張濟(jì)寧

(法庫縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 法庫 110400)

混凝土中的水泥石與硫酸鹽溶液發(fā)生中和反應(yīng)，該腐蝕過程具有一定代表性，并且硫酸鹽侵蝕具有設(shè)計(jì)簡單、可操作性好等特點(diǎn)[1-2]。因此，本文利用硫酸鹽溶液侵蝕水泥膠砂試樣，探討了摻硅粉及粉煤灰的水泥膠砂的抗腐蝕性能，并進(jìn)一步揭示了其作用機(jī)理，研究成果可為優(yōu)化設(shè)計(jì)侵蝕環(huán)境下的混凝土配合比提供一定借鑒。

表1 水泥膠砂配合比

1 試驗(yàn)方案

1.1 膠砂配合比

水泥選用鐵新牌P·O 42.5級中熱硅酸鹽水泥，實(shí)測28 d抗壓強(qiáng)度47.2 MPa；粉煤灰、礦粉選用鐵嶺電廠Ⅰ級粉煤灰和鑫廣源S95級磨細(xì)礦粉，細(xì)骨料為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，拌和水用自來水。根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》相關(guān)規(guī)定合理設(shè)計(jì)7組膠砂配合比，如表1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)空白對照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d試件、Na2SO4溶液浸泡90 d試件和基準(zhǔn)強(qiáng)度膠砂試件各1組，7種膠砂配合比共計(jì)21組，每組試件3個(gè)，成型尺寸均為160 mm×40 mm×40 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

首先，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d的試件取出擦去表面水分至面干狀態(tài)，立即稱重并測定抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)值，即J0、F10、F20、F30、K5、K10、F10K5膠砂試件的90d強(qiáng)度依次為54.8 MPa、48.1 MPa、44.0 MPa、37.6 MPa、60.2 MPa、69.5 MPa、55.7 MPa。然后，在含有清水養(yǎng)護(hù)盒及硫酸鹽侵蝕溶液盒中裝入膠砂試件，加蓋后置于水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，設(shè)定恒溫20±1℃，待養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后取出，擦干后稱量試件質(zhì)量，并采用酚酞試劑噴灑試件抗折新鮮斷面，穩(wěn)定顯色后將各邊中點(diǎn)處中性化深度用游標(biāo)卡尺測量，多次測量取平均值，精度達(dá)到0.01 mm。為保持溶液pH值處于5.0±0.1的穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)過程中用酸度計(jì)測量pH值，并及時(shí)更換侵蝕溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1 單摻的質(zhì)量損失率

(1)

各組質(zhì)量損失率取1組3個(gè)試件的平均值，水泥膠砂質(zhì)量測試結(jié)果如表2，粉煤灰摻量與質(zhì)量損失率、膠砂強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖1。

圖1 粉煤灰摻量與質(zhì)量損失率、強(qiáng)度的關(guān)系圖

經(jīng)計(jì)算，J0、F10、F20、F30、K5、K10、F10K5膠砂試件的質(zhì)量損失率依次為0.78%、0.72%、0.05%、0.02%、0.19%、0.07%。

表1 水泥膠砂質(zhì)量

從圖1可以看出，水泥膠砂強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加近似呈線性減小趨勢，粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)的膠砂強(qiáng)度為37.6 MPa，只有基準(zhǔn)組的68.6%，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90%時(shí)膠砂強(qiáng)度受粉煤灰的不利影響非常顯著。膠砂質(zhì)量損失率隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先快速減小后增大的變化趨勢，摻量為20%時(shí)的質(zhì)量損失率達(dá)到最小值0.05%，粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí)的質(zhì)量損失率有所增大，但仍小于基準(zhǔn)組。通過對比粉煤灰摻量與質(zhì)量損失率、強(qiáng)度變化關(guān)系可知，在強(qiáng)度減小的條件下質(zhì)量損失率并未明顯增大，并表現(xiàn)出一定的下降趨勢。研究表明，對摻粉煤灰組膠砂的抗腐蝕性能而言，以質(zhì)量損失率作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)基體強(qiáng)度并不起主導(dǎo)作用。

