納米SiO2和高爐礦渣粉對(duì)OPC-CSA復(fù)合修補(bǔ)砂漿耐鹽漬土侵蝕性能的影響

張廣平，劉慶峰，牛夢(mèng)蝶，李國(guó)新

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730050； 2.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055)

0 引 言

鹽漬土是一種具有溶陷、鹽脹和腐蝕等特性的劣質(zhì)土壤，我國(guó)西北地區(qū)分布著大面積鹽漬土區(qū)域[1]。鹽漬土中含有較多的芒硝和巖鹽等可溶性鹽，其中易溶的硫酸鹽和氯鹽會(huì)對(duì)鹽漬土地區(qū)的重要基礎(chǔ)設(shè)施(如高速公路、鐵路橋梁及機(jī)場(chǎng)路面等水泥混凝土結(jié)構(gòu))造成侵蝕性破壞，嚴(yán)重危及結(jié)構(gòu)物安全并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，應(yīng)對(duì)鹽漬土地區(qū)遭受到侵蝕性破壞的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)。

水泥基修補(bǔ)材料可用于混凝土修復(fù)工程，常用的水泥基修補(bǔ)材料有快硬硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥(CSA)及纖維改性水泥等[3-4]。但這些水泥基修補(bǔ)材料單獨(dú)使用時(shí)，無法適應(yīng)鹽漬土環(huán)境，如快硬硅酸鹽水泥的耐腐蝕性能較差；CSA的抗硫酸鹽侵蝕能力較好，但后期強(qiáng)度倒縮，限制了其在修補(bǔ)工程中的應(yīng)用[5-7]。有研究發(fā)現(xiàn)，CSA中摻入適量的普通硅酸鹽水泥(OPC)，可以在保證早期強(qiáng)度的同時(shí)，抑制CSA后期強(qiáng)度倒縮[8-9]。但OPC的摻入可能會(huì)影響硫鋁酸鹽水泥的抗侵蝕性能，可采用?；郀t礦渣粉(簡(jiǎn)稱礦渣粉)提高水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕能力[10-11]。此外，研究表明納米SiO2具有極高的火山灰活性，少量添加可以降低水泥基材料的孔隙率，提高水泥砂漿的密實(shí)度[12-13]，從而延緩鹽漬土中的易溶鹽向砂漿內(nèi)部滲透和遷移，提高水泥砂漿的耐侵蝕能力。

因此，本文研究了納米SiO2和礦渣粉對(duì)普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥(OPC-CSA)復(fù)合修補(bǔ)砂漿耐鹽漬土侵蝕性能的影響。結(jié)合我國(guó)西北地區(qū)鹽漬土中的易溶鹽主要以硫酸鹽和氯鹽為主，及半埋置的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕最為嚴(yán)重的特點(diǎn)，試驗(yàn)選用硫酸鈉-氯化鈉復(fù)合鹽半浸泡和干濕循環(huán)相結(jié)合的方法，模擬鹽漬土侵蝕環(huán)境[14]，通過試件表觀形貌變化、質(zhì)量變化、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓耐蝕系數(shù)以及氯離子含量等技術(shù)指標(biāo)來表征試件在復(fù)合鹽-干濕循環(huán)侵蝕作用下的損傷規(guī)律，并分析復(fù)合體系在腐蝕環(huán)境下的水化產(chǎn)物組成，探究其侵蝕機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

膠凝材料：42.5級(jí)低堿硫鋁酸鹽水泥(CSA)和P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(OPC)，物理性能分別如表1和表2所示；S95級(jí)?；郀t礦渣粉(GBFS)，比表面積為521.1 m2/kg，細(xì)度和密度分別為7.1%和2.85 g/cm3。CSA、OPC和GBFS的化學(xué)組成如表3所示。

納米SiO2(NS)：粒徑范圍為7～40 nm，比表面積為300 m2/g。

減水劑：粉劑高效聚羧酸減水劑(PCE)。

緩凝劑：硼砂(Na2B4O7·10H2O，PS)，分析純，含量不低于99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

分散劑：三聚磷酸鈉(Na5P3O10，ST)，分析純，含量不低于99.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

侵蝕溶液所用試劑：氯化鈉(NaCl)和無水硫酸鈉(Na2SO4)，均為分析純，含量不低于99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

