抗硫酸侵蝕防腐劑對(duì)混凝土性能影響研究及其作用機(jī)理的探討

徐雅麗，張培育

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州　451150；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭　014010)

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抗硫酸侵蝕防腐劑對(duì)混凝土性能影響研究及其作用機(jī)理的探討

徐雅麗1，張培育2

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州451150；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭014010)

本文通過將SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑與普通硅酸鹽水泥復(fù)合，用于混凝土試驗(yàn)中，研究其對(duì)混凝土工作性能、抗壓強(qiáng)度以及耐久性能的影響。同時(shí)，通過采用化學(xué)結(jié)合水和SEM試驗(yàn)，對(duì)SSP型防腐劑在混凝土中的作用機(jī)理進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在混凝土中摻入SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑，混凝土不僅工作性能好、抗壓強(qiáng)度值高，而且抗氯離子滲透、抗硫酸鹽溶液侵蝕性能優(yōu)良；SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑的摻入，能夠提高混凝土各個(gè)齡期的化學(xué)結(jié)合水含量，促進(jìn)水泥基膠凝材料的水化進(jìn)程，生成較多的細(xì)針狀、棒狀的AFt和不規(guī)則扁平粒子的C-S-H凝膠，使得結(jié)構(gòu)更加致密，提高混凝土綜合性能。

抗硫酸鹽侵蝕防腐劑； 化學(xué)結(jié)合水； C-S-H凝膠； 鈣礬石(AFt)

1　引　言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，土建工程也大規(guī)模的興起，但是建成的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在很大的問題。目前，人們對(duì)混凝土的耐久性和耐腐蝕性的研究非常迫切。其中硫酸鹽腐蝕是造成混凝土耐久性不足[1]，發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。硫酸鹽腐蝕破壞對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害性大，影響因素多樣，很難對(duì)其病害加以控制。常見的硫酸鹽類腐蝕主要有鈉鹽、鈣鹽、鎂鹽和鉀鹽等[2]。硫酸鹽腐蝕破壞的發(fā)生與建筑結(jié)構(gòu)物所處的工作環(huán)境介質(zhì)有很大的關(guān)系，另外在拌制混凝土的過程也有可能引入硫酸鹽[3]，使得混凝土發(fā)生腐蝕破壞，降低混凝土耐久性能。目前，工程中常用的抗硫酸鹽侵蝕防腐方法主要有[4]：外涂防腐涂料、使用抗硫酸鹽水泥、摻加礦物摻和料、降低水膠比和使用防腐劑等。使用防腐劑與其他防腐方法相比[5]，在防腐能力方面，均能夠提高混凝土耐久性；受施工環(huán)境限制方面，對(duì)鋼筋的保護(hù)、混凝土的可泵性能及養(yǎng)護(hù)工藝等都具有優(yōu)越性，其經(jīng)濟(jì)成本、后期防護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較低，節(jié)能減排。因此，本文將包頭某建材公司生產(chǎn)的SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑與普通硅酸鹽水泥復(fù)合，代替抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，用于混凝土試驗(yàn)中，對(duì)比研究其對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能的影響。隨后，通過化學(xué)結(jié)合水和SEM試驗(yàn)，對(duì)SSP型防腐劑在混凝土中的作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步探討，為今后抗硫酸鹽侵蝕防腐劑在混凝土中的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原材料

水泥：冀東P·O42.5和中聯(lián)P.HSR42.5其主要物理力學(xué)性能見表1；

細(xì)骨料：河砂，細(xì)度模數(shù)2.92，含泥量3.7%；

粗骨料：碎石，5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，針、片狀含量及其他指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

防腐劑：包頭某建材公司生產(chǎn)的SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑(粉體)，主要由密實(shí)、膨脹抗裂、高分子和高性能減水四種組分構(gòu)成，其主要理化性能見表2；

減水劑：包頭鋼鹿建材公司GL-B4高效減水劑，性能良好，符合GB8076-2008標(biāo)準(zhǔn)要求；

水：普通自來(lái)水；符合JGJ63-2006要求；

表1　水泥主要物理力學(xué)性能

表2　SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑其主要理化性能

2.2試驗(yàn)方法

(1)混凝土性能試驗(yàn)

混凝土試驗(yàn)配合比混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能試驗(yàn)參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》、GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

(2)化學(xué)結(jié)合水試驗(yàn)

采用水膠比0.5的純水泥、內(nèi)摻10%抗硫酸鹽侵蝕防腐材料的兩組凈漿試件進(jìn)行，具體操作如是[6,7]：將制取的水泥凈漿密封于塑料袋中，置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期時(shí)，用無(wú)水乙醇終止水化，冷風(fēng)吹干后密封置于干燥器中。測(cè)試時(shí)將凈漿破碎并過200目篩，取適量試樣置于65 ℃下烘干至恒重以除去非化學(xué)結(jié)合水，然后在1050 ℃下灼燒至恒重，則化學(xué)結(jié)合水含量可按下式計(jì)算：

