不同酸性环境对砂浆物理力学性能影响研究

董亚丽DONG Ya-li

（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 404100）

（China Rai1way 17th Bureau Group No.4 Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China）

0 引言

随着国民经济的飞速发展，环境的污染、恶化对混凝土结构的腐蚀日趋严重，导致混凝土结构的耐久性、强度和安全性大大降低，也使企业和国家蒙受巨大的经济损失。混凝土是对酸性环境较为敏感的碱性或弱碱性材料。酸类腐蚀对于混凝土结构和性能的危害在众多工程实践中已得到验证。在国内，存在混凝土被酸类腐蚀的现象主要出现在沿海和内陆地区，被腐蚀的大都是厂房、大坝、隧道、桥梁等结构物，由此造成的安全隐患是巨大的。众所周知，混凝土的主要成分是砂浆，因此业界一般将水泥砂浆作为研究混凝土结构物耐酸性能的主要材料。笔者将通过试验研究不同酸性环境中水泥砂浆的物理学性能，以期掌握混凝土结构物的耐酸性能，用以指导工程实践。

1 试验原材料与实验方法

1.1 试验原材料

水泥：葛洲坝水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥(OPC)和高抗硫酸硅酸盐水泥(SRPC)；碎石：5～25mm连续级配石灰石质碎石；减水剂：上海马贝建筑材料有限公司生产的减水率为25%～30%SX-C16型聚羧酸高效减水剂；河砂：细度模数为2.7的河砂。

1.2 试验方法

在验过程中水泥砂浆试件尺寸为40mm×40mm×160mm，每种配合比做6个试件。试件在标准养护室养护24h后浸入自来水中再进行为期28d的养护（自来水恒温20℃）。28d后将试块取出，将饱和面晾干对其初始质量施测。而后浸入不同的酸性溶液中施测，每天搅动使溶液均匀，溶液每隔2d调试一次pH值至初始值，每4d换一次，试块周围侵蚀环境相同。观测砂浆表观形貌变化、测其质量和强度值等参数。

采用普通硅酸盐水泥（OPC）和高抗硫酸硅酸盐水泥(SRPC)制作的砂浆（砂浆的配合比见表1）在pH=1、pH=2、pH=3和pH=4的硝酸环境下进行腐蚀试验，研究不同pH值对于砂浆物理力学性能的影响；用pH=1硫酸以及硫酸钠溶液对砂浆进行侵蚀试验，其中硫酸溶液中m(SO42-)≈4800mg/L，而硫酸钠溶液中m(SO42-)≈28800mg/L，研究强酸性环境中不同硫酸根离子浓度对砂浆性能变化影响。

表1 砂浆配合比（kg/m3）

2 溶液pH值对耐酸性能影响

2.1 表观形貌变化

在pH=1和pH=2的硝酸溶液中浸泡56d后的OPC砂浆表面及断面情况见图1和图2。将砂浆表面易剥落物质刷除后以及被酸类腐蚀后的形貌如图3和图4所示。

在图1只能看出颜色上的差异，而从图2可以清楚看出砂浆在pH=1硝酸溶液侵蚀后，砂浆变化较大，根据颜色特点可将砂浆分为三部分，最外层只残留一层疏松易剥落的物质附着在基体表面，在pH=1的硝酸中浸泡14d后，OPC和SRPC砂浆表面的残留物质并未自动剥落，剥落前后砂浆的外貌如图3所示。

图1 pH=2(左)和pH=1溶液中OPC砂浆表观

图2 pH=2(左)和pH=1溶液中OPC砂浆断面

图3 刷除表面易剥落物质后外貌(右)

图4 二种水泥砂浆侵蚀后(OPC→SRPC)

表2 不同pH值时OPC砂浆质量变化

表3 不同pH值时SRPC砂浆质量变化

2.2 砂浆的质量变化

测量不同pH值酸溶液中，不同龄期砂浆质量损失。表2与表3为砂浆在不同pH值酸性溶液中的质量变化。

由表2与表3的质量损失数据可以看出，pH值随着酸性增强而逐渐减小，两种砂浆的质量损失急剧增加；在pH=1和pH=2时，随着侵蚀时间的增加砂浆的质量不断损失，当84天后pH=1的质量损失已超过25%，pH=2质量损失超过8%；而在pH=3和pH=4时，短期内砂浆的质量没有明显的变化；在酸性环境中，OPC砂浆比SRPC砂浆耐酸性稍强。

