納米SiO2-CSA-OPC復(fù)合修補砂漿的抗鹽漬土侵蝕性能研究

朱殿之，劉祚宇，董昶宏，劉慶峰，牛夢蝶，李國新

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計院有限公司，蘭州 730050；2.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055)

0 引 言

水泥混凝土是應(yīng)用最廣泛的建筑材料，在建筑工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于混凝土結(jié)構(gòu)非均勻多孔的特性以及受外界環(huán)境物理、化學(xué)等因素的影響，水泥混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中會出現(xiàn)不同程度的損壞，尤其是鹽漬土地區(qū)的建筑物。鹽漬土中的氯鹽和硫酸鹽極易通過混凝土的孔結(jié)構(gòu)滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理作用，導(dǎo)致建筑物在未達(dá)到設(shè)計壽命時就出現(xiàn)開裂、表層脫落以及鋼筋銹蝕等現(xiàn)象[1-2]。因此，對損壞的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效修補，已逐漸成為建筑工程中的重要組成部分。

普通硅酸鹽水泥修補砂漿是目前常用的水泥基修補材料，具有相容性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點，但是其早期強(qiáng)度低、養(yǎng)護(hù)周期長，不適合快速修補工程[3]。為了滿足快速修復(fù)工程對修補材料的要求，學(xué)者們以硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、磷酸鎂水泥以及復(fù)合膠凝體系作為快速修補材料開展了研究[4-9]。其中，復(fù)合膠凝體系由于其快凝快硬、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度穩(wěn)定以及補償收縮等特性，在快速修復(fù)工程中得到了廣泛應(yīng)用。李紅英等[10]將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥及硅灰復(fù)合，同時摻入高效減水劑，制備出了快凝、早強(qiáng)、易于施工的復(fù)合膠凝體系修補材料。Li等[11]制備了納米SiO2-硫鋁酸鹽水泥-普通硅酸鹽水泥(NS-CSA-OPC)復(fù)合修補砂漿，具有凝結(jié)硬化快、補償收縮、后期強(qiáng)度穩(wěn)定等優(yōu)異性能，在混凝土公路、機(jī)場路面緊急搶修工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。但是針對我國西北地區(qū)的鹽漬土環(huán)境，NS-CSA-OPC復(fù)合體系是否具有良好的抗侵蝕能力還有待于深入研究。

我國西北地區(qū)鹽漬土中的侵蝕物質(zhì)主要以硫酸鹽和氯鹽為主，因此本文制備了NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液3種侵蝕溶液，以NS-CSA-OPC砂漿長期半浸泡在不同侵蝕溶液下的性能變化來表征試件受鹽漬土侵蝕引起的性能變化[12]。試驗以質(zhì)量變化、相對動彈性模量、抗壓耐蝕系數(shù)以及氯離子含量為評價指標(biāo)，研究NS-CSA-OPC砂漿試件在不同侵蝕溶液下的損傷規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：42.5級低堿硫鋁酸鹽水泥(CSA)，來自河北唐山北極熊水泥有限公司；P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥(OPC)，來自陜西聲威建材集團(tuán)有限公司。CSA和OPC的化學(xué)組成如表1所示，物理性能分別見表2和表3。

表1 硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of CSA and OPC (mass fraction) /%

表2 硫鋁酸鹽水泥的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of CSA

表3 普通硅酸鹽水泥的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of OPC

納米SiO2(NS)：來自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，白色粉末，粒徑范圍為7～40 nm，比表面積為300 m2/g。

減水劑：高效聚羧酸減水劑(PCE)，粉劑。

硼砂(Na2B4O7·10H2O，NB)：來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純，含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)≥99.5%。

三聚磷酸鈉(Na5P3O10)：來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純，含量≥99.8%。