石英砂：采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司中級(jí)砂，最大粒徑為0.25 mm。

表1 硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of sulphoaluminate cement and ordinary Portland cement

表2 水泥和粒化高爐礦渣粉的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of cement and granulated blast furnace slag

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用水膠比(W/B)為0.35、膠砂比(B/S)為1∶1的水泥砂漿試件，具體配合比如表4所示。

表3 水泥砂漿的配合比Table 3 Mix proportion of cement mortar

1.3 試驗(yàn)方法

納米SiO2溶液的制備：將分散劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為納米SiO2的3%)完全溶解于去離子水中后，加入納米SiO2高速剪切攪拌30 min，然后置于超聲波分散機(jī)分散30 min，即可得到納米SiO2溶液。

水泥砂漿的制備：將稱量好的聚羧酸減水劑、硼砂、CSA、OPC、GBFS、石英砂在攪拌機(jī)中低速攪拌90 s后，加入納米SiO2溶液和剩余水先低速攪拌60 s，然后快速攪拌90 s，攪拌完成后裝入40 mm×40 mm×160 mm的模具中。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中((20±2) ℃，相對(duì)濕度(90±5)%)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，脫模后置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)。

干濕循環(huán)試驗(yàn)：選取10%Na2SO4-10%NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的復(fù)合鹽溶液，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試件分別置于清水和浸泡液中半浸泡(浸泡高度為60 mm)16 h，然后放在烘箱中40 ℃烘7 h，取出后冷卻1 h，每24 h為一個(gè)循環(huán)周期。為了保持溶液濃度，每月定期更換一次溶液，在0次、30次、60次、90次、120次、150次循環(huán)后測(cè)量試件的質(zhì)量變化率、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及抗壓耐蝕系數(shù)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)：質(zhì)量變化率按式(1)計(jì)算。動(dòng)彈性模量和相對(duì)動(dòng)彈性模量分別按式(2)和式(3)計(jì)算?？箟耗臀g系數(shù)按式(4)計(jì)算。氯離子含量測(cè)定參照《混凝土中氯離子含量檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 322—2013)。

(1)

式中:Wt為試件t次循環(huán)后的質(zhì)量變化率,%；Mt和M0分別為試件循環(huán)t次之后和初始的質(zhì)量,g。

(2)

(3)

式中：Ed為試件的動(dòng)彈性模量,%；W為試件的質(zhì)量，g；L為正方形截面的邊長(zhǎng)，mm；a為試件的長(zhǎng)度mm；f為試件橫向振動(dòng)時(shí)的基頻振動(dòng)頻率，Hz；Er為試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；Edt和Ed0分別為試件t次循環(huán)之后和初始的動(dòng)彈性模量,%。

(4)

式中：Kt為試件在t次循環(huán)之后的抗壓耐蝕系數(shù)；Ct為試件在t次循環(huán)之后的抗壓強(qiáng)度,MPa；C0為同齡期在清水中試件的抗壓強(qiáng)度,MPa。

X-射線衍射分析(XRD)：在相應(yīng)齡期將凈漿樣品取出，用無水乙醇和丙酮(1∶1)，體積比溶液浸泡以終止水化，置于40 ℃真空干燥箱中烘干，研磨過80 μm篩，用Model D/max-3c型X射線衍射儀進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形貌變化

半浸泡在清水和復(fù)合鹽溶液中的水泥砂漿試件經(jīng)150次干濕循環(huán)后的外觀形貌變化如圖1所示?？梢钥闯觯虢菰谇逅械脑嚰?jīng)150次循環(huán)后外觀形貌沒有明顯的變化，但是復(fù)合鹽溶液中的試件表面均出現(xiàn)了輕微剝落現(xiàn)象，在浸泡界面以上20～40 mm處，試件表面析出了一層白色鹽類結(jié)晶物質(zhì)，剝落現(xiàn)象較為明顯。在復(fù)合鹽-干濕循環(huán)共同作用下，G0和G10試件表面幾乎沒有損傷和剝落現(xiàn)象，G20試件表面出現(xiàn)了輕微剝落，而S、G30以及G40試件表面的剝落較為明顯，表明G0和G10兩種體系的抗復(fù)合鹽侵蝕性能最優(yōu)。

圖1 半浸泡在清水和侵蝕溶液中試件干濕循環(huán)150次后的外觀形貌Fig.1 Appearance of the samples after 150 cycles of dry-wet immersion in clean water and erosion solution

