硫铝酸盐水泥混凝土抗高浓度硫酸镁侵蚀性能研究

2015-12-21刘向楠唐新军苏建彪张傲齐

水利与建筑工程学报 2015年5期

刘向楠，唐新军，苏建彪，张涛，张傲齐

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)

环境侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一。新疆特殊的地理、环境条件，使得南疆部分干旱多盐碱地区混凝土建筑物常遭受高浓度硫酸盐、镁盐双重侵蚀破坏[1－3]，如新疆岳普湖县节水改造工程中的卡纳渠衬砌混凝土就遇到表1所示的高浓度硫酸盐、镁盐双重侵蚀问题。该工程地下水和土壤中SO42－、Mg2+浓度都达到了《混凝土结构耐久性设计规范》[4](GB/T 50476 －2008)中非常严重侵蚀环境等级。通过试验研究发现，针对这种高浓度双重侵蚀环境，采用普通硅酸盐水泥大掺量粉煤灰拌制的高性能混凝土也很难抵抗其侵蚀破坏[5－9]。为此，本文依据表1所列该工程实测 SO42－、Mg2+浓度，配制几种不同浓度组合的双重侵蚀溶液，采用低碱、早强的硫铝酸盐水泥制成胶砂试件，进行抗侵蚀试验，寻求抵抗高浓度硫酸盐、镁盐双重侵蚀的可行方法，为解决同类工程问题提供参考。

表1 卡纳渠侵蚀性离子浓度检测结果

1 试验原材料和试验方法

1.1 试验原材料

水泥:唐山42.5快硬硫铝酸盐水泥(SAC)，化学成分及物理性能指标见表2、表3;

减水剂:北京海马科技有限公司生产聚羧酸高效减水剂(液体，浓度23%);

缓凝剂:分析纯硼酸;砂:ISO标准砂;水:去离子水，自来水。

表2 硫铝酸盐水泥化学成分

表3 硫铝酸盐水泥物理性能指标

1.2 试验方法

(1)参照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》[10](GB/T749－2008)中“浸泡抗蚀性能试验方法”(K法)，制作尺寸为10 mm×10 mm×60 mm的水泥胶砂试件，具体配合比见表4。试件8 h拆模，淡水养护3 d后进行侵蚀试验，侵蚀溶液浓度见表5。侵蚀试验时间为15个月，每隔2个月取出一组试件进行抗折强度试验，并计算抗蚀系数K。

表4 胶砂试件试验配合比

表5 侵蚀溶液浓度

抗蚀系数K按下式计算:

式中:K为抗蚀系数;R液为试件在侵蚀溶液中浸泡到规定龄期时的抗折强度;R水为试件在去离子水中养护到规定龄期时的抗折强度。

当抗蚀系数K＜0.8时认为胶砂试件抗侵蚀性能不合格，丧失抗侵蚀能力。

(2)利用扫描电子显微镜(SEM)对试件内部孔隙、胶砂界面过渡区和试件表面侵蚀层等部位进行微观观测，并利用能谱仪(EDS)对侵蚀产物进行成分分析。

2 试验结果与分析

2.1 硫铝酸盐水泥抗侵蚀试验结果

水泥胶砂试件各龄期抗折强度R及抗蚀系数K测试结果见表6。

2.2 硫铝酸盐水泥胶砂试件抗侵蚀性能分析

2.2.1 不同侵蚀溶液浓度条件下硫铝酸盐水泥胶砂试件抗侵蚀性能分析

硫酸镁侵蚀溶液中，镁离子浓度(〔Mg2+〕=15 200 mg/L)一定，改变硫酸根离子(SO42－)浓度，分析硫铝酸盐水泥胶砂试件抗侵蚀性能的变化规律。

当硫酸镁侵蚀溶液中硫酸根离子浓度为〔SO42－〕=8 000 mg/L和〔SO42－〕=20 250 mg/L时，试验组SAC－1、SAC－2外观完整，无明显侵蚀破坏特征且抗蚀系数均保持在1.0以上。说明硫铝酸盐水泥胶砂试件可以抵抗〔SO42－〕≤20 250 mg/L、〔Mg2+〕=15 200 mg/L的硫酸盐、镁盐双重侵蚀破坏。侵蚀溶液R1、R2中试件外观见图1(a)，抗蚀系数随龄期变化曲线见图2(图例表示侵蚀溶液浓度〔SO42－〕/〔Mg2+〕，mg/L)。

表6 水泥胶砂试件各龄期抗折强度R及抗蚀系数K

图1 侵蚀溶液R2、R4中龄期10个月试验组SAC－1试件外观

图2 侵蚀溶液R1、R2中试验组SAC－1、SAC－2抗蚀系数随龄期变化曲线

进一步提高硫酸镁侵蚀溶液中硫酸根离子(SO42－)浓度，观察发现，试验组 SAC －1、SAC －2表面起砂、掉渣掉角，出现不同程度的剥蚀破坏，见图1(b)。当〔SO42－〕=60 000 mg/L时，试验组SAC－1(水胶比0.3)侵蚀后期(龄期15个月)抗蚀系数略有下降趋势;试件组SAC－2(水胶比0.5)龄期8个月后抗蚀系数呈下降趋势，龄期15个月抗蚀系数K=0.77，丧失抗侵蚀能力。当〔SO42－〕=90 000 mg/L时，试验组 SAC－1、SAC－2抗蚀系数均呈明显下降趋势，龄期15个月试验组SAC－1抗蚀系数 K=0.79;试验组 SAC－2抗蚀系数 K=0.60，均丧失抗侵蚀能力。说明硫铝酸盐水泥胶砂试件无法抵抗侵蚀溶液浓度为〔Mg2+〕=15 200 mg/L、〔SO42－〕=90 000 mg/L的硫酸盐、镁盐双重侵蚀破坏作用。侵蚀溶液R3、R4中抗蚀系数随龄期变化曲线见图3(图例表示侵蚀溶液浓度〔SO42－〕/〔Mg2+〕，mg/L)。

