣溫較低，氣候干燥，晝夜溫差大，硫酸鹽侵蝕多是在低溫和干濕循環(huán)雙重環(huán)境下發(fā)生的，因此本文針對(duì)西北地區(qū)的實(shí)際環(huán)境情況，對(duì)低溫(10 ℃)和干濕循環(huán)雙重環(huán)境作用下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行研究，以期為該地區(qū)的工程建設(shè)提供理論依據(jù)和參考。

表3 砂漿配合比Table 3 Mixture proportions of mortar

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥采用甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)和市售中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥(P·MSR)；砂采用甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)總公司提供的河砂，過5 mm篩，表觀密度2 650 kg/m3，堆積密度1 640 kg/m3，緊密密度1 770 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.7，屬于中砂，含泥量2.9%；礦物摻合料采用S75級(jí)礦粉和硅灰，其性能指標(biāo)分別見表1、表2；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的聚羧酸系高性能減水劑。

表1S75級(jí)礦粉性能指標(biāo)
Table1PerformanceindexesofS75slag

比表面積/(m2·kg-1)含水量/%氯離子含量/%堿含量/%三氧化硫含量/%燒失量/%不同齡期時(shí)的活性指數(shù)/%7 d28 d4420.50.040.532.681.816677

表2硅灰性能指標(biāo)
Table2Performanceindexesofsilicafume

密度/(g·cm-3)容積密度/(kg·m-3)比表面積/(m2·kg-1)燒失量/%2.1022020 0002.28

2.2 配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0.5和0.36兩種水灰比，每種水灰比又設(shè)計(jì)4種配合比，具體如表3所示。其中A組為基準(zhǔn)組，膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥，B組采用中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，C，D組在普通硅酸鹽水泥中分別摻加15%礦粉+1%硅灰、15%礦粉+3%硅灰。為保證2種水灰比砂漿擁有相同的流動(dòng)度，在水灰比為0.36的砂漿中摻加1.5%減水劑，各配合比流動(dòng)度測(cè)定值均為185 mm±3 mm。

2.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 1761—1991)，按照配合比制作40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件，成型后靜置(24±1)h，然后拆模放入室溫為(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到28 d齡期后即開始干濕循環(huán)試驗(yàn)。干濕循環(huán)步驟為：首先將試件在水或溶液中浸泡48 h，隨后拿出放入80 ℃的烘箱中烘干22 h，再經(jīng)室溫自然冷卻2 h，然后重新放入水或溶液中浸泡48 h，按此循環(huán)。每循環(huán)10次后，對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，其中質(zhì)量測(cè)試采用固定的3個(gè)試件，并對(duì)循環(huán)60次后水灰比為0.5的基準(zhǔn)試驗(yàn)組試件微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描觀測(cè)。本次試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)組和對(duì)比組，試驗(yàn)組試件浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硫酸鈉溶液中，對(duì)比組試件浸泡在實(shí)驗(yàn)室自來水中。浸泡容器采用帶蓋塑料箱，試驗(yàn)過程中將塑料箱置于(10±1)℃的大氣環(huán)境模擬箱內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為循環(huán)60次后水灰比為0.5的基準(zhǔn)試驗(yàn)組試件分別在1 000倍和3 000倍下的電鏡掃描照片。從圖1(a)中可以看到多條縱橫交叉的裂縫，這些裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致宏觀性能的劣化，如強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量等，且裂縫的產(chǎn)生還會(huì)使侵蝕得到加??；從圖1(b)中可知，試件經(jīng)過60次的循環(huán)，在其水泥石中仍然能看到呈板狀的氫氧化鈣晶體，照片中雖然能看到鈣礬石晶體，但數(shù)量并不是太大，且不像通常所說的硫酸鹽侵蝕模式下鈣礬石晶體呈針狀從水化硅酸鈣向外生長，而是呈短柱狀且很分散，說明在低溫、干濕循環(huán)雙重環(huán)境下，硫酸鹽的化學(xué)侵蝕進(jìn)行得非常緩慢，且其侵蝕產(chǎn)物鈣礬石基本不具備破壞性，砂漿的劣化主要是因?yàn)榱蛩猁}結(jié)晶造成的。

圖1 試件微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of specimen

3.2 質(zhì)量損失率

受侵蝕砂漿質(zhì)量變化可以采用質(zhì)量損失率Km來表征，即

(1)

式中：M0為干濕循環(huán)前試件的質(zhì)量(g)；Mn為經(jīng)n次干濕循環(huán)后試件的質(zhì)量(g)。

圖2 各配合比砂漿試件質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)變化Fig.2 Changes of mass loss of mortar specimens of different mix proportions with the proceeding of cyclic drying and wetting

