無(wú)機(jī)化合物對(duì)水泥土腐蝕的作用機(jī)理及試驗(yàn)

韓鵬舉，白曉紅

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

工程材料在污染環(huán)境下的耐久性研究是國(guó)際上非常關(guān)注的、尚未完全解決的科技熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于水泥土攪拌樁復(fù)合地基受環(huán)境影響后工程性質(zhì)的劣化研究尚鮮見報(bào)道，考慮這一因素的設(shè)計(jì)方法尚未提出。當(dāng)?shù)叵滤哂懈g性時(shí)，或無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性［1］，其中水泥土周圍環(huán)境中的Mg2＋濃度、SO42-濃度、Cl-濃度、pH等無(wú)機(jī)化合物離子是腐蝕評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)［2-3］。R.S.Rolling，白曉紅，董曉強(qiáng)等通過(guò)一系列相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究，探討了在硫酸環(huán)境下水泥土的抗壓強(qiáng)度規(guī)律及電阻率測(cè)試方法［4-6］；寧寶寬等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了硫酸鈉溶液下水泥土的力學(xué)特性［7-8］；黃漢盛等通過(guò)水泥土抗腐蝕性的室內(nèi)試驗(yàn)，提出了抗腐蝕性良好的水泥土配方［9］。綜上所述，鮮有人把水泥土環(huán)境中的介質(zhì)濃度與水泥土強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而評(píng)價(jià)其適用性和耐久性。為了取得更全面的無(wú)機(jī)化合物對(duì)水泥土的腐蝕數(shù)據(jù)，本工作通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究了在不同無(wú)機(jī)化合物溶液下不同齡期的水泥土強(qiáng)度，并且分析了無(wú)機(jī)化合物溶液的介質(zhì)成分與水泥土的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，供工程設(shè)計(jì)參考和研究。

1 試驗(yàn)

1.1 水泥土試塊制備

按風(fēng)干土∶水泥∶水＝100∶20∶50的質(zhì)量比例分別稱取相應(yīng)的風(fēng)干土、水泥、水，然后再放入30kg的小型攪拌機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢韬?，裝入7.07cm×7.07cm×7.07cm的標(biāo)準(zhǔn)鋼模中，放到震動(dòng)臺(tái)上震搗三分鐘，抹平表面并編號(hào)。為使其濕度保持不變用塑料薄膜覆蓋，經(jīng)過(guò)24h后小心拆模，選擇其中表面無(wú)空洞，無(wú)裂紋，無(wú)明顯凸凹感和棱角無(wú)殘缺的試塊，放置在預(yù)設(shè)溫度為20.9℃，相對(duì)濕度為90.7%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d。在養(yǎng)護(hù)期間，定期進(jìn)行觀察，防止試塊破壞或環(huán)境受到改變。然后將養(yǎng)護(hù)好的試塊放入裝有預(yù)先配制好的無(wú)機(jī)化合物溶液的容器中進(jìn)行浸泡。

1.2 腐蝕環(huán)境的模擬

無(wú)機(jī)化合物環(huán)境的模擬參照《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50046-2008）和《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）等相關(guān)規(guī)范中按環(huán)境類型水和土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)水泥土可能處在的無(wú)機(jī)化合物環(huán)境，并考慮實(shí)際環(huán)境中H＋，Mg2＋，Cl-和SO42-等的組合來(lái)進(jìn)行配制各種無(wú)機(jī)化合物溶液。采用H2SO4溶液環(huán)境、MgSO4溶液環(huán)境、Na2SO4溶液環(huán)境、CaSO4環(huán)境溶液和MgCl2溶液環(huán)境。

將H2SO4溶液配制為4種質(zhì)量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1和18.0g·L-1；

將MgSO4溶液配制為5種質(zhì)量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1；

將Na2SO4溶液配制為4種質(zhì)量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1和18.0g·L-1；

將CaSO4溶液配制為5種質(zhì)量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1；

將MgCl2溶液配配制為5種質(zhì)量濃度：1.5g·L-1，4.5g·L-1，9.0g·L-1，18.0g·L-1和22.5g·L-1。

取養(yǎng)護(hù)好的水泥土試塊，取其中一組試塊浸泡于清水中，用于與其他溶液環(huán)境中浸泡的水泥土試塊進(jìn)行對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)方法

將試塊浸泡在清水和不同濃度的無(wú)機(jī)化合物溶液中（每升溶液中浸泡一塊，每種溶液做兩個(gè)平行樣），使溶液上表面沒(méi)過(guò)試塊2cm左右，每天進(jìn)行觀察并在固定時(shí)間觀察拍攝浸泡不同天數(shù)（0～28d）后的試樣表面，分析浸泡溶液的化學(xué)介質(zhì)成分，采用電子控制式用試驗(yàn)機(jī)測(cè)量水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu，qu取二個(gè)試塊的低值。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥土試塊表面觀察

