耿 健,楊海明,莫利偉
(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,綠色建材與廢棄物資源化研究中心,浙江 寧波 315100;2.浙江省天和建材集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310008)
在普通硅酸鹽水泥體系中的固化態(tài)氯離子有化學(xué)結(jié)合和物理吸附兩種形式,前者主要形成Friedel鹽(3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O),后者主要被C-S-H 凝膠吸附.上述兩種固化態(tài)氯離子均可解固,重新轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)[1-4].由于混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕主要由游離態(tài)氯離子引發(fā),故固化態(tài)氯離子的數(shù)量和穩(wěn)定性對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重要影響.
在鹽堿地區(qū)和海洋環(huán)境中,氯鹽和硫酸鹽污染是混凝土結(jié)構(gòu)常見的耐久性病害.盡管二者對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響機(jī)理不同,但當(dāng)它們共存時(shí)仍會(huì)相互影響.針對(duì)此問題,國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,主要有:(1)硫酸鹽會(huì)降低引起鋼筋銹蝕的氯離子極限濃度,加速鋼筋銹蝕[5];(2)氯離子半徑小,可先于硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部與鋁酸鹽形成Friedel鹽,從而延緩鈣礬石(AFt)的形成,并減輕硫酸鹽對(duì)混凝土的破壞作用[6-8];(3)硫酸鹽會(huì)抑制Friedel鹽的形成,進(jìn)而影響混凝土材料對(duì)氯離子的固化能力[9-10].由此可見,氯鹽和硫酸鹽之間的相互作用機(jī)制較為復(fù)雜.除此之外,Brown等[11]對(duì)海工混凝土鉆芯取樣,發(fā)現(xiàn)某些芯樣中無(wú)石膏存在,但存有大量AFt,Brown將此現(xiàn)象歸結(jié)為:在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下Friedel鹽可向AFt轉(zhuǎn)變.Xu等[12]研究表明硫酸鹽腐蝕會(huì)造成固化態(tài)氯離子失穩(wěn),游離態(tài)氯離子數(shù)量增加.因此,硫酸鹽對(duì)氯離子固化的影響,不僅僅是固化過程,還包括其固化后的穩(wěn)定性.盡管Brown等和Xu等報(bào)道了Friedel鹽可在硫酸鹽腐蝕下失穩(wěn),向AFt轉(zhuǎn)變,但他們均未對(duì)Friedel鹽失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行深入分析和研究,同時(shí)也未分析硫酸鹽腐蝕對(duì)C-S-H 凝膠吸附氯離子穩(wěn)定性的影響.
基于此,本文擬在硫酸鈉溶液腐蝕環(huán)境下的固化態(tài)氯離子數(shù)量變化特征基礎(chǔ)上,借助X 射線衍射(XRD),紅外光譜(FTIR)和熱分析(DTG)等微觀測(cè)試技術(shù),研究分析硫酸鈉溶液腐蝕對(duì)固化態(tài)氯離子穩(wěn)定性的影響機(jī)理.
水泥采用三獅P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥;NaCl和Na2SO4均為分析純;水采用蒸餾水.水泥的化學(xué)組成和礦物組成如表1所示.
表1 水泥的化學(xué)組成和礦物組成Table 1 Chemical composition(by mass)and mineral composition(by mass)of cement %
將水泥用0.5mol/L 的NaCl溶液進(jìn)行拌和,水灰比為0.5(質(zhì)量比),制作4cm×4cm×16cm的棱柱體水泥試樣.試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)((20±2)℃,相對(duì)濕度95%)到設(shè)定齡期后,取破碎后的試塊放入無(wú)水乙醇中浸泡7d以終止水化,然后磨細(xì)過149μm(100目)篩,最后將制得的粉料放入干燥皿內(nèi)備用.