圖2(a)為水灰比0.5時(shí)各配合比砂漿試件質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)的變化情況?？梢钥闯?，A，B，C，D組砂漿試件質(zhì)量在干濕循環(huán)前30次均隨次數(shù)增加而呈下降趨勢(shì)，循環(huán)30次后分別下降到-1.70%，-1.64%，-1.38%，-1.04%，說明試件的質(zhì)量在逐漸增加，其原因?yàn)闈B入的硫酸鈉溶液在試件表層中干燥結(jié)晶填充了內(nèi)部孔隙，且由于礦物摻合料的微骨料填充效應(yīng)，使得C，D兩組下降幅度小于A，B兩組；干濕循環(huán)30次以后質(zhì)量損失率開始上升，說明試件質(zhì)量在逐漸下降，這是因?yàn)殡S著侵蝕的進(jìn)行，硫酸鈉結(jié)晶的數(shù)量越來越多，受侵蝕的表層從棱角處開始剝落，循環(huán)60次后分別上升到3.86%，3.64%，4.81%，4.97%，說明在低溫、干濕循環(huán)雙重環(huán)境下，水灰比為0.5時(shí)，復(fù)摻礦粉和硅灰并不能提高水泥砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕的性能。

圖2(b)為水灰比0.36時(shí)的變化情況，可以看出，同水灰比0.5一樣，各配合比砂漿試件也主要經(jīng)歷下降和上升2個(gè)階段的變化，但是變化幅度較水灰比0.5時(shí)明顯要小。這是因?yàn)樗冶容^小時(shí)，砂漿的孔隙率較低，且由于減水劑的摻入使得孔隙得到優(yōu)化，硫酸鈉溶液較水灰比0.5時(shí)更難滲透進(jìn)入試件內(nèi)部，所以硫酸鈉在孔隙中的結(jié)晶量便會(huì)減少，且強(qiáng)度的提高能減少結(jié)晶壓力的破壞，剝落量明顯減少。循環(huán)60次后質(zhì)量損失率分別為2.43%，2.08%，1.99%，2.13%，各配合比差別并不是很大，但是從整個(gè)侵蝕過程來看，復(fù)摻礦粉和硅灰仍有利于提高砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕的性能。

圖3 各配合比水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)變化Fig.3 Changes of compressive strength of mortar specimens of different mix proportions with the proceeding of cyclic drying and wetting

3.3 抗壓強(qiáng)度

圖3(a)為水灰比為0.5時(shí)試驗(yàn)組試件抗壓強(qiáng)度隨試驗(yàn)進(jìn)程的發(fā)展趨勢(shì)，從圖中可以看出：①在干濕循環(huán)的初期，抗壓強(qiáng)度逐漸上升，這是因?yàn)樵诮輹r(shí)滲透進(jìn)入試件內(nèi)部的硫酸鈉溶液在干燥狀態(tài)時(shí)失水析出硫酸鈉晶體，填充砂漿內(nèi)部孔隙，起到了增強(qiáng)的骨架作用，4組試件在循環(huán)30次后強(qiáng)度分別達(dá)到最大值；②在30～50次之間強(qiáng)度出現(xiàn)緩慢的下降，這是因?yàn)殡S著硫酸鈉晶體的逐漸增多，填充作用使得硫酸鈉溶液的滲透路徑遭到堵塞；③50次之后強(qiáng)度均開始迅速下降，這是因?yàn)樵诳紫吨薪Y(jié)晶的硫酸鈉逐漸增多，其對(duì)孔隙壁的壓力在孔隙附近會(huì)形成環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過水泥石抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂縫，而裂縫的產(chǎn)生又有利于硫酸鈉溶液往試件更深層內(nèi)部滲透，如此惡性循環(huán)使抗壓強(qiáng)度迅速下降；④循環(huán)60次后4組試件強(qiáng)度分別下降到35.8，37.2，34.7，32.4 MPa，說明在低溫、干濕循環(huán)共同作用下，水灰比為0.5時(shí)，復(fù)摻礦粉和硅灰并不能提高砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕的能力，但是抗硫酸鹽硅酸鹽水泥有一定的效果。

