低溫環(huán)境下水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)研究

王云天，王起才，郭玉柱，謝松林

（蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

混凝土的耐久性已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視的問題，其中硫酸鹽侵蝕是一個(gè)重要的方面。硫酸鹽侵蝕的影響因素復(fù)雜，危害性大[1]。硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土的破壞主要表現(xiàn)為膨脹、開裂、剝落等，混凝土的硫酸鹽侵蝕主要受到自身材料與周邊環(huán)境的影響。

在我國(guó)西北地區(qū)，分布有大量的鹽漬土、鹽湖，其中硫酸鹽含量很高，這對(duì)混凝土建筑物提出了更高的耐久性特別是抗硫酸鹽侵蝕的要求。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究已經(jīng)取得了很多非常有價(jià)值的成果[2-6]，然而，大多數(shù)研究都是在常溫環(huán)境下進(jìn)行的，對(duì)低溫環(huán)境下的研究較少，并且大多采用膨脹率作為硫酸鹽侵蝕的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)力學(xué)性能的研究較少[7-10]。本文針對(duì)5℃下硫酸鈉溶液侵蝕不同水膠比的水泥砂漿試件，通過對(duì)水泥砂漿經(jīng)硫酸鹽侵蝕后的外觀、力學(xué)性能變化進(jìn)行分析，研究了水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能，為在西北地區(qū)低溫環(huán)境下選擇適宜的抗硫酸鹽水泥基材料提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

水泥：P·O42.5（OPC），中抗硫酸鹽水泥（SRC），甘肅省祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司，性能指標(biāo)見表1；砂：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度2650 kg/m3，松散堆積密度1640 kg/m3，緊密堆積密度1770 kg/m3，含泥量2.9%，篩去5 mm以上顆粒；納米SiO2顆粒：SiO2含量大于99%，比表面積大于80 000 m2/kg，自制；活性礦粉：蘭州有色金屬研究院產(chǎn)，性能指標(biāo)見表2；減水劑：聚羧酸高性能減水劑，含固量40%，江蘇蘇博特新材料公司，作為混凝土減水劑和納米材料分散劑使用，性能指標(biāo)見表3；侵蝕溶液：3%的硫酸鈉溶液，使用無水硫酸鈉配制。

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 礦粉的性能指標(biāo)

表3 聚羧酸高性能減水劑的主要性能

試驗(yàn)儀器：恒溫養(yǎng)護(hù)箱、人工氣候模擬試驗(yàn)箱、壓力試驗(yàn)機(jī)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)配合比

設(shè)計(jì)了4種配合比，除了OPC與SRC外，為了研究礦物摻合料對(duì)水泥基材料抗硫酸鹽性能的影響，同時(shí)制作了2組分別在OPC中摻加15%礦粉+1%納米SiO2與15%礦粉+3%納米SiO2的試件。試驗(yàn)采用0.36、0.50這2種水膠比，為了保證2種水膠比有同樣的流動(dòng)性，在A3、B3、C3、D3試樣中均摻加1.5%的聚羧酸高性能減水劑，配合比設(shè)計(jì)見表4。

表4 砂漿的配合比

1.3 試驗(yàn)方案與評(píng)價(jià)指標(biāo)

將原材料按表3中的配合比充分混合攪拌，分別制作0.36、0.50這2種水膠比尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試件，試件成型24 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試原始強(qiáng)度，剩余試件放入自制浸泡箱內(nèi)，分別置于（5±1）℃恒溫環(huán)境下3%Na2SO4溶液與水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。為了保持硫酸鈉溶液pH值及濃度穩(wěn)定，每隔7 d測(cè)試溶液pH值，并用硫酸溶液進(jìn)行滴定，并且每月將溶液更換1次。每隔30 d測(cè)試砂漿試件抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，綜合評(píng)價(jià)其抗硫酸鹽侵蝕性能，直至浸泡時(shí)間達(dá)到180 d為止，砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能采用抗蝕系數(shù)K進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中：fs——浸泡在硫酸鹽溶液中t齡期試件的抗折強(qiáng)度，MPa；

fw——浸泡在水中同齡期試件的抗折強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀變化情況

各組砂漿試樣在浸泡120 d時(shí)未出現(xiàn)明顯的變化，但是隨著浸泡時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，部分砂漿試樣的棱、邊角處出現(xiàn)開裂、剝落破壞。表5中列出了不同水膠比砂漿試樣的外觀破損情況。