取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56d后的試樣,只保留1個(gè)4cm×4cm 的表面作為腐蝕面,其余表面均用石蠟包裹,然后將其浸入5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Na2SO4溶液中,腐蝕齡期為28,56,90,120d.當(dāng)試樣達(dá)到設(shè)定的腐蝕齡期后將其取出,沿試樣橫向每隔1cm 進(jìn)行切片留樣.
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣,根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,采用溶出法測(cè)其游離態(tài)氯離子含量Cf.由于本試驗(yàn)內(nèi)摻NaCl,因此固化態(tài)氯離子含量Cb=Ct-Cf(Ct為試樣中氯離子總量8.863mg/g);對(duì)于Na2SO4溶液浸泡試樣,由于存在氯離子溶出問題,且難以計(jì)算溶出的氯離子總量,因此根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》,分別采用溶出法和酸溶法測(cè)其游離態(tài)氯離子含量Cf和氯離子總量Ct.同時(shí),為更合理地分析Na2SO4對(duì)固化態(tài)氯離子穩(wěn)定性的影響,本文采用氯離子相對(duì)固化率來(lái)表征試樣受腐蝕后的氯離子固化特征,其計(jì)算表達(dá)式為=100×(Ct-Cf)/8.863.
表2為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下氯離子相對(duì)固化率與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系.由表2 可知,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,試樣的氯離子相對(duì)固化率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加,其中28d前為快速增長(zhǎng)期,而56d以后的變化基本趨于穩(wěn)定.因此本文選取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為56d 的試樣進(jìn)行Na2SO4溶液腐蝕試驗(yàn).
表2 氯離子相對(duì)固化率與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系Table 2 Relationship between curing rate of chloride ion and standard curing time
表3為氯離子相對(duì)固化率與腐蝕時(shí)間和腐蝕深度的關(guān)系.由表3可知,當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到28d時(shí),試樣表層的已出現(xiàn)顯著下降,僅為4.25%,遠(yuǎn)低于初始狀態(tài)的59.77%;當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到120d時(shí),試樣表層的僅有1.55%.這表明隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),表層進(jìn)一步下降,試樣中絕大部分固化態(tài)氯離子已轉(zhuǎn)變成游離態(tài).由此可見,Na2SO4溶液對(duì)混凝土內(nèi)部固化態(tài)氯離子的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞.此外,由表3還可知,當(dāng)腐蝕時(shí)間為28d時(shí),除試樣表層出現(xiàn)較為明顯下降外,其第2 層(2nd),甚至較深的第3層(3rd也出現(xiàn)了一定程度下降,且隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng),試樣內(nèi)層下降更為顯著.這一方面表明Na2SO4腐蝕深度在增加,另一方面也說(shuō)明Na2SO4對(duì)固化態(tài)氯離子穩(wěn)定性的影響非常顯著.表3的測(cè)試結(jié)果還顯示氯離子總量呈現(xiàn)由內(nèi)層向外層逐漸減小的變化趨勢(shì),這說(shuō)明由于表層氯離子溶出和固化態(tài)離子失穩(wěn),試樣內(nèi)部氯離子向外發(fā)生了遷移.
表3 氯離子相對(duì)固化率與腐蝕時(shí)間和腐蝕深度的關(guān)系Table 3 Relationship among corrosion time,depth and curing rate of chloride ion
試樣經(jīng)0,28和90dNa2SO4溶液腐蝕后,其第1層受腐蝕區(qū)域腐蝕產(chǎn)物的XRD 分析結(jié)果如圖1所示.
圖1 試樣腐蝕0,28和90d后第1層腐蝕產(chǎn)物XRD 衍射圖Fig.1 XRD patterns of the first layer corrosion products after samples corroded for 0,28and 90d
由圖1可知,與腐蝕前(腐蝕時(shí)間0d,即標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56d)相比,腐蝕28d后試樣中Friedel鹽的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱,近乎消失;當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到90d時(shí),F(xiàn)riedel鹽衍射峰強(qiáng)度與28d相比變化不大;與此相反,AFt的衍射峰強(qiáng)度與腐蝕前相比得到了明顯增強(qiáng),且強(qiáng)度較高;伴隨著Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度的下降,腐蝕產(chǎn)物中也出現(xiàn)了二水石膏衍射峰,但其衍射峰強(qiáng)度并不高.