式中：ω-單位質(zhì)量膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水含量，%；m1-灼燒前樣品質(zhì)量，g；m2-灼燒后樣品質(zhì)量，g；λc-水泥燒失量，%；λf-抗硫酸鹽侵蝕防腐材料燒失量，%；ηc-水泥占膠凝材料總質(zhì)量的百分比，%；ηf-抗硫酸鹽侵蝕防腐材料占膠凝材料總質(zhì)量的百分比，%。

(3)SEM試驗(yàn)

用掃描電鏡觀察基準(zhǔn)混凝土與SSP混凝土的3 d、28 d水化產(chǎn)物形貌，對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。

3　結(jié)果與討論

3.1工作性能、抗壓強(qiáng)度影響

試驗(yàn)選取0.45水膠比，改變外加劑摻量，控制各組混凝土具有相同初始坍落度，選用冀東水泥(P.O42.5)、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥(P.HSR)兩種水泥進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)混凝土配合比見表3。新拌混凝土的工作性能和硬化后的力學(xué)性能見表4。

表3　試驗(yàn)混凝土配合比

表4　SSP型防腐劑對(duì)混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可知，在控制相同初始坍落度時(shí)，摻SSP混凝土的減水劑(GL-B4)摻量為1.0%，小于基準(zhǔn)和抗硫水泥混凝土的外加劑摻量，說(shuō)明SSP防腐劑與冀東P.O42.5水泥、減水劑(GL-B4)適應(yīng)性良好；摻SSP混凝土30 min的坍落度、擴(kuò)展度損失小于基準(zhǔn)和抗硫水泥混凝土，說(shuō)明其具有較優(yōu)的保塑性能；SSP混凝土初始含氣量高于基準(zhǔn)水泥和抗硫水泥混凝土，且30 min的含氣量損失最??；摻SSP混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)和抗硫水泥混凝土，其中基準(zhǔn)混凝土與抗硫水泥混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度相差不大。

3.2耐久性能影響

混凝土耐久性能是指混凝土抵抗氣候作用、化學(xué)侵蝕、磨損等任何其他破壞過程的能力。本文以表3配合比混凝土為例，對(duì)混凝土抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用28 d電通量來(lái)評(píng)定混凝土抗氯離子滲透性能。一般認(rèn)為[8]硫酸鈉和硫酸鎂都能對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕，但是硫酸鎂對(duì)混凝土強(qiáng)度腐蝕的影響要比硫酸鈉大。因此設(shè)計(jì)采用10% Na2SO4+5% MgSO4的硫酸鹽溶液進(jìn)行混凝土抗硫酸鹽侵蝕的干濕循環(huán)試驗(yàn)，混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可知，在坍落度、擴(kuò)展度基本相同的條件下，摻防腐材料的混凝土較不摻的基準(zhǔn)混凝土和抗硫水泥混凝土電通量減?。辉?0% Na2SO4+5% MgSO4硫酸鹽溶液的侵蝕試驗(yàn)中，摻抗硫酸鹽侵蝕防腐材料的混凝土60次、90次干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均大于不摻的基準(zhǔn)混凝土和抗硫水泥混凝土，且其90次干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)達(dá)到91.1%，遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)混凝土的54.9%和抗硫水泥混凝土的77.2%。說(shuō)明SSP不僅抗硫酸鹽侵蝕作用效果顯著，而且能夠有效提高混凝土的抗?jié)B透能力。

表5　SSP型防腐劑對(duì)混凝土耐久性的影響

SSP型防腐劑的比表面積為478 m2/kg，細(xì)度顯著大于水泥的細(xì)度，其顆粒廣泛分布于水泥漿體中的水泥顆粒之間，有助于形成更緊密的顆粒堆積，提高混凝土膠凝體系的密實(shí)性，密實(shí)孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗?jié)B、抗侵蝕性能。同時(shí)，防腐劑中的膨脹抗裂組分可使混凝土產(chǎn)生微膨脹作用，減少收縮開裂，降低外部侵蝕介質(zhì)進(jìn)入的概率，減少混凝土內(nèi)部液相中的有害離子成分，防止Cl-在混凝土孔隙中的遷移，提高混凝土耐久性能。

3.3化學(xué)結(jié)合水試驗(yàn)

