硫酸盐浓度对水泥基材料侵蚀的影响研究

2020-06-13贾洪全宫经伟王小龙吕美轩刘晴晴

水力发电 2020年3期

贾洪全，宫经伟，王小龙，杜晨，吕美轩，门佳，刘晴晴

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

0 引言

受内陆干旱区气候影响，新疆地区盐碱地普遍存在，约占全疆总面积的26%，其土壤与环境水中含有大量的硫酸盐；另外，含石膏类硫酸盐夹层或沉积层的山区岩层裂隙水或渗漏水中也含有丰富的硫酸盐；据不完全统计，全疆硫酸盐浓度最高可达30 000 mg/L左右[1]。这将造成混凝土结构侵蚀破坏，从而导致其耐久性退化和服役寿命缩短[2]。因此，研究不同浓度硫酸盐对水泥基材料侵蚀的影响及机理是当前新疆地区混凝土工程领域迫切需要解决的重要问题。

表1 42.5R普通硅酸盐水泥化学组成 %

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1)水泥。采用新疆阜康天山水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥，比表面积389 m2/kg，安定性合格，混合材为粉煤灰和石灰石，化学组成见表1。

(2)砂。采用符合国家标准GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》要求的标准砂。

(3)水。拌和用水为实验室自来水，配制溶液用水为蒸馏水。

(4)硫酸钠。采用天津北联精细化学品公司的无水硫酸钠(分析纯)。

1.2 试验

1.2.1试验设计

1.2.2试验方法

截取部分侵蚀8 m的混凝土胶砂用于微观测试，采用QuantaFEG250型扫描电子显微镜(SEM)和附带能谱仪(EDS)观测侵蚀产物微观形貌，采用梅特勒-托利多TGA/DSC1型热重分析仪分析侵蚀产物生成量。

2 结果与讨论

2.1 抗折抗蚀系数变化规律

混凝土胶砂试件的抗折抗蚀系数随龄期的变化规律如图1所示，由图1可知，混凝土胶砂的抗折抗蚀系数分为上升与下降两个阶段。这是因为在侵蚀过程中，侵蚀产物钙矾石和石膏先起填充作用，不断填充水泥石的孔隙，使得结构不断密实，抗折抗蚀系数逐渐增加；当孔隙被侵蚀产物完全填充后，钙矾石与石膏吸水肿胀或结晶膨胀产生膨胀应力，造成混凝土胶砂开裂、剥落破坏，抗蚀系数逐渐减小。B、C、D、E溶液中混凝土胶砂的抗折抗蚀系数开始下降的时间分别为4个月、2个月、2个月、1个月，抗折抗蚀系数平均变化速率分别为2.03%、3.11%、4.31%、7.66%。高浓度E溶液的侵蚀速率分别是中等浓度D、C溶液的1.78倍和2.46倍，是低浓度B溶液的3.77倍。由此说明，硫酸盐浓度越高，侵蚀速率越快，破坏时间越早。这与前人的研究结果相吻合[13]。

图1 不同浓度硫酸盐溶液侵蚀下混凝土胶砂的抗折抗蚀系数

图2 不同浓度硫酸盐溶液侵蚀8个月混凝土胶砂的微观形貌

图3 不同浓度硫酸盐溶液侵蚀8个月混凝土胶砂的TG-DTA曲线

2.2 SEM观察结果分析

混凝土胶砂试件在不同浓度硫酸盐溶液中侵蚀8m后的微观形貌如图2所示。由图2可知，低浓度B溶液侵蚀后，水泥石孔隙中生成了大量交错排列的针状晶体，孔隙边缘明显胀裂，根据其形貌和元素成分可判定针状晶体是侵蚀产物Aft(见图2a、b)。中等浓度D溶液侵蚀后，孔洞中填充着大量针棒