圖2為試樣腐蝕90d后各層腐蝕產(chǎn)物的XRD測(cè)試分析結(jié)果.由圖2可知,盡管Friedel鹽衍射峰強(qiáng)度由試樣表層向內(nèi)逐漸增強(qiáng),但與腐蝕前相比,仍明顯低于同層AFt衍射峰強(qiáng)度,并有二水石膏衍射峰出現(xiàn),這說(shuō)明Na2SO4溶液的腐蝕深度在增加,已達(dá)較深的第4層.以上分析表明,受Na2SO4溶液腐蝕的影響,F(xiàn)riedel鹽發(fā)生了分解,由其所固化的氯離子將因此而被解固,重新轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)的氯離子,這是導(dǎo)致下降的主要原因.
試樣經(jīng)Na2SO4溶液腐蝕28,90d后,腐蝕產(chǎn)物的FTIR 譜見圖3.其中,3 654cm-1為硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2結(jié)構(gòu)中—OH 的伸展振動(dòng)帶吸收峰.由圖3可知,該吸收峰的強(qiáng)度隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱,這說(shuō)明硫酸鈉溶液對(duì)試樣的腐蝕程度增加.
圖2 試樣腐蝕90d后各層腐蝕產(chǎn)物的XRD 衍射圖Fig.2 XRD patterns of four layers corrosion products after samples corroded for 90days
圖3 試樣腐蝕28,90d后的紅外光譜Fig.3 FTIR spectras of sample corroded for 28and 90days
1 100cm-1吸收峰由中S—O 的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起,其往往被認(rèn)為是AFt 的指紋峰[13-14].由圖3可知,該峰隨著腐蝕 時(shí)間的 延長(zhǎng),峰強(qiáng)由內(nèi)層向外層逐漸增強(qiáng),表明腐蝕產(chǎn)物中AFt的數(shù)量增多.3 415,1 656cm-1分別為水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)晶格水—OH 的伸縮振動(dòng)吸收峰和層間水—OH 的彎曲振動(dòng)吸收峰[15],其也隨著AFt數(shù)量的增加而增強(qiáng).979cm-1的吸收峰源于C-S-H 凝膠中Si—O 不對(duì)稱收縮[15-16].封孝信等[17]的研究結(jié)果表明,Na2SO4會(huì)對(duì)C-S-H 凝膠產(chǎn)生腐蝕作用,形成石膏.但是,圖3中979cm-1的C-S-H 凝膠吸收峰隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)和腐蝕深度加深無(wú)明顯變化,這表明Na2SO4溶液腐蝕對(duì)C-S-H凝膠穩(wěn)定性無(wú)明顯影響.
718,535,458cm-1處特征峰是[Al(OH)6]3-八面體中Al—O 振動(dòng)吸收峰.在氯鹽存在情況下,其存在說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物中含有Friedel鹽.與標(biāo)準(zhǔn)的Friedel鹽紅外光譜對(duì)比可知[18],圖3 中所有紅外譜線中Friedel鹽的535cm-1特征吸熱峰強(qiáng)度均極低,這表明腐蝕產(chǎn)物中Friedel鹽的含量較少,更進(jìn)一步證明了Na2SO4溶液腐蝕環(huán)境下Friedel鹽會(huì)發(fā)生分解,其所固化的氯離子會(huì)重新轉(zhuǎn)變成游離態(tài).
圖4為試樣腐蝕0,28,90d后第1層腐蝕產(chǎn)物的DTG 圖.