圖2 硅粉摻量與質(zhì)量損失率、強(qiáng)度的關(guān)系圖

硅粉摻量與質(zhì)量損失率、膠砂強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖2。從圖2可以看出，水泥膠砂強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加近似呈線性增大趨勢，硅粉摻量達(dá)到10%時(shí)的膠砂強(qiáng)度為69.5 MPa，為基準(zhǔn)組的126.8%，摻硅粉能夠顯著提高膠砂強(qiáng)度。膠砂質(zhì)量損失率隨硅粉摻量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，摻量為5%時(shí)的質(zhì)量損失率達(dá)到最小值0.02%，硅粉摻量達(dá)到10%時(shí)的質(zhì)量損失率有所增大，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)組。通過對比硅粉摻量與質(zhì)量損失率、強(qiáng)度變化關(guān)系可知，硅粉摻量為5%時(shí)的質(zhì)量損失率與強(qiáng)度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，硅粉摻量達(dá)到10%時(shí)質(zhì)量損失率與強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，特別是硅粉摻量10%能夠大幅度提高基體強(qiáng)度，且質(zhì)量損失率表現(xiàn)出一定的增加趨勢。研究認(rèn)為，對摻硅粉組膠砂的抗腐蝕性能而言，以質(zhì)量損失率作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)基體強(qiáng)度也不起主導(dǎo)作用。

2.2 單摻中性化深度

經(jīng)測試J0、F10、F20、F30、K5、K10膠砂試件受硫酸鹽侵蝕90 d后的中性化深度依次為0.35 mm、0.35 mm、0.45 mm、0.62 mm、0.36 mm、0.82 mm，摻合料摻量與中性化深度、強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖3。

圖3 單摻摻量與中性化深度、強(qiáng)度的關(guān)系圖

從圖3(a)可以看出，膠砂中性化深度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢，粉煤灰摻量達(dá)到為10%的膠砂中性化深度與基準(zhǔn)組相同，摻量達(dá)到30%時(shí)的膠砂中性化深度增大至0.62 mm，較基準(zhǔn)組明顯增加，較高的粉煤灰摻量不利于水泥膠砂抗腐蝕性能的改善。通過對比不同粉煤灰摻量的膠砂中性化深度和強(qiáng)度變化趨勢可知，中性化深度與膠砂程度存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即膠砂強(qiáng)度越大則中性化深度越小。結(jié)合前文分析結(jié)果，隨粉煤灰摻量增大中性化深度增加，而質(zhì)量損失率較小，仍需進(jìn)一步分析其作用機(jī)理。

從圖3(b)可以看出，膠砂中性化深度隨硅粉摻量的增加呈現(xiàn)出明顯增大趨勢，硅粉摻量達(dá)到10%時(shí)的膠砂中性化深度為0.82 mm，較基準(zhǔn)組明顯增大，較高的硅粉摻量不利于水泥膠砂抗腐蝕性能的改善。通過對比不同硅粉摻量的膠砂中性化深度和強(qiáng)度變化趨勢可知，硅粉摻量與中性化深度、膠砂強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，隨粉煤灰摻量增大中性化深度和較強(qiáng)強(qiáng)度均表現(xiàn)出增大趨勢。研究表明，對摻硅粉組膠砂的抗腐蝕性能而言，以中性化深度作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)基體強(qiáng)度也不起決定作用。

2.3 雙摻的質(zhì)量損失與中性化深度

根據(jù)單摻試驗(yàn)結(jié)果可知，5%硅粉摻量和10%粉煤灰摻量時(shí)，可以明顯改善水泥膠砂的中性化深度和質(zhì)量損失率參數(shù)值。因此，配制10%粉煤灰+5%硅粉總摻量15%的水泥膠砂試樣，經(jīng)測試F10K5組的中性化深度0.42 mm、質(zhì)量損失率0.07%，繪制F10K5、K5、F10組的中性化深度和質(zhì)量損失率、強(qiáng)度對比圖，如圖4。

(a)質(zhì)量損失率與強(qiáng)度的關(guān)系圖 (b)中性化深度與強(qiáng)度的關(guān)系圖圖4 雙摻的質(zhì)量損失率、強(qiáng)度與中性化深度

