基于正交法的抗硫酸鹽腐蝕水泥配比設(shè)計(jì)

邱永利

（中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810007）

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料包括：①PO42.5 普通硅酸鹽水泥；②過(guò)200 目標(biāo)準(zhǔn)篩的粉煤灰和礦渣；③過(guò)320 目標(biāo)準(zhǔn)篩的硅粉；④自來(lái)水。儀器包括：①JJ 一1 型水泥凈漿攪拌機(jī)；②YH 一40B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱；③YE 一30 型液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)；④日立S 一2500 掃描電子顯微鏡；⑤D8ADVANCE 型X 射線衍射儀。

主要原料的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 主要原料的化學(xué)組成%

1.2 正交表設(shè)計(jì)

正交實(shí)驗(yàn)以硅粉，粉煤灰和礦渣的摻量作為三個(gè)主要影響因素進(jìn)行研究，每個(gè)因素取四個(gè)等級(jí)，分別是：0、5%、10%和20%的硅粉摻量；0、10%、15%和20%的粉煤灰摻量；0、5%、10%和15%的礦渣摻量。據(jù)此，采用三因素四等級(jí)的正交實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按配合比設(shè)計(jì)，依據(jù)GBl75—2007 制備水泥試樣，水灰比為0.3。試樣在恒溫20℃、恒濕95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h后脫模。參考GB2420-80，再將試樣置于50℃的恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)7d，取出后對(duì)16 組試樣進(jìn)行再分組，即把16 組試樣的每一組再分成兩組。其中，一組浸泡于20℃淡水中，另一組浸泡于同溫度下5%Na2SO4 溶液中。浸泡28d 后取出試樣，在YE-30 型液壓式壓力機(jī)上測(cè)試各試樣的抗壓力，并計(jì)算出抗壓強(qiáng)度，再按照公式（1） 計(jì)算得出各組試樣的抗壓抗蝕系數(shù)。

式中：Kp抗壓抗蝕系數(shù)；Ps試樣在侵蝕溶液中浸泡以天后的抗壓強(qiáng)度，MPa；Pw試樣在淡水中浸泡n 天后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦物摻合料對(duì)水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響

16 組水泥試樣分別浸泡于淡水和5%Na2SO4溶液28d 后的抗壓強(qiáng)度，以及各組試樣的抗壓抗蝕系數(shù)，摻入礦物摻合料的各試樣的抗壓抗蝕系數(shù)較1 號(hào)空白試樣有高有低，其中

4 號(hào)、11 號(hào)以及14 號(hào)試樣的抗壓抗蝕系數(shù)明顯高于空白試樣，而11 號(hào)試樣表現(xiàn)最為顯著。這表明，選擇適當(dāng)?shù)V物摻合料摻入水泥，有助于提高水泥的抗壓抗蝕系數(shù)，增強(qiáng)水泥的抗硫酸鹽腐蝕性能。

以11 號(hào)試樣作為水泥空白試樣的對(duì)比樣，進(jìn)一步研究礦物摻合料對(duì)水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響。經(jīng)過(guò)5%Na2SO4溶液侵蝕28d 后1 號(hào)（S1） 和11 號(hào)（S11） 試樣的XRD 衍射圖譜可知，摻入礦物摻合料的S11 腐蝕后較S1 后存在更多的水化硅酸鈣凝膠CSH。根據(jù)水泥石孔隙的大小和結(jié)構(gòu)，可將它們分為膠凝孔，毛細(xì)孔和宏觀孔三種類(lèi)型。其中，腐蝕介質(zhì)穿過(guò)膠凝孔的滲透速度是最小的。增加的水化硅酸鈣凝膠CSH 主要是由礦物摻合料中的活性組分SiO。與水泥水化產(chǎn)生的Ca (OH)。反應(yīng)生成的。因此，礦物摻合料的摻入一方面可以增加水泥石的膠凝孔，改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)；另一方面也消耗了水泥石中的Ca（OH）2。由于在硫酸鹽腐蝕中，SO42-離子滲透到水泥石后，首先與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，所以降低水泥石中Ca（OH）2減少也就意味著減弱硫酸鹽對(duì)水泥石的侵蝕能力。因此，硫酸鹽腐蝕S11 的腐蝕產(chǎn)物單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm) 和鈣礬石(Aft) 明顯低于S1。

經(jīng)5%Na2SO4溶液侵蝕后的S1 內(nèi)出現(xiàn)大量的針狀A(yù)Ft 晶體和六方薄板狀或不規(guī)則花瓣?duì)畹腁Fm，裂紋孔洞明顯，結(jié)構(gòu)較為疏松，溶液侵蝕后S1 的SEM 圖像所示。摻入礦物摻合料的S11，由于腐蝕之前Ca（OH）2的減少和水化硅酸鈣凝膠CSH 的增加，經(jīng)5%Na2SO4 溶液侵蝕后的腐蝕產(chǎn)物AFt 和AFm 相對(duì)較少，腐蝕程度較輕，水泥石結(jié)構(gòu)較為致密。另一方面，由于粉煤灰具備微集料效應(yīng)，其中的微細(xì)顆粒可均勻分布在水泥漿內(nèi)，填充孔隙和毛細(xì)孔，能起到改善水泥石孔結(jié)構(gòu)和增大密實(shí)度的作用，從而也在一定程度上提高了水泥石的抗硫酸鹽腐蝕性能。

2.2 基于正交實(shí)驗(yàn)分析的配比設(shè)計(jì)

K1～K4 行數(shù)據(jù)分別為4 個(gè)等級(jí)的平均值；R 行為級(jí)差表明各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)(抗壓抗蝕系數(shù)) 的影響幅度。由級(jí)差處理后的數(shù)據(jù)可看出，各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響按大小次序排為：粉煤灰摻量>硅粉摻量>礦渣摻量。最佳配合比設(shè)計(jì)方案為：硅粉摻量取第三水平的10%；粉煤灰摻量取第二水平的15%；礦渣摻量取第一水平的0%。此設(shè)計(jì)方案為已做16組實(shí)驗(yàn)的第11 組，而此組實(shí)驗(yàn)所測(cè)得水泥試樣的抗壓抗蝕系數(shù)為1.235，是16 組實(shí)驗(yàn)中最高的。這表明，正交實(shí)驗(yàn)分析得出的最佳配合比設(shè)計(jì)方案符合實(shí)際。

3 結(jié)語(yǔ)

1） 礦物摻合料中的活性組分SiO。能與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠CSH，從而降低了水泥中Ca（OH）2的含量，改善了水泥石孔結(jié)構(gòu)，提高了致密性，增強(qiáng)了水泥石的抗硫酸鹽腐蝕性能。

2） 采用正交法可以準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行抗硫酸鹽腐蝕水泥的配比設(shè)計(jì)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析得到的最佳配比設(shè)計(jì)方案合理。

3） 當(dāng)水泥中一同摻入硅粉、粉煤灰及礦渣，且摻量分別為10%、15%和0%時(shí)，水泥的抗硫酸鹽腐蝕性能最好。三者摻量對(duì)水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響按大小排序?yàn)椋汗璺蹞搅?粉煤灰摻量>礦渣摻量。