脱硫石膏现浇墙体材料对钢筋锈蚀性研究

2014-09-17邓国志田稳苓

河北工业大学学报 2014年2期

慕儒，邓国志，田稳苓

（河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

0 概述

随着环保意识的增强，脱硫石膏作为一种新兴材料被越来越广泛的应用于建筑领域．我国是脱硫石膏的生产大国，每年约产出脱硫石膏8 750万t（1亿零300万m3）．这些脱硫石膏的囤积不仅占用土地资源，其不合理处理还会对生态环境造成严重破坏．鉴于此，我国在“十一五”规划中将脱硫石膏的利用正式提上日程，由此开启了我国脱硫石膏综合利用的新篇章．

脱硫石膏作为墙体材料也成为近年来脱硫石膏应用方向的一个重点课题，如果能够实现，将为我国脱硫石膏的消耗提供一条新途径．济南大学黄伟，王晓波等人将脱硫石膏在165℃下炒制得到的脱硫石膏粉作为主要材料，通过掺加一定量的水泥、粉煤灰等所得的复合材料墙体，不但强度得到保证，而且在防水性能，防止裂缝产生方面都有很好的效果[1]．

脱硫石膏含水量高（10%～15%），水化后内部孔隙率大，且偏酸性[2-4]，如用作现浇填充墙体材料，无可避免地直接或间接与钢筋接触，其酸性有可能导致钢筋锈蚀．本文测试了脱硫石膏对钢筋的锈蚀性，并通过一系列方法对脱硫石膏材料改性，防止对钢筋的锈蚀．

1 脱硫石膏对钢筋的锈蚀

钢筋混凝土是当前用量最大的建筑材料之一，水泥水化后的主要成分为水化硅酸钙，呈碱性，对钢筋不存在锈蚀作用，相反，钢筋在碱性环境中表面形成钝化膜，钝化膜可有效防止锈蚀作用的发生[5]．而脱硫石膏内部环境偏酸性，其中的钢筋表面无法形成钝化膜，可能发生锈蚀．

脱硫石膏对钢筋的锈蚀作用，尚未见相关实验研究报导．本文通过失重法对其进行试验验证．

1.1 钢筋锈蚀试验方法

钢筋锈蚀检测的方法分为电化学检测与物理检测两类．电化学检测方法有自然电位法、流阻抗普法、电流阶跃法和线性极化法；物理方法有失重法、电阻棒法、射线法、冲击回波法、超声波检测法等[6]．失重法是最常用的钢筋锈蚀测定方法之一，也是本试验采用的方法，这种方法具有操作方便、信息量大、经济实用的优点．

试验材料：脱硫建筑石膏、熟石灰、直径6mm的光圆钢筋、盐酸、饮用水．

试验设备：pH值测定仪、天平、搅拌器．

1.2 试验结果

钢筋在纯石膏构件与水泥砂浆试件中钢筋的锈蚀量如表1所示．从表1可以看出，石膏中钢筋的锈蚀程度随龄期的增长有一个明显的增长，且锈蚀程度大于水泥砂浆，锈蚀180d时石膏中钢筋的锈蚀量是水泥砂浆的4倍多．

表1 钢筋在脱硫石膏与水泥砂浆锈蚀量Tab.1 Thecorrosion quantity of bar in desulfurization gypsum and cement mortar materials

2 脱硫石膏的钢筋锈蚀改性

钢筋锈蚀对结构危害巨大，逐渐降低结构（构件）的承载能力，最终导致结构失效破坏，而且结构破坏形态可能为脆性突然破坏，导致伤亡事故[7]．若使用脱硫石膏作为墙体材料，必须采取有效措施改变其对钢筋的锈蚀性能．

2.1 脱硫石膏改性措施

脱硫石膏对钢筋的锈蚀主要是因为其成份为强酸弱碱盐，pH值较低，使钢筋易发生锈蚀．研究表明，当pH值达到12.5～13.2时，钢筋不易锈蚀，而低于11.5时，锈蚀则会发生[6]．实验测试表明，脱硫石膏溶液的pH值低于10．为此，拟通过添加一定比例的熟石灰（Ca(OH)2）调节脱硫石膏内部酸碱环境．

2.2 熟石灰用量的确定

在脱硫石膏中添加熟石灰可以显著提高pH值，熟石灰用量以控制pH值达到12.5、对钢筋无锈蚀性为准．试验中，按照按照水∶灰（石膏+熟石灰）=10∶1的比例，将脱硫石膏和熟石灰配制成浆液，搅拌15min，使脱硫石膏和熟石灰溶解，之后用滤纸过滤后得到试验用的浆液，浆液静置2 d后进行pH值测定，pH值采用pH值测定仪进行．调整石灰的掺入量，得到不同石灰添加量下的浆液pH值，共计20组，结果如图1所示，并进行pH值-熟石灰掺量关系二次曲线拟合（式 (1)、图1）．之后根据拟合曲线确定石灰添加量．

式中：Y为pH值；X为灰膏比．

从图1可以看出，浆液的pH值随着石灰添加量的增大而增大，灰膏比2%～7%时pH值增速快，当灰膏比大于7%时，增速有所减缓；当灰膏比达到11.5%时，浆液的pH值已经基本停止增长，原因可能是此时熟石灰达到饱和．

图1 石膏-石灰溶液pH值测定Fig.1 pH valuedetermination of gypsum-limesolution

2.3 锈蚀实验

根据确定的灰膏比（ /）进行锈蚀实验，试验中，选用直径6 mm的光圆钢筋，用砂纸打磨除掉钢筋表面的杂质，再放在浓度12%的盐酸溶液中进行酸洗，而后浸泡在石灰水中中和，之后在烘箱中烘烤4h后取出，预埋在100 mm×100 mm×400 mm的立方体试块中，预埋前记录钢筋质量，预埋位置如图2所示．