從圖4可看出，基準(zhǔn)組膠砂強(qiáng)度與F10K5組基本相同，雙摻粉煤灰與礦粉的膠砂質(zhì)量損失率明顯減小，但中性化深度明顯增大，對于改善水泥膠砂的抗腐蝕性能作用并不明顯。通過對比F10K5、K5、F10組的中性化深度和質(zhì)量損失率關(guān)系，發(fā)現(xiàn)單摻時(shí)中性化深度均低于F10K5雙摻時(shí)對應(yīng)的參數(shù)值，這表明雙摻硅粉與粉煤灰時(shí)對改善水泥膠砂抗腐蝕性能的超疊加效應(yīng)不明顯。

2.4 硅粉及粉煤灰的作用機(jī)理

將粉煤灰摻入水泥膠砂中，其發(fā)揮著補(bǔ)充集料系統(tǒng)級配的作用，該條件下粉煤灰具有“微集料效應(yīng)”[3-4]。具體而言，遇水后粉煤灰中的SiO2、Al2O3等組分并不能自行硬化，而是水泥水化生成的Ca(OH)2與粉煤灰中的SiO2、Al2O3組分相結(jié)合生成C-S-H凝膠材料，從而發(fā)揮粉煤灰的活性也就是“火山灰效應(yīng)”，即二次水化反應(yīng)。維持凝膠材料總量不變的情況下，采用粉煤灰等量替代水泥，這使得膠砂中的水泥用量及其水化生成的Ca(OH)2總量減少，而摻入的粉煤灰二次水化也會消耗一定量的Ca(OH)2，Ca(OH)2數(shù)量減少也就代表著pH的下降，砂漿內(nèi)部堿度下降導(dǎo)致中性化深度有所增加。

一般地，硅粉具有微集料和火山灰的雙重效應(yīng)。水泥水化生成的Ca(OH)2與硅粉中的無定型SiO化合生成穩(wěn)定的C-S-H凝膠，加之硅粉顆粒集料可以發(fā)揮填充水化產(chǎn)物的作用，有利于改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu)[5-6]。水泥和硅粉同時(shí)遇水時(shí)，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2短時(shí)間內(nèi)即與硅粉發(fā)生二次反應(yīng)生成C-S-H凝膠體，這既增加C-S-H凝膠體又消耗了水泥砂漿的Ca(OH)2，并且生成的C-S-H可以填充水泥水化生成C-S-H凝膠孔隙，從而增大內(nèi)部密室度，這也是摻5%硅粉能夠改善砂漿質(zhì)量損失率的主要原因[7]。隨著硅粉摻量的不斷增大，改善水泥砂漿抗腐蝕性作用逐漸減弱，這是由于硅粉摻量越高則消耗的Ca(OH)2越多，膠砂內(nèi)部的堿性儲備度下降，該條件下的堿度明顯降低，水泥水化產(chǎn)物逐漸被消耗萬，并使得中性化深度和質(zhì)量損失呈上升趨勢。

試驗(yàn)表明[8-9]，混摻兩種比表面積不同的摻合料時(shí)可以進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)化內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，優(yōu)化顆粒級配，例如硅粉與粉煤灰的混摻可以發(fā)揮兩種摻合料復(fù)合的超疊加效應(yīng)，這與文中研究結(jié)果有所不同。深入分析，可能是由于雙摻粉煤灰與硅粉時(shí)使得摻合料總量過大，即按最優(yōu)摻量混摻硅粉與粉煤灰時(shí)使得膠砂中的Ca(OH)2減少過多，即超疊加效應(yīng)的正作用低于由此所帶來的負(fù)作用，也可能與其它因素有關(guān)，對此仍需開展深入研究[10-16]。

3 結(jié)語

(1)受硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，水泥膠砂質(zhì)量損失率隨粉煤灰摻量的增加呈減小趨勢，粉煤灰摻量越高則中性化深度越大，摻量達(dá)到10%時(shí)能夠明顯改善抗腐蝕性能；受硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，水泥膠砂質(zhì)量損失率隨硅粉摻量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，礦粉摻量越高則中性化深度越大，摻量為5%時(shí)能夠明顯改善抗腐蝕性能。

(2)雙摻硅粉與粉煤灰時(shí)對改善水泥膠砂抗腐蝕性能的超疊加效應(yīng)不明顯，膠凝材料組成是決定摻加摻合料水泥砂漿抗腐蝕性能的主導(dǎo)因素，而非強(qiáng)度。