圖4 試樣腐蝕0,28,90d后第1層腐蝕產(chǎn)物的DTG 圖Fig.4 DTG graphs of the first layer corrosion products after samples corroded for 0,28and 90d
由圖4可知,試樣腐蝕前的DTG 曲線中存在幾處明顯的吸熱峰.其中85~130 ℃的吸熱峰屬于AFt和C-S-H 凝膠,二者由于脫水溫度區(qū)間重疊,在DTG 曲線中難以區(qū)別[19],但該處的吸熱峰隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng).由于圖3紅外分析結(jié)果顯示Na2SO4溶液腐蝕不會(huì)對(duì)C-S-H 凝膠穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響,因此該吸熱峰強(qiáng)度的增強(qiáng)應(yīng)由AFt數(shù)量增多引起.判斷130~170℃的吸熱峰所屬物質(zhì)較為復(fù)雜,對(duì)于腐蝕前試樣,其應(yīng)為單硫型硫鋁酸鹽AFm的分解吸熱峰.經(jīng)硫酸鹽腐蝕后,陳記豪等[20-21]將其視為石膏分解的吸熱峰.由圖4還可知,無(wú)論試樣腐蝕28d還是90d,其受腐蝕最嚴(yán)重的第1層腐蝕產(chǎn)物在130~170 ℃無(wú)明顯吸熱峰存在,而腐蝕90d的第2,3,4層腐蝕產(chǎn)物在此溫度區(qū)間均有明顯吸熱峰存在,且越向內(nèi)層,該吸熱峰的強(qiáng)度越高.結(jié)合文獻(xiàn)[22-23]可知,其應(yīng)為AFm 的分解吸熱峰.除此之外,318~358 ℃的吸熱峰屬于Friedel鹽,398~451℃的吸熱峰屬于CH,650~750℃的吸熱峰屬于方解石.
對(duì)比圖4中試樣腐蝕前后的DTG 曲線變化特點(diǎn)可知,試樣腐蝕28,90d的DTG 曲線中已無(wú)明顯的AFm 和Friedel鹽吸熱峰存在,CH 的吸熱峰面積也隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小.AFm 吸熱峰消失和CH 吸熱峰面積減小的現(xiàn)象顯然跟上述物質(zhì)與硫酸根反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物有關(guān),而Friedel鹽吸熱峰的消失,這進(jìn)一步說(shuō)明硫酸鹽腐蝕會(huì)造成Friedel鹽分解,從而影響固化態(tài)氯離子的穩(wěn)定性.
圖5為試樣腐蝕90d后各層腐蝕產(chǎn)物的DTG圖.由圖5可知,試樣經(jīng)Na2SO4溶液腐蝕90d后,第2,3,4層的水化產(chǎn)物DTG 曲線中的Friedel鹽吸熱峰非常微弱.與此相反,除第1層外,其余各層均可見明顯的AFm 吸熱峰存在.根據(jù)熱分析結(jié)果對(duì)試樣腐蝕前水化產(chǎn)物中的AFm 和Friedel鹽進(jìn)行半定量計(jì)算,其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為1.98%和2.27%,AFm 的含量略低于Friedel鹽.由此說(shuō)明,在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下,硫酸根離子將優(yōu)先與Friedel鹽發(fā)生反應(yīng).