各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下28d的水泥土試塊的表觀圖片見圖1。由圖可知：H2SO4，MgSO4和Na2SO4溶液環(huán)境下水泥土表面變化明顯，主要表現(xiàn)為表面起皮、軟化，棱角處飩化或開裂；濃度為18.0g·L-1的Na2SO4溶液環(huán)境中的試塊已經(jīng)明顯損壞，邊角模糊，試塊已經(jīng)失去原狀；濃度為22.5g·L-1的MgSO4溶液的試塊表面開始出現(xiàn)起皮、凹陷、邊角模糊等現(xiàn)象，邊角開始脫落；濃度為18.0g·L-1的H2SO4溶液環(huán)境中的試塊表面普遍都有凹陷感，邊角更加模糊，減小劇烈；綜上可知它們對(duì)水泥土影響的大小排序?yàn)椋篘a2SO4＞MgSO4＞H2SO4。在CaSO4溶液環(huán)境和MgCl2溶液環(huán)境中的水泥土作用的表觀現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面附著結(jié)晶，試塊尺寸基本沒(méi)有變化；但是MgCl2溶液環(huán)境中的試塊表面除了附著結(jié)晶外，較CaSO4溶液環(huán)境中相比，試塊還有明顯的孔隙，說(shuō)明它們對(duì)水泥土的作用的強(qiáng)弱大小排序?yàn)镸gCl2＞CaSO4。

由水泥土的表觀現(xiàn)象可知：各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境對(duì)水泥土作用的大小排序?yàn)镹a2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí)，陽(yáng)離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篘a＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當(dāng)溶液都存在Mg2＋時(shí)，陰離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篠O42-＞Cl-。

2.2 水泥土的抗壓強(qiáng)度

不同無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下水泥土抗壓強(qiáng)度均有不同程度的折減，為了比較各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下水泥土的抗壓強(qiáng)度，提出了無(wú)機(jī)化合物環(huán)境中水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α：

式中：f′cu——無(wú)機(jī)化合物環(huán)境浸泡后水泥土抗壓強(qiáng)度，MPa；fcu——清水浸泡后水泥土抗壓強(qiáng)度，MPa；α——水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)，各種環(huán)境中28d水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)見表1。

表1 各種環(huán)境中水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α

由表1可知，CaSO4環(huán)境、MgSO4（1.5g·L-1）環(huán)境、Na2SO4（1.5g·L-1）環(huán)境和MgCl2（1.5g·L-1）環(huán)境中的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)均大于1，說(shuō)明這幾種環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利；而其他環(huán)境中的強(qiáng)度修正系數(shù)均小于1，對(duì)水泥土不利，其中比較嚴(yán)重的有H2SO4（18.0g·L-1）和MgSO4（22.5g·L-1）修正系數(shù)均為0.49，而Na2SO4（18.0g·L-1）中水泥土試塊嚴(yán)重?fù)p壞，可視強(qiáng)度為0。

各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)與環(huán)境濃度的關(guān)系見圖2。

由圖2可知，各種環(huán)境下水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)與環(huán)境濃度的關(guān)系有較好的線性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析，強(qiáng)度修正系數(shù)與環(huán)境濃度的線性關(guān)系見式：

CaSO4環(huán)境：α＝0.001c＋1.098R2＝0.80

圖2 腐蝕環(huán)境下水泥土抗壓強(qiáng)度修正系數(shù)α

式中：α為水泥土強(qiáng)度折減系數(shù)；c為環(huán)境濃度。

由式（2）可知，各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境下強(qiáng)度折減系數(shù)與環(huán)境濃度的線性關(guān)系斜率，用k來(lái)表示，k越大受環(huán)境濃度的影響就越小。k的大小排序?yàn)椋簁CaSO4＞kMgCl2＞kH2SO4＞kMgSO4＞kNa2SO4。說(shuō)明了強(qiáng)度折減與環(huán)境濃度的大小排序?yàn)椋篘a2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí)，陽(yáng)離子濃度對(duì)水泥土影響作用大小排序?yàn)椋篘a＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當(dāng)溶液都存在Mg2＋時(shí)，陰離子濃度對(duì)水泥土影響作用大小排序?yàn)椋篠O42-＞Cl-。

2.3 各種環(huán)境對(duì)水泥土的作用機(jī)理對(duì)比分析

水泥土所處的環(huán)境不同時(shí)，環(huán)境對(duì)水泥土的作用機(jī)理也就不同，按環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕的形態(tài)分類，可分為溶出型腐蝕、分解型腐蝕、膨脹型腐蝕（或稱結(jié)晶型腐蝕）。在實(shí)際工作中要抓住對(duì)水泥土腐蝕起主要作用的幾種介質(zhì)，這樣對(duì)研究環(huán)境對(duì)腐蝕作用機(jī)理有很重要的意義［10-12］。針對(duì)各個(gè)環(huán)境的主要介質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析探討環(huán)境對(duì)水泥土的腐蝕機(jī)理如下。