圖3(b)為水灰比為0.36時(shí)試驗(yàn)組試件的發(fā)展趨勢(shì)。該變化趨勢(shì)與水灰比0.5時(shí)的類似，但上升階段的幅度明顯要大得多，這是因?yàn)樗冶葹?.36較小，水泥顆粒周圍包裹的水較少，使得干濕循環(huán)試驗(yàn)前水泥水化程度較低，當(dāng)進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，在溶液中浸泡時(shí)，溶液滲透部分水分充足，使得之前沒能水化的水泥現(xiàn)在有條件進(jìn)行水化，再疊加上干燥狀態(tài)時(shí)高溫使得水化反應(yīng)加速和硫酸鈉的結(jié)晶，試件的強(qiáng)度得到快速的增長。從圖中還可看出，C、D兩組的增長幅度明顯要大于A、B兩組，這是因?yàn)殡S著齡期的增長，礦物摻合料開始發(fā)生二次水化反應(yīng)，使得強(qiáng)度得到進(jìn)一步的增長。干濕循環(huán)60次后4組試件的強(qiáng)度分別為38.15，40.00，46.88，44.20 MPa，說明復(fù)摻礦粉和硅灰能提高砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能，且抗硫酸鹽硅酸鹽水泥也能起到一定作用，但效果并不如前者明顯。

3.4 抗蝕系數(shù)

試件在試驗(yàn)中強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，但是這種變化是在侵蝕和水化共同作用下的結(jié)果，為了更加獨(dú)立地反映硫酸鹽侵蝕的效果，可以采用抗蝕系數(shù)K來表征，K的計(jì)算式為

K=f1/f2。

(2)

式中f1，f2分別為試驗(yàn)組、對(duì)比組干濕循環(huán)n次后的抗壓強(qiáng)度。

各配合比水泥砂漿抗蝕系數(shù)隨干濕循環(huán)變化如圖4所示。

圖4 各配合比水泥砂漿抗蝕系數(shù)隨干濕循環(huán)變化Fig.4 Changes of corrosion resistance coefficient ofmortar specimens of different mix proportions withthe proceeding of cyclic drying and wetting

由圖4(a)可以看出，水灰比為0.5時(shí)，各組試件均經(jīng)歷一個(gè)先上升后下降的過程，且A、B兩組的上升幅度明顯要高于C、D兩組，這是由于在摻入礦物摻合料后，幾種粒徑相互搭配，能產(chǎn)生致密勢(shì)能使砂漿更加密實(shí)，使得溶液更難滲透進(jìn)入試件內(nèi)部；各組試件抗蝕系數(shù)在達(dá)到最大值后均開始迅速下降，在循環(huán)60次后分別下降到0.78，0.79，0.75，0.67，這是由于礦物摻合料等量代替水泥后使得水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣數(shù)量減少，而水化硅酸鈣是構(gòu)成強(qiáng)度的主要物質(zhì)，所以抗硫酸鹽侵蝕性能A、B兩組要強(qiáng)于C、D兩組。

圖4(b)是水灰比為0.36時(shí)抗觸系數(shù)的變化情況，同水灰比0.5類似，抗蝕系數(shù)基本上主要經(jīng)歷一個(gè)先上升后下降的過程，但是其變化幅度較水灰比0.5時(shí)的試件要小很多，這是由于水灰比減小后孔隙率降低，能容納結(jié)晶硫酸鈉的空間減小，且強(qiáng)度的提高有助于抵抗硫酸鹽侵蝕；經(jīng)過60次循環(huán)后4組試件抗蝕系數(shù)分別下降到0.72，0.74，0.79，0.76。由于水灰比的降低，砂漿的孔隙率降低，不需要太多的水化產(chǎn)物來填充，這時(shí)礦物摻合料的微骨料填充效應(yīng)和二次水化反應(yīng)的效果就能得到充分的發(fā)揮，所以從抗蝕系數(shù)來看，C、D兩組的抗硫酸鹽侵蝕性能要強(qiáng)于A、B兩組。

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)受侵蝕后試件進(jìn)行掃描電鏡分析可知，在低溫、干濕循環(huán)雙重環(huán)境下，硫酸鹽的化學(xué)侵蝕非常緩慢，且其侵蝕產(chǎn)物基本不具備破壞性，砂漿的劣化主要是硫酸鹽結(jié)晶導(dǎo)致的。

(2)降低水灰比能降低孔隙率，尤其是泌水形成的連通孔隙，使侵蝕溶液難以滲透進(jìn)入試件內(nèi)部，還能提高砂漿強(qiáng)度，這都有利于增強(qiáng)砂漿抵抗硫酸鹽侵蝕破壞的能力，可見在有抗硫酸鹽侵蝕要求的結(jié)構(gòu)上采用高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土是較為有效的方法。

(3)在低溫、干濕循環(huán)雙重環(huán)境作用下，抗硫酸鹽硅酸鹽水泥能一定程度上改善砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能，復(fù)摻礦粉和硅灰則在不同的水灰比時(shí)表現(xiàn)出不同的效果，在低水灰比時(shí)能顯著提高抗侵蝕性能，但在高水灰比時(shí)反而會(huì)降低抗侵蝕性能。