试块经指定天数（30 d，60 d，90 d，180 d）的自然养护后破型，取出钢筋进行打磨、酸洗、中和、烘烤处理后称取质量，前后质量的差值即为钢筋锈蚀量．每个试件中3根钢筋锈蚀量的平均值为该构建对钢筋的锈蚀量（舍去误差超过平均值10%的数据）．试件灰膏比为4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%，以纯脱硫石膏（ /=0）试件与水泥砂浆（POM）试件作为对比试件，试验结果如图3所示．

从图3可以看出：1）钢筋的锈蚀量随灰膏比的增大而减小；2）钢筋锈量蚀随时间推移而增大；3）灰膏比达到9.7%与11.5%的试件和水泥砂浆试件中钢筋的锈蚀量接近．另外，灰膏比为11.5%试件对钢筋的锈蚀程度甚至还小于水泥砂浆试件．从pH值的角度分析，添加石灰至pH值达到12.5～13的范围时可有效防止钢筋锈蚀的发生，这也印证了之前的结论．

图2 试件钢筋位置示意图Fig.2 Sketch map of bar

3 石灰对石膏其它性能的影响

3.1 力学试验

分别对石灰/石膏（ /）为4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%配比的试件进行力学性能测试，并与纯石膏的力学性能进行对比．试验方法参照《建筑石膏力学性能的测定》GB/T 17669.3-1999，试件水固比为55%，温度20±2℃，自然养护，养护龄期为7 d和28 d，试验结果如表2所示．

石膏抗压、抗折强度试验结果如图4所示，强度呈现先增大后减小的变化，当灰膏比为5.7%时无论是抗压强度还是抗折强度均达到最大值，较纯石膏分别提高了20%～30%；而随着石灰添加量的增大，抗压抗折强度大幅下降，当达到9.7%时，强度基本与纯石膏强度相当；达到11.5%时，强度普遍低于纯石膏试件．

随着养护龄期的增加，石膏的强度随之增大，一般情况下28 d强度较7 d强度提高30%～60%．当灰膏比为5.7%时，与7 d时的强度相比，28 d时的抗压强度提高38.5%，抗折强度提高50.7%．

抗折试验中还观察到，当设定加载速度为5 N/s时，试块破坏后断面平滑，当达到极限承载力时突然断裂，属于脆性破坏，如图5．抗压试验中，当加载速度为7N/s时，试块受压区边缘表面的石膏先行脱落，裂缝向内侧发展，后来逐渐发展直至形成通缝，试块完全破坏，裂缝发展情况如图6．

脱硫石膏抗折试验时所表现出的脆性破坏，是因为脱硫石膏自身脆性与强度低造成的；抗压试验时，试件受上下方压力作用，侧面自由，受压处材料向下移动，受压面处材料产生侧向膨胀，材料内部的不均匀位移导致微裂缝的产生，而裂缝的发展方向是偏向受压区内侧的，随压力增大，裂缝继续发展直到试件破坏．

3.2 原理分析

脱硫石膏水化后的晶格呈短柱状或针状，这类晶格不利于抵抗外力，且晶格间存在大量孔隙，进而导致脱硫石膏力学性能不理想．在石膏中加入适量的熟石灰，熟石灰容易与空气中二氧化碳反应生成难容物碳酸钙，碳酸钙析出后填补了脱硫石膏中的孔隙，包络住脱硫石膏柱状晶格，使晶格直径增大，从而导致脱硫石膏强度增大；而当过多石灰晶体析出时，石膏内部的链接形式由石膏晶格连接为主转变为碳酸钙晶体连接为主，而析出物碳酸钙粘结能力较弱，这便导致了脱硫石膏试件强度的下降．

表2 脱硫石膏试件抗压、抗折强度Tab.2 Compressive and flexural strength of desulfurization gypsum specimen

图3 石灰-石膏试件中钢筋锈蚀量Fig.3 Lime-gypsum specimen of reinforcement corrosion

图4 脱硫石膏试件抗压、抗折强度Fig.4 Compressiveand flexural strength of desulfurization gypsum specimen

4 锈蚀机理的探讨

与混凝土中钢筋锈蚀机理相似，脱硫石膏中钢筋的锈蚀也属于电化学腐蚀，徐慧珠等指出当pH值在4～11.5范围内发生吸氧腐蚀，大于11.5发生析氢腐蚀，钢筋发生锈蚀应当具备3个条件：1）钢筋表面存在电位差；2）钢筋表面钝化膜破坏；3）钢筋表面存在锈蚀所需的水和溶解氧[5]．

脱硫石膏的pH值约为6.8，钢筋在石膏中不会生成钝化膜；脱硫石膏粒径分布集中在40～110 m之间，颗粒呈短柱状[8]，水化后内部存在较多孔隙，利于水分和空气存留，也为钢筋的锈蚀提供了条件．

石灰主要成分为Ca(OH)2，呈强碱性，加入石膏中主要是改变了石膏内部的酸碱环境，为钢筋提供了较好的碱性环境，使之生成钝化膜，进而防止了锈蚀的发生．另一方面，石灰粉粒径较细，一般在10 m以内[9]，在石膏水化过程中石灰充分填充石膏中的孔隙，使之更加密实，有效减少了导致钢筋锈蚀的水分和氧气．因此，添加一定量的石灰有助于防止脱硫石膏内钢筋的锈蚀．