水利工程PA改良注漿材料耐腐蝕性研究

王敬宇，唐 穎

(1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223215)

2020年國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部等部委先后印發(fā)相關文件，對塑料污染治理工作作出整體部署和安排[1]。塑料在生產(chǎn)生活中應用廣泛，是重要的基礎材料，PA材料即是其中的一種。然而，由于PA材料具有良好的拉伸強度、耐沖擊強度、剛性、耐磨性，因此被廣泛用于改性混凝土，同時還能有效解決廢棄塑料的環(huán)境污染問題[2]。而在水利工程建設中，混凝土是修建各種水工建筑物的重要材料[3-4]，其強度和各方面物理性質直接決定工程竣工后的服役年限和安全運營。因此，結合PA材料研究改性混凝土材料的工程性能，將對環(huán)境的保護和各建筑對象性能的提升有著重要意義。

目前，已有文獻對PA改性混凝土的強度進行了相關研究[5]，但少有文獻對PA改性混凝土的耐腐蝕性進行研究，多數(shù)學者都集中于對普通混凝土和部分改良混凝土進行研究。侯瑩瑩[5]采用單摻雜、混合摻雜聚丙烯纖維(PF)和鋼纖維(SF)的方法, 制備了混雜纖維增強混凝土(HFRC)，利用液壓試驗機、落錘試驗、硫酸鈉浸泡腐蝕等方法評估了纖維增強混凝土的抗壓強度、沖擊韌性以及耐硫酸鹽腐蝕性能。李北星[6]等針對硫酸鹽鹽漬土地區(qū)半埋混凝土的耐久性，開展了3種大摻量礦物摻合料混凝土在硫酸鈉溶液中的半浸泡干濕循環(huán)試驗，研究了硫酸鹽半浸泡混凝土的腐蝕破壞機理，以及礦物摻合料在其中發(fā)揮的作用。孫紹霞[7]等以青島某游艇產(chǎn)業(yè)園樁基工程為依托，通過制備7種不同配合比的樁基混凝土試樣，分析了不同齡期混凝土的力學性能，并采用RCM法分析混凝土抗氯離子滲透性能,并采用室內(nèi)176d模擬加速試驗分析其抗硫酸鹽腐蝕性能。喬宏霞[8]等針對因鋼筋腐蝕而造成鎂水泥鋼筋混凝土使用壽命較短的問題，制備不同涂層鋼筋的鎂水泥混凝土試件，通過CS350工作站及其分析軟件對不同齡期試件進行測試分析,根據(jù)腐蝕電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率及涂層電阻等電化學參數(shù),衡量同種涂層鋼筋在不同環(huán)境下的抗腐蝕性能。

本文為研究PA改良混凝土的耐腐蝕性能，以傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土為參照物，分析PA改良混凝土在不同酸性環(huán)境下的強度、質量損失，以期為認識和了解PA改良混凝土的耐腐蝕性提供參考。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

采用浙江某電廠的粉煤灰作為原材料，密度為2.36 g/cm3，比表面積2 800 cm2/g，屬于F級粉煤灰，通過XRD光譜分析，測得其主要的化學成分為SiO2、Al2O3，CaO。復合堿激發(fā)劑由水玻璃和NaOH按一定的比例配合而成，水玻璃為市售液體水玻璃，NaOH為無錫亞泰聯(lián)合化工公司生產(chǎn)的純度高于99%的固體分析純。試驗所用的濃硫酸、濃鹽酸、硫酸鎂試劑均為優(yōu)級純試劑，購于揚州市華富化工有限公司, PA材料購于東莞市霖源實業(yè)有限公司，表觀密度27.7 kg/m3。圖1為本次試驗用PA材料，圖2為本次試驗用混凝土漿液，表1為硅灰各組分含量。

表1 硅灰各組分含量

圖1 試驗用PA材料

圖2 試驗用混凝土漿液

根據(jù)前期的配合比設計，此次試驗配料為PA 220 kg/m3，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3。試驗先在攪拌機中干拌3 min，之后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液添加到固體中，濕拌4 min，同時制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm×100 mm中振動成型，待觀察無任何凝結跡象，抗壓強度無任何退化后，送入養(yǎng)護箱養(yǎng)護28 d。

1.2 試驗設計

當PA改性混凝土塊養(yǎng)護齡期達到28 d后，將其分別浸泡在HCl、H2SO4和MgSO4溶液中，其中每種溶液包含5%、8%、10% 共3種濃度，浸泡時間為7、14、28 d。試驗中，普通硅酸鹽混凝土將作為對照組，不進行浸泡，試驗前后主要觀察指標為立方體抗壓強度與質量變化量。表2為本次試驗設計方案。

表2 試驗設計方案

2 PA混凝土在酸性溶液中抗壓強度對比

本次混凝土立方體抗壓試驗儀器采用由濟南悅達實驗儀器有限責任公司生產(chǎn)的混凝土軸心抗壓試驗機，主要參數(shù)包括最大試驗力2 000 kN、壓盤尺寸Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。圖3為本次試驗儀器。