2.3 砂浆的强度变化

砂浆自身的性能及试块表面状态会影响其抗折强度。另外，仪器的型号和性能也可能使抗折强度无规律地大幅波动，笔者在本文中仅以砂浆的抗压强度作为砂浆耐酸性能的表征参数。笔者取OPC砂浆与SRPC砂浆分别置于pH值不同的酸性溶液中，设定不同的时间段，以研究二者的抗压强度。试验结果见图5、图6。

根据图5、图6得知，在不同pH值的酸性溶液中，两类砂浆的强度、抗腐蚀性等性能的变化速率大不相同。当硝酸溶液pH=1时，两种砂浆强度下降很快，在经历56天的侵蚀后强度已分别损失53.9%和55.5%；当硝酸溶液pH=2时，砂浆强度经历了由增长到衰退的趋势，表现出酸性环境中材料一般的变化规律；当硝酸溶液pH=3时，相对砂浆试块的侵蚀速率较慢；当硝酸溶液pH=4时，溶液在测试龄期内，酸腐蚀速率最慢，砂浆强度基本不变。

3 溶液硫酸根离子浓度对耐酸性能影响

采用pH=1硫酸以及硫酸钠溶液对普通硅酸盐水泥砂浆和高抗硫酸盐水泥砂浆进行侵蚀试验，其中硫酸溶液中m(SO42-)≈4800mg/L，而硫酸钠溶液中m(SO42-)≈28800mg/L，研究强酸性条件下不同硫酸根离子浓度对砂浆材料的腐蚀程度。

3.1 砂浆的质量变化

图5 不同pH时OPC砂浆强度变化

图6 不同pH时SRPC砂浆强度变化

图7 硫酸溶液中砂浆质量变化

图8 酸性硫酸钠溶液中砂浆质量变化

测量砂浆在不同龄期侵蚀后质量，算得的变化率如图7和图8所示。

由图7和图8中砂浆的质量变化可以得出：随着侵蚀时间的增加，两种环境下砂浆的质量都在减小；在硫酸钠溶液中，砂浆质量都一直处于减小的状态，而硫酸溶液中，早期砂浆质量会稍许增长，这是因为硫酸溶液中含有大量硫酸根离子，氢离子腐蚀砂浆后使其释放出的Ca2+与外界的SO42-结合生成CaSO4·2H2O沉淀并在砂浆表面附着，使砂浆质量快速增加，随着腐蚀程度加深，在内部生成的CaSO4·2H2O由于体积增大而产生膨胀应力。一旦膨胀应力大于其受到的束缚作用力，就会使砂浆表面出现裂缝，表面的物质自动剥落，极大的破坏了砂浆的质量；经历91天侵蚀后，硫酸溶液中砂浆质量损失在5%左右，而强酸性硫酸钠溶液中，砂浆通常会有20%的质量损失，强酸性硫酸钠溶液对砂浆的腐蚀性较严重。

3.2 砂浆的强度变化

测量砂浆在不同龄期侵蚀后的抗压强度，算得的强度变化率如图9和图10所示。

由图9和图10中砂浆的强度变化率可以得出：在两种强酸性溶液中，OPC砂浆与SRPC砂浆抗压强度快速下降。90d内强度损失在35%以上；两种砂浆在硫酸钠溶液中浸泡42d后，砂浆表面沙砾严重裸露，强度损失基本在40%以上，大大影响了后期砂浆强度的测验；OPC砂浆表现出比SRPC砂浆好的耐酸性能。

4 结论

图9 硫酸溶液中砂浆强度变化

图10 强酸性硫酸钠溶液中砂浆强度变化

①在pH=1的酸液中，OPC砂浆与SRPC砂浆在酸性溶液中浸泡56d后，强度损失均已超过50%。而在pH=4的溶液在测试龄期内，砂浆的强度未表现出下降的趋势。说明溶液pH值对水泥砂浆物理力学性能劣化影响有很大影响，随酸性的增强砂浆性能劣化速率加剧。

②试验中，pH=1的溶液SO42-浓度为4800mg/L时，SO42-不加剧腐蚀速率，反而因生成的二水石膏在表面的聚集，而具有暂时的保护作用；而SO42-浓度高时（约28800mg/L），H+与SO42-共同作用加剧砂浆劣化速率。故硫酸根离子浓度较高时对砂浆的腐蚀性较强。

③试验中OPC砂浆与SRPC砂浆在不同的酸性环境下，基本表现出相同的腐蚀特性，OPC砂浆整体耐酸性能稍强于SRPC砂浆。

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