表5 砂漿試件在3%Na2SO4溶液中浸泡180 d后外觀破損情況

由表5可以看出，低水膠比砂漿試件破壞程度較輕，這是因?yàn)榈退z比砂漿試樣比較密實(shí)，砂漿的孔隙和裂縫比較少，硫酸根離子滲入砂漿內(nèi)部比較困難，硫酸鹽侵蝕速率比較慢。從試件外觀破損情況來看，OPC抵抗硫酸鹽侵蝕性能最差，SRC與加入15%礦粉+1%納米SiO2摻合料組基本相同，加入15%礦粉+3%納米SiO2摻合料組性能最好。

2.2 抗折強(qiáng)度變化情況

圖1為不同水膠比試樣在3%Na2SO4溶液中抗折強(qiáng)度隨齡期的變化情況。

圖1 不同水膠比水泥砂漿抗折強(qiáng)度隨齡期的變化

由圖1可見，低水膠比試件在浸泡初始時(shí)強(qiáng)度較高，2種水膠比試件前期抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先快后緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)。初始強(qiáng)度較高是由于水膠比的降低提高了砂漿的強(qiáng)度，同時(shí)，前期強(qiáng)度的快速提高可能是由于水泥水化產(chǎn)物與硫酸鹽反應(yīng)生成的鈣礬石與石膏填充了砂漿內(nèi)部孔隙，使砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，后期增長(zhǎng)緩慢可能是由于生成產(chǎn)物填充了表面的孔隙，減緩了硫酸鹽的進(jìn)入。

從圖1（a）可以看出，A組普通硅酸鹽試件的強(qiáng)度在150 d時(shí)達(dá)到最高，而后突然降低，在180 d時(shí)強(qiáng)度較最大值降低了28%；B組與礦物摻合料C組強(qiáng)度比較接近，B組在后期強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，而C組在后期依然有緩慢增長(zhǎng)，在180 d時(shí)B、C組強(qiáng)度基本相同；D組15%礦粉+3%納米SiO2試件始終保持較高的強(qiáng)度，并且高于其余3組，在120d后強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩。

從圖1（b）可以看出，A組在150 d時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值后開始降低，但是降低幅度明顯低于0.50水膠比試件；中抗硫水泥B組與礦物摻合料C組強(qiáng)度不同于0.50水膠比試件，C組在90 d后強(qiáng)度便高于B組；D組依然是4組試件中強(qiáng)度最高的，并且強(qiáng)度始終在緩慢增長(zhǎng)。

從水泥砂漿抗折強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)來看，水膠比的降低提高了砂漿試件的強(qiáng)度，其中0.36水膠比的B、C、D組都高于同齡期0.50水膠比試件，特別是加入了礦物摻合料的試件更加明顯。綜合來看，2種水膠比下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力D組＞C組＞B組＞A組。

2.3 抗壓強(qiáng)度變化情況

圖2為不同水膠比試樣在3%Na2SO4溶液中抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化情況。

圖2 不同水膠比水泥砂漿抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

由圖2（a）可見，A組普通硅酸鹽水泥在150 d時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高后開始降低，在180 d時(shí)強(qiáng)度較最大值降低了4%；B組中抗硫水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)先快后緩，在120 d后基本沒有變化；加入礦物摻合料的C、D組試件強(qiáng)度都在持續(xù)增長(zhǎng)，在120 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)速率開始減緩，同時(shí)D組在90 d后強(qiáng)度就高于其它3組。