砂：來自廈門艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司，中級砂。

氯化鈉(NaCl)：來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純，含量≥99.5%。

無水硫酸鈉(Na2SO4)：來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純，含量≥99.5%。

1.2 試驗方法

將3%三聚磷酸鈉(相對于納米SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù))完全溶解在去離子水中，然后加入納米SiO2剪切攪拌(速度為2 000 r/min) 30 min，水浴超聲分散30 min，得到納米SiO2分散溶液。按照表4稱取各原材料，先將CSA、OPC、聚羧酸減水劑、硼砂以及石英砂加入攪拌機(jī)中低速攪拌90 s，然后加入納米SiO2分散溶液和剩余水低速攪拌60 s后，快速攪拌90 s。攪拌完成后將砂漿裝入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的模具中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室((20±2)℃，相對濕度(90±5)%)養(yǎng)護(hù)至28 d后，放置在自來水、氯化鈉、硫酸鈉以及氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合鹽侵蝕溶液中進(jìn)行長期浸泡試驗，試驗采用半浸泡的方式，浸泡高度為60 mm。侵蝕溶液的濃度如表5所示，為了保持侵蝕溶液濃度和性能穩(wěn)定，采用塑料薄膜對容器頂部進(jìn)行密封，同時每30 d對溶液進(jìn)行一次更換，分別測定30 d、60 d、90 d、120 d、210 d、240 d、270 d試件的質(zhì)量、動彈性模量、抗壓強(qiáng)度及氯離子含量。

本試驗以質(zhì)量變化率、相對動彈性模量、抗壓耐蝕系數(shù)以及氯離子含量為評價指標(biāo)，分析NS-CSA-OPC復(fù)合體系抗鹽漬土侵蝕的能力。氯離子含量參照《混凝土中氯離子含量檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 322—2013)中的滴定法測定。質(zhì)量變化率按式(1)計算。動彈性模量和相對動彈性模量分別按式(2)和(3)計算。抗壓耐蝕系數(shù)按式(4)計算。

(1)

式中：Wn為試件浸泡nd后的質(zhì)量變化率，%；Mn和M0分別為試件浸泡nd后和初始的質(zhì)量，g。

(2)

(3)

式中：Ed為試件的動彈性模量；W為試件的質(zhì)量，g；L為試件正方形截面的邊長，mm；a為試件的長度，mm；f為試件橫向振動時的基頻振動頻率，Hz；Er為試件的相對動彈性模量，%；Edn和Ed0分別為試件浸泡nd和初始的動彈性模量。

(4)

式中：Kc為試件浸泡nd之后的抗壓耐蝕系數(shù)；Cn為試件在侵蝕溶液中浸泡nd之后的抗壓強(qiáng)度，MPa；C0為同齡期水養(yǎng)試件的抗壓強(qiáng)度，MPa。

表4 水泥砂漿的配合比Table 4 Mix proportion of cement mortar /g

表5 試驗所用侵蝕溶液Table 5 Erosion solutions used in the test

2 結(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度

納米SiO2摻量對NS-CSA-OPC試件凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可以看出，隨著納米SiO2摻量的增加，NS-CSA-OPC試件的凝結(jié)時間逐漸縮短，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)納米SiO2摻量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值。其原因主要是納米SiO2具有較強(qiáng)的火山灰活性，加速了水泥的早期水化過程。此外，納米SiO2填充了水泥顆粒周圍的空隙和水化產(chǎn)物的微觀孔隙，有效地減少了砂漿內(nèi)部缺陷，使結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了體系的抗壓強(qiáng)度[13]。當(dāng)納米SiO2摻量大于1.0%時，納米SiO2易團(tuán)聚形成一些薄弱區(qū)域，導(dǎo)致水泥基體結(jié)構(gòu)不均勻且疏松，造成其抗壓強(qiáng)度下降[14]。

圖1 不同納米SiO2摻量下NS-CSA-OPC體系的凝結(jié)時間Fig.1 Setting time of NS-CSA-OPC system at different content of nano SiO2

圖2 不同納米SiO2摻量下NS-CSA-OPC體系的抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of NS-CSA-OPC system at different content of nano SiO2