图3 侵蚀溶液R3、R4中试验组SAC－1、SAC－2抗蚀系数随龄期变化曲线

2.2.2 水胶比对硫铝酸盐水泥胶砂试件抗侵蚀性能影响

在侵蚀溶液R1、R2中，龄期6个月以前，试验组SAC－1、SAC－2抗蚀系数随龄期变化曲线较为接近;龄期6个月以后，试验组SAC－1(水胶比0.3)各龄期抗蚀系数高于试验组SAC－2(水胶比0.5)，见图4。在侵蚀溶液R3、R4中试验组SAC－1(水胶比0.3)各龄期抗蚀系数明显高于试验组 SAC－2(水胶比0.5)，见图5。说明降低水胶比可以有效提高硫铝酸盐水泥胶砂试件的抗硫酸盐、镁盐双重侵蚀破坏性能。

图4 侵蚀溶液R1、R2中试验组SAC－1、SAC－2各龄期抗蚀系数对比分析

图5 侵蚀溶液R3、R4中试验组SAC－1、SAC－2各龄期抗蚀系数对比分析

2.3 微观观测与分析

2.3.1 扫描电镜(SEM)微观观测

观察胶砂试件内部结构发现，试验组 SAC－1(水胶比0.3)内部孔隙的最大孔径为67.03 μm且孔隙数量很少，见图6(a);试验组 SAC－2(水胶比0.5)内部孔隙的最大孔径为121.4 μm且孔隙数量较多，见图6(b)。说明降低水胶比能有效提高胶砂试件的密实度。

图6 淡水养护、龄期12个月，试验组SAC－1、SAC－2密实度扫面电镜分析

在侵蚀溶液R2中，大量针状钙矾石(AFT)晶体有效填充了胶砂试件内部孔隙，仅在胶砂试件表面存在少量侵蚀产物层，见图7。在侵蚀溶液 R4中，胶砂试件侵蚀层结构松散、厚度较大，试验后期水化产物无法有效填充其内部孔隙，侵蚀破坏已经深入到胶砂试件内部，见图8。

图7 侵蚀溶液R2中龄期12个月试验组SAC－1扫面电镜分析

图8 侵蚀溶液R4龄期12个月试验组SAC－2扫面电镜分析

2.3.2 能谱(EDS)分析

在侵蚀溶液R2中，胶砂试件表层物质呈颗粒状主要元素为 Ca、Si、Al、O、Mg 等且 Mg 峰值较高，见图9。说明试件表层存在大量侵蚀产物Mg(OH)2[11－14]。但是，未发现 S，说明试件表层不存钙矾石(AFT)。在侵蚀溶液R4中，胶砂试件侵蚀层含有 Ca、Si、Al、O、Mg、S 等多种元素，其中分布最广的块状物的成分为 Ca、O、S，见图10。说明侵蚀层主要是由水化硅酸钙(C－S－H)、铝胶、氢氧化镁(Mg(OH)2)和石膏(CaSO4·2H2O)构成的堆积结构体，石膏的大量生成是造成试件表面剥落、掉渣掉角的主要原因。

图9 侵蚀溶液R2中龄期12个月试验组SAC－1表层能谱分析

图10 侵蚀溶液R4中龄期12个月试验组SAC－2侵蚀层能谱分析

2.4 硫铝酸盐水泥胶砂试件抗硫酸盐、镁盐双重侵蚀破坏机理分析

硫酸盐、镁盐对硫铝酸盐水泥胶砂试件的双重侵蚀破坏作用兼具镁盐侵蚀和硫酸盐侵蚀的特点，但并不是两者的简单叠加。

当镁离子浓度(〔Mg2+〕=15 200 mg/L)一定、硫酸根离子浓度在8 000 mg/L≤〔SO42－〕≤20 250 mg/L范围内变化时，硫酸根离子(SO42－)有利于硫铝酸盐水泥混凝土强度的良好发展[15]。它对硫铝酸盐水泥水化起到激发剂的作用，能够提高胶砂试件表层的紧密程度，有效遏制侵蚀介质向试件内部渗透。同时，镁离子(Mg2+)的侵蚀产物氢氧化镁(Mg(OH)2)粘附在试件表面形成致密的保护层，阻塞侵蚀介质向试件内部渗透的通道，保证胶砂试件内部水泥水化的正常进行。

镁离子浓度(〔Mg2+〕=15 200 mg/L)不变，进一步提高硫酸根离子浓度到〔SO42－〕≥60 000 mg/L时，在高浓度硫酸根离子作用下水泥水化后期生成的钙矾石(AFT)填满胶砂试件内部孔隙后继续生长，导致裂缝增多。同时，硫酸镁(MgSO4)还会与氢氧化钙反应生成二水石膏(CaSO4·2H2O)和氢氧化镁(Mg(OH)2)。氢氧化镁(Mg(OH)2)无胶结能力且碱度较低，它会破坏硫铝酸盐水泥水化产物稳定存在的碱环境，导致钙矾石(AFT)分解生成二水石膏(CaSO4·2H2O)[16－19]，进一步增加侵蚀层中石膏的量。大量具有膨胀性的二水石膏(CaSO4·2H2O)在胶砂试件表面堆积导致其出现掉渣掉角等剥蚀破坏现象。