H2SO4環(huán)境：H＋與水泥土中水泥水化生成Ca（OH）2和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O），使水泥土的膠凝性變差，主要是分解型腐蝕；SO42-與水泥土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）和 鈣 硅 石（CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O），使水泥土發(fā)生不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)膨脹，外部變軟，內(nèi)部變得酥松，是結(jié)晶型腐蝕。因此，H2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。

MgSO4環(huán)境：Mg2＋與水泥土反應(yīng)生成MgO·SiO2·H2O，分散于水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O，C-S-H）凝膠中，會(huì)使C-S-H的膠凝性變差，屬于分解型腐蝕，Mg2＋與水泥土反應(yīng)生成的CaCl2·6H2O結(jié)晶和Mg2（OH）3Cl·4H2O結(jié)晶和SO42-與水泥土反應(yīng)生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）、鈣 硅 石（CaCO3·CaSO4·CaSiO3·15H2O）使水泥土結(jié)構(gòu)膨脹，內(nèi)部變得疏松，是結(jié)晶型腐蝕。因此MgSO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。

Na2SO4環(huán)境：Na＋參與反應(yīng)生成的苛性堿（NaOH）與水泥土中的水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、水 化 鋁 酸 鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥土膠結(jié)性變差，同時(shí)生成容易浸析的產(chǎn)物，屬于溶出型腐蝕；SO42-與水泥土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的生成物，如石膏（CaSO4·2H2O）和鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）結(jié)晶，使水泥土顆粒體積大量增加，引起物質(zhì)過(guò)剩而膨脹，使水泥土破壞，是結(jié)晶型腐蝕。因此Na2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。

CaSO4環(huán)境：Ca2＋可促進(jìn)水泥消化產(chǎn)物的進(jìn)一步生成，又受土粒表面吸附作用，Ca2＋形成的擴(kuò)散層減薄，從而使土顆粒的分散度降低，大量分散的土顆粒形成了較大的土團(tuán)粒，能提高水泥土強(qiáng)度；由于CaSO4的溶解度較小，此時(shí)SO42-參與反應(yīng)的量較小，生成物較少，填充了水泥土的孔隙，也使水泥土的強(qiáng)度增加。因此CaSO4環(huán)境對(duì)水泥土無(wú)腐蝕作用。

MgCl2環(huán)境：Mg2＋與水泥土反應(yīng)生成MgO·SiO2·H2O，分散于水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O，C-S-H）凝膠中，會(huì)使C-S-H的膠凝性變差，屬于分解型腐蝕；Cl-與水泥土生成的CaCl2·6H2O結(jié)晶和Mg2（OH）3Cl·4H2O結(jié)晶，使水泥土結(jié)晶膨脹，致使強(qiáng)度顯著降低，屬于結(jié)晶型腐蝕。因此MgCl2環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕。

3 結(jié)論

（1）H2SO4溶液環(huán)境、MgSO4溶液環(huán)境和Na2SO4溶液環(huán)境下水泥土表觀現(xiàn)象變化為表面起皮、軟化，棱角處飩化或開裂；MgCl2溶液環(huán)境和CaSO4溶液環(huán)境中的水泥土表觀現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面附著結(jié)晶物。

（2）提出28d各種環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)，并且得出：CaSO4環(huán)境、MgSO4（1.5g·L-1）環(huán)境、Na2SO4（1.5g·L-1）環(huán)境和MgCl2（1.5g·L-1）環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度修正系數(shù)均大于1，說(shuō)明這幾種環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)有利；而其他環(huán)境中的強(qiáng)度修正系數(shù)均小于1，對(duì)水泥土不利。

（3）各種無(wú)機(jī)化合物環(huán)境對(duì)水泥土作用的大小排序?yàn)镹a2SO4＞MgSO4＞H2SO4＞MgCl2＞CaSO4。當(dāng)溶液當(dāng)中都存在SO42-時(shí)，陽(yáng)離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篘a＋＞Mg2＋＞H＋＞Ca2＋；當(dāng)溶液都存在Mg2＋時(shí)，陰離子對(duì)水泥土作用大小排序?yàn)椋篠O42-＞Cl-。

（4）H2SO4、MgSO4和MgCl2環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是分解型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕；Na2SO4環(huán)境對(duì)水泥土腐蝕是溶出型腐蝕與結(jié)晶型腐蝕的復(fù)合型腐蝕；CaSO4環(huán)境對(duì)水泥土無(wú)腐蝕作用。

［1］JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB 50021-2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［3］GB 50046-2008工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］Rolling R S.Sulfate attach on cement stabilized sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvirtmnlental Engineering，2009，121（5）：364-372.

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