綜上，NS-CSA-OPC體系中納米SiO2的最佳摻量為1.0%。當(dāng)納米SiO2添加量為1.0%時，NS-OPC-CSA體系的初凝時間和終凝時間分別為14 min和21 min，養(yǎng)護(hù)2 h、1 d、7 d、28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度分別為31.88 MPa、53.75 MPa、65.36 MPa、93.87 MPa、103.46 MPa。因此，選擇納米SiO2摻量為1.0%的NS-OPC-CSA體系進(jìn)行抗鹽漬土侵蝕性能試驗。

2.2 質(zhì)量變化

長期浸泡在NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液中的試件質(zhì)量變化率如圖3所示。浸泡在3組侵蝕溶液中的試件，質(zhì)量變化率隨浸泡時間的變化規(guī)律基本一致，即隨著浸泡時間的延長，試件的質(zhì)量變化率逐漸增加。這主要是由于在3種溶液的侵蝕過程中，鹽溶液通過擴(kuò)散作用吸附在試件表面或存在于試件的孔溶液中，從而使浸泡在3種侵蝕溶液中試件的質(zhì)量增加。

圖3 長期浸泡作用下試件的質(zhì)量變化率Fig.3 Mass change rate of specimens under long-term immersion

圖4 長期浸泡作用下試件的相對動彈性模量Fig.4 Relative dynamic elastic modulus of specimens under long-term immersion

浸泡在Na2SO4溶液中的試件質(zhì)量增長幅度明顯高于浸泡在NaCl溶液中的試件質(zhì)量，浸泡在NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液中試件的質(zhì)量增長幅度介于NaCl溶液和Na2SO4溶液之間，說明氯鹽對硫酸鹽的侵蝕膨脹破壞起到減緩作用。

2.3 相對動彈性模量

2.4 抗壓耐蝕系數(shù)

圖5 長期浸泡作用下試件的抗壓耐蝕系數(shù)Fig.5 Compression corrosion resistance coefficient of specimens under long-term immersion

對比試件浸泡部分和干燥部分的抗壓耐蝕系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)浸泡在NaCl溶液和NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液中試件浸泡部分的抗壓耐蝕系數(shù)與干燥部分的抗壓耐蝕系數(shù)相近，而浸泡在Na2SO4溶液中試件浸泡部分的抗壓耐蝕系數(shù)明顯高于干燥部分，說明干燥部分受侵蝕程度更加嚴(yán)重。在NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液的侵蝕過程中，半浸泡270 d后試件的抗壓耐蝕系數(shù)均大于1.0。謝超等[15]采用長期浸泡在3%Na2SO4溶液的方法進(jìn)行侵蝕試驗，以研究納米SiO2-礦渣-水泥復(fù)合材料的抗硫酸鹽侵蝕性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該復(fù)合膠凝材料具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能，浸泡270 d后試件(納米SiO2摻量為1%)的抗壓耐蝕系數(shù)為0.8。與此對比，可以說明NS-CSA-OPC體系具有較好的抗鹽漬土侵蝕性能。

2.5 氯離子含量

圖6 長期浸泡作用下試件的氯離子含量變化Fig.6 Change of chloride ion content of specimens under long-term immersion

2.6 XRD分析

圖7 在Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液中浸泡270 d試件的XRD譜Fig.7 XRD patterns of specimens immersed in Na2SO4solution and NaCl-Na2SO4 composite solution for 270 d

3 結(jié) 論

(1)在侵蝕過程中，納米SiO2-硫鋁酸鹽水泥-普通硅酸鹽水泥復(fù)合修補砂漿的抗壓耐蝕系數(shù)均大于1.0，說明該復(fù)合修補砂漿具有較好的抗鹽漬土侵蝕能力。

(2)通過長期半浸泡對比試驗，3種侵蝕溶液對納米SiO2-硫鋁酸鹽水泥-普通硅酸鹽水泥復(fù)合修補砂漿的破壞程度由大到小依次為：Na2SO4溶液>NaCl-Na2SO4復(fù)合溶液>NaCl溶液。

(3)氯離子和硫酸根離子在試件中的擴(kuò)散作用是相互競爭的，氯鹽可以減緩硫酸鹽對復(fù)合修補砂漿的侵蝕破壞。