圖5 試樣腐蝕90d后各層腐蝕產(chǎn)物的DTG 圖Fig.5 DTG graphs of four layers corrosion products after samples corroded for 90d
硅酸鹽水泥水化過程中,C3A 先與水泥熟料中的石膏反應(yīng)形成AFt,當(dāng)石膏被消耗完畢后,剩余的C3A 與AFt反應(yīng)形成單硫型水化硫鋁酸鈣AFm.當(dāng)有氯離子內(nèi)摻時(shí),C3A 除了參與上述反應(yīng)外,還將直接與氯離子反應(yīng)形成Friedel鹽.根據(jù)表1中水泥礦物組成和表3中氯離子固化數(shù)量可知,水泥熟料中有足夠的C3A 能夠同時(shí)參與上述反應(yīng),分別形成AFm 和Friedel鹽,因此腐蝕前試樣的DTG 曲線上同時(shí)存在上述物質(zhì)的吸熱峰.AFm 和Friedel鹽盡管形成機(jī)制不同,但是二者具有相同結(jié)構(gòu)形式,都屬于AFm 大家族中的一員,它們具有共同的結(jié)構(gòu)式[Ca(Al,F(xiàn)e)(OH)6]·X·nH2O(其中的X 表示1個(gè)單價(jià)陰離子或半個(gè)雙價(jià)陰離子).在水泥化學(xué)中最常見的X 為OH-,和Cl-.當(dāng)上述離子同時(shí)存在時(shí),優(yōu)先形成3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O,其次是3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O,最后是3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O.相對(duì)而言,F(xiàn)riedel鹽的穩(wěn)定性最差.
當(dāng)混凝土材料遭受Na2SO4溶液腐蝕時(shí),溶液中的通過孔隙向混凝土內(nèi)部滲透,首先與Ca(OH)2反應(yīng)形成CaSO2·2H2O,并與殘留的鋁酸鹽反應(yīng)形成AFt,從而導(dǎo)致Ca(OH)2數(shù)量減少.隨著孔溶液中濃度增加,F(xiàn)riedel鹽的穩(wěn)定性開始變差,其結(jié)構(gòu)中的Cl-將被孔溶液中的所置換,重新轉(zhuǎn)變游離態(tài),同時(shí)形成新的AFm.AFm在外部不斷滲入的條件下同樣也不穩(wěn)定,將重新轉(zhuǎn)變成二次AFt[24-25].這是試樣在腐蝕時(shí)間較短(28d)和腐蝕程度較輕(90d,4th)的情況下,XRD圖譜中仍有較強(qiáng)AFt衍射峰的原因.綜上所述,整個(gè)反應(yīng)過程可用下列化學(xué)方程式表示:
C-S-H 凝膠是氯離子另一種固化形式——物理吸附的主要載體,其對(duì)氯離子的固化同樣具有重要影響.XRD 和DTG的分析結(jié)果顯示,Na2SO4溶 液腐蝕28d后,F(xiàn)riedel鹽在腐蝕產(chǎn)物中的數(shù)量極低,因此可推斷腐蝕28d后,剩余固化態(tài)氯離子應(yīng)主要由C-S-H 凝膠所吸附.與此同時(shí),由表3 腐蝕試樣第1層變化特征可知,其變化主要出現(xiàn)在腐蝕28d之前.此后盡管也出現(xiàn)下降,但幅度并不顯著.C-S-H 凝膠對(duì)氯離子的吸附通常采用雙電層理論對(duì)其進(jìn)行解釋:由于Cl-半徑小,其很容易進(jìn)入C-S-H 凝膠的吸附層中,并代替OH-以平衡電荷,從而完成吸附[26].張彩文等[27]的研究表明,C-S-H凝膠對(duì)也具有吸附作用,但是被吸附的主要處于擴(kuò)散層,難以與吸附層中Cl-發(fā)生置換.因此,Na2SO4溶液腐蝕對(duì)C-S-H 凝膠所吸附的氯離子穩(wěn)定性的影響并不顯著.
(1)Na2SO4溶液腐蝕對(duì)混凝土內(nèi)部固化態(tài)氯離子穩(wěn)定性的影響非常顯著.受其影響,固化態(tài)氯離子易失去穩(wěn)定性,重新轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài).
(3)Na2SO4溶液腐蝕對(duì)Friedel鹽的分解作用是混凝土內(nèi)部固化態(tài)氯離子失穩(wěn)的主要原因,其對(duì)C-S-H 凝膠所固化氯離子穩(wěn)定性的影響并不顯著.
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