由圖2（b）可以看出，0.36水膠比砂漿試樣初始強(qiáng)度都要高于0.50水膠比試件，并且強(qiáng)度總體高于同齡期0.5水膠比試件。A組普通硅酸鹽水泥試件在150 d后強(qiáng)度開始降低，但降低幅度小于0.5水膠比時(shí)，在180 d時(shí)較最大值降低了1%；B、C組在90 d后強(qiáng)度都沒有明顯變化，特別是C組與0.5水膠比的強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)不同；D組強(qiáng)度一直高于其余3組，并且抗壓強(qiáng)度一直保持增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

從水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)來看，低水膠比試件強(qiáng)度更高，特別是加入礦物摻合料的試件更加明顯。綜合來看，2種水膠比下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力D組＞C組＞B組＞A組。

2.4 抗蝕系數(shù)變化情況

圖3為不同水膠比砂漿試件的抗蝕系數(shù)隨齡期的變化情況。

由圖3可見，水膠比影響了砂漿的抗蝕系數(shù)。對(duì)于A組普通硅酸鹽水泥砂漿試件來說，0.50水膠比下波動(dòng)更大，0.36

圖3 不同水膠比試件抗蝕系數(shù)隨齡期的變化

水膠比下抗蝕系數(shù)更加平穩(wěn)，在180 d時(shí)，0.50、0.36水膠比下抗蝕系數(shù)分別為0.95、1.02，低水膠比明顯有著更優(yōu)異的抗硫酸侵蝕性能。B組中抗硫水泥試件前期抗蝕系數(shù)有所波動(dòng)，后期2種水膠比下差異不大，說明中抗硫水泥在不同水膠比下都有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能，在180 d時(shí)，0.50、0.36水膠比下抗蝕系數(shù)分別為1.12、1.11。

加入礦物摻合料的2組砂漿試件都是0.36水膠比的抗蝕系數(shù)高于0.50水膠比，在2種水膠比下C、D組在后期抗蝕系數(shù)都沒下降，體現(xiàn)了良好抗硫酸鹽侵蝕性能，在低水膠比下更明顯。C組在180d時(shí)、0.50、0.36水膠比下抗蝕系數(shù)分別為1.06、1.10，D組分別為1.15、1.15，D組抗蝕系數(shù)是4組中最高的。

硫酸鹽溶液中的硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石與石膏，特別在低溫下還可能生成碳硫硅鈣石，這都會(huì)導(dǎo)致水泥基材料的破壞。普通硅酸鹽水泥試件在180 d時(shí)已經(jīng)明顯受到硫酸鹽侵蝕的影響，強(qiáng)度開始降低。中抗硫酸鹽水泥由于控制了C3A含量，減少了參與反應(yīng)的水化產(chǎn)物，明顯改善了抗硫酸鹽侵蝕能力。礦物摻合料的加入不但減少了水泥砂漿中的水泥用量，并且可以通過火山灰反應(yīng)消耗水化產(chǎn)物中的CH，而CH正是生成腐蝕產(chǎn)物的重要來源。可以明顯看出，加入了礦物摻合料的砂漿試件明顯改善了抗硫酸鹽侵蝕性能，并且隨著活性摻合料摻量的提高，效果越明顯，特別是在低水膠比下。

從抗蝕系數(shù)可以看出，A組普通硅酸鹽水泥砂漿試件的抗硫酸鹽性能最差，B組中抗硫酸鹽水泥砂漿試件與摻入1%納米SiO2的C組試件基本相同，摻入3%納米SiO2的D組試件抗硫酸鹽侵蝕性能最好。

3 結(jié)論

（1）在5℃下，A組普通硅酸鹽水泥砂漿試件的抗硫酸鹽性能最差，B組中抗硫酸鹽水泥試件與摻入1%納米SiO2的C組試件基本相同，摻入3%納米SiO2的D組試件抗硫酸鹽侵蝕性能最好。

（2）降低水膠比可以提高水泥砂漿在5℃下的抗硫酸鹽侵蝕能力。

（3）礦物摻合料的摻入可以明顯提高水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能，C組摻15%礦粉+1%納米SiO2的性能接近中抗硫酸鹽水泥；D組摻15%礦粉+3%納米SiO2的抗硫酸鹽侵蝕能力最好。

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