2.2 質(zhì)量變化

圖2 復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下試件的質(zhì)量變化率Fig.2 Mass change rates of samples under the action of composite salt dry-wet cycles

圖3 復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus of samples under the action of composite salt dry-wet cycles

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

2.4 抗壓耐蝕系數(shù)

在復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下，試件浸泡部分和干燥部分的抗壓耐蝕系數(shù)如圖4所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件浸泡部分和干燥部分的抗壓耐蝕系數(shù)均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的變化趨勢(shì)。經(jīng)過150次干濕循環(huán)后，G0和G10試件浸泡部分的抗壓耐蝕系數(shù)略低于干燥部分，但都高于100%。結(jié)果表明摻加1%納米SiO2和10%礦渣的試件在復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下抗壓耐蝕系數(shù)沒有降低，表現(xiàn)出良好的抗復(fù)合鹽侵蝕性能；當(dāng)?shù)V渣摻量為30%和40%時(shí)，納米SiO2-GBFS-CSA-OPC復(fù)合修補(bǔ)砂漿的抗壓耐蝕系數(shù)略有降低，這與試件外觀形貌和相對(duì)動(dòng)彈性模量的結(jié)果相一致。S、G20、G30及G40試件浸泡部分的耐蝕系數(shù)略高于干燥部分，且干燥部分的耐蝕系數(shù)小于100%，這表明試件干燥部分受到了一定程度的物理侵蝕，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，這與試件外觀形貌變化是一致的。

圖4 復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下試件的抗壓耐蝕系數(shù)Fig.4 Compressive corrosion resistance coefficient of the samples under the action of composite salt dry-wet cycles

2.5 氯離子含量

復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下試件的氯離子含量變化如圖5所示?？梢钥闯觯黧w系試件的自由氯離子含量和總氯離子含量的變化趨勢(shì)一致，均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷增加，并在循環(huán)120次時(shí)趨于穩(wěn)定。這是由于試件的浸泡區(qū)域和干燥區(qū)域存在濕度差，且干濕循環(huán)初期試件的孔隙率較高，使得溶液中的氯離子主要通過毛細(xì)管吸附作用從浸泡區(qū)域向干燥區(qū)域不斷傳輸，隨著齡期的增加逐漸達(dá)到飽和。其中部分氯離子會(huì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Friedel′s鹽，并以結(jié)合氯離子的形式存在。

G0和G10試件中自由氯離子和總氯離子的含量明顯低于其他體系，表明G0和G10體系具有較好的抗氯離子侵蝕性能，這主要是由于納米SiO2和適量礦渣粉的加入可以提高體系的密實(shí)度，降低了氯離子在試件中的滲透性。G30和G40的自由氯離子含量和總氯離子含量較高，主要是因?yàn)榈V渣粉取代量過大，部分礦粉沒有參與水化反應(yīng)，增大了試件的內(nèi)部孔隙率，使得試件內(nèi)部存在大量的氯離子，這一結(jié)果與質(zhì)量變化一致。

2.6 XRD分析

圖5 復(fù)合鹽-干濕循環(huán)作用下試件的氯離子含量變化Fig.5 Changes of chloride ion content of samples under the action of composite salt dry-wet cycles

圖6 半浸泡于NaCl-Na2SO4溶液的試件循環(huán)150次后的XRD譜Fig.6 XRD patterns of samples after half soaking in NaCl-Na2SO4 solution for 150 cycles

3 結(jié) 論

(1)在復(fù)合鹽-干濕循環(huán)侵蝕作用下，摻加1%納米SiO2和10%礦渣可以提高OPC-CSA復(fù)合修補(bǔ)砂漿的耐鹽漬土侵蝕性能；當(dāng)?shù)V渣摻量為30%和40%時(shí)，納米SiO2-GBFS-OPC-CSA復(fù)合修補(bǔ)砂漿的抗鹽漬土侵蝕能力略有降低。

(3)試件在半浸泡干濕循環(huán)作用下主要受到化學(xué)侵蝕和物理腐蝕的綜合作用，干燥部分主要以物理腐蝕為主，結(jié)晶產(chǎn)物為硫酸鈉；浸泡部分主要以化學(xué)侵蝕為主，腐蝕產(chǎn)物為鈣礬石和Friedel′s鹽。