圖3 立方體抗壓儀器

試驗時，每組3塊試件，養(yǎng)護28 d后，按照最新標準《混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)，分別進行立方體抗壓強度測試，得到其平均值。表3中給出了普通硅酸鹽混凝土與PA混凝土的未浸泡28 d立方體抗壓強度，以及分別浸泡在酸溶液中不同天數(shù)后的抗壓強度平均值。由表3可知，未浸泡時，PA改良混凝土的強度要低于普通硅酸鹽混凝土，但是這與水灰比(W/C)、塑料集料替代度(RPA)、廢塑料的類型和形狀等有關, 具體可參考文獻[9]。兩種混凝土在酸溶液中浸泡之后，抗壓強度都隨浸泡天數(shù)逐漸降低。在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土強度由50.2 MPa降低至39.8 MPa，而在硫酸溶液中浸泡28 d后，強度降低至20.6 MPa。對于PA混凝土，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，強度由37.6 MPa降低至30.7 MPa；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，強度降低至28.1 MPa。在鹽酸溶液中出現(xiàn)強度降低是由于骨架結構中的 Si-O-Si、Si-O-Al 結構塊體開始溶解并重組生成少量沸石，沸石的生成對塊體的強度發(fā)展不利；而在硫酸溶液中，混凝土塊孔隙會生成部分硫酸鈣，從而破壞了孔隙結構，導致強度降低。

表3 浸泡與未浸泡的立方體抗壓強度

為進一步對比普通混凝土耐酸性能與經(jīng)過PA改良后的混凝土耐酸性能差異，將浸泡在鹽酸與硫酸中7、14、28 d后的抗壓強度降低比分別繪制于圖4與圖5中。

圖4 HCl溶液中強度降低比

圖5 H2SO4溶液中強度降低比

由圖4可知，PA混凝土在鹽酸中的強度降低比明顯低于普通混凝土。其中，在浸泡7d后，普通混凝土強度損失13.1%，PA混凝土損失8.8%；在浸泡14 d后，普通混凝土強度損失17.7%，PA混凝土損失13.3%；在浸泡28 d后，普通混凝土強度損失20.7%，PA混凝土損失18.4%。由圖5可知，PA混凝土耐酸性能同樣表現(xiàn)優(yōu)異。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土強度損失25.9%，PA混凝土損失12.7%；在浸泡14 d后，普通混凝土強度損失42.8%，PA混凝土損失17.8%；在浸泡28 d后，普通混凝土強度損失58.9%，PA混凝土損失25.3%。此外，兩種混凝土在硫酸溶液中的腐蝕性要高于在鹽酸溶液中的腐蝕性。

3 PA混凝土在酸性溶液中質量損失率對比

為進一步對比分析普通混凝土與經(jīng)過PA改良后的混凝土在酸溶液中的質量損失，表4中給出了普通硅酸鹽混凝土與PA混凝土塊的未浸泡前質量，以及分別浸泡在酸溶液中不同天數(shù)后的質量平均值。由表4可知，兩種混凝土在酸溶液中浸泡之后，質量都隨浸泡天數(shù)逐漸減少。在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質量由8.71 kg降低至8.44 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，質量降低至8.10 kg。而對于PA混凝土，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，質量由7.84 kg降低至7.76 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，質量降低至7.58 kg。

表4 浸泡與未浸泡的混凝土塊質量損失

將浸泡在鹽酸與硫酸中7、14、28 d后的質量損失率分別繪制于圖6與圖7中。

圖6 HCl溶液中質量損失百分比

圖7 H2SO4溶液中質量損失百分比

由圖6可知，PA混凝土的質量損失率明顯低于普通混凝土，且在鹽酸中的損失速率也低于普通混凝土。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土質量損失1.38%，PA混凝土損失0.51%；在浸泡14 d后，普通混凝土質量損失1.95%，PA混凝土損失0.64%；在浸泡28 d后，普通混凝土質量損失3.1%，PA混凝土損失1.02%。由圖7可知，在硫酸溶液中浸泡7 d后，普通混凝土質量損失4.59%，PA混凝土損失1.4%；在浸泡14 d后，普通混凝土質量損失6.08%，PA混凝土損失2.55%；在浸泡28 d后，普通混凝土質量損失7%，PA混凝土損失3.3%。此外，兩種混凝土在硫酸中溶液中的質量損失率要高于在鹽酸溶液中的質量損失。

4 結 論

本文為研究PA改良混凝土的耐腐蝕性能，以傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土為參照物，分析了PA改良混凝土在不同酸性環(huán)境下的強度、質量損失，結論如下：

1)硫酸溶液對普通混凝土與PA混凝土的腐蝕性要高于鹽酸溶液的腐蝕性，但PA混凝土在兩種酸溶液中的強度明顯高與普通混凝土。其中，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土強度損失20.7%，PA混凝土僅損失18.4%；而在硫酸溶液中，普通混凝土強度損失58.9%，PA混凝土僅損失25.3%。

2)兩種混凝土在硫酸溶液中的質量損失率要高于在鹽酸溶液中的質量損失。但PA混凝土的質量損失率明顯低于普通混凝土。其中，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質量損失3.1%，PA混凝土僅損失1.02%；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質量損失7%，PA混凝土僅損失3.3%。