圖1　化學(xué)結(jié)合水隨齡期的變化規(guī)律Fig.1　Changes of chemical combined water with age

硬化水泥漿體中的化學(xué)結(jié)合水是以氫氧根離子或中性水分子的形式存在[6,7]，通過化學(xué)鍵或氫鍵與其它元素連接，在相同溫度、濕度等養(yǎng)護(hù)條件下，硬化水泥漿體中的化學(xué)結(jié)合水量隨水化物的增多而增多，隨水化程度的提高而增大。因此，化學(xué)結(jié)合水含量可以作為判定水泥基材料水化程度的一個(gè)表征值。試驗(yàn)測(cè)得兩組凈漿試件的3 d、7 d、28 d和56 d四個(gè)齡期的化學(xué)結(jié)合水含量如圖1所示。

由圖1可知，化學(xué)結(jié)合水含量隨水化齡期不斷增加，且0～3 d增長(zhǎng)最快；SSP摻入后，各個(gè)齡期的化學(xué)結(jié)合水含量均高于純水泥組，說(shuō)明SSP的摻入促進(jìn)了水泥基膠凝材料的水化進(jìn)程，這一結(jié)論與前面摻加SSP混凝土在各齡期具有較高的強(qiáng)度相一致。

3.4SEM試驗(yàn)

基準(zhǔn)混凝土與SSP混凝土的3 d、28 d水化產(chǎn)物SEM照片如圖2～5所示。

由圖2～5可以看出：隨著水化齡期的延長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝土和SSP混凝土的漿體結(jié)構(gòu)均變得更加密實(shí)。但是，摻抗硫酸鹽侵蝕防腐劑的混凝土較基準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；與基準(zhǔn)混凝土相比SSP混凝土3 d、28 d有更多的細(xì)針狀、棒狀的AFt以及大量不規(guī)則扁平粒子的C-S-H凝膠生成。

綜上所述，SSP的摻入可有效促進(jìn)水泥水化反應(yīng)地進(jìn)行，生成較多的細(xì)針狀、棒狀的AFt和不規(guī)則扁平粒子的C-S-H凝膠，使得結(jié)構(gòu)更加致密，提高混凝土綜合性能。

圖2　3 d齡期基準(zhǔn)混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×3000)Fig.2　3 d reference(a) and SSP(b) concrete (×3000)

圖3　3 d齡期基準(zhǔn)混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×5000)Fig.3　3 d reference(a) and SSP(b) concrete(×5000)

圖4　28 d齡期基準(zhǔn)混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×3000)Fig.4　28 d reference(a) and SSP(b) concrete (×3000)

圖5　28 d齡期基準(zhǔn)混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×5000)Fig.5　28 d reference(a) and SSP(b) concrete (×5000)

4　結(jié)　論

(1)在混凝土中摻入SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑，混凝土不僅工作性能得到改善，而且不同齡期的抗壓強(qiáng)度值提高；

(2)在混凝土中摻入SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑，混凝土28 d電通量值減小，抗氯離子滲透、抗硫酸鹽溶液侵蝕性能優(yōu)良；

(3)從3 d、7 d、28 d和56 d化學(xué)結(jié)合水含量來(lái)看，SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑的摻入，能夠提高混凝土各個(gè)齡期的化學(xué)結(jié)合水含量，促進(jìn)水泥基膠凝材料的水化進(jìn)程；

(4)從3 d和28 d的SEM照片分析得出，SSP型抗硫酸鹽侵蝕防腐劑的摻入可有效促進(jìn)水泥水化反應(yīng)地進(jìn)行，生成較多的細(xì)針狀、棒狀的AFt和不規(guī)則扁平粒子的C-S-H凝膠，使得結(jié)構(gòu)更加致密，提高混凝土綜合性能。

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Effect and Mechanism of Sulfate Corrosion-Resistance Admixture on Concrete Performance

XUYa-li1,ZHANGPei-yu2

(1.Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451150, China;2.Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In this paper, the SSP corrosion-resistance admixture and ordinary Portland cement are mixed and used in concrete test.Then the effect and mechanism of sulfate corrosion-resistance admixture on concrete performance are studied. The test results show that the incorporation of SSP corrosion-resistance admixture, the concrete not only has better working performance and mechanical properties, but also has better resistance to chloride ion penetration,and sulfate corrosion-resistance. The SSP corrosion-resistance admixture incorporation, can improve the concrete ages chemical combined water content, to promote the hydration process of cement based materials, produce more fine acicular, rod of ettringite and irregular flattened particles of C-S-H gel, which makes the structure more compact and improve the comprehensive concrete performance.

sulfate corrosion-resistance admixture;chemical combined water;C-S-H gel;ettringite(AFt)

徐雅麗(1989-)，女，碩士，助教.主要從事新型建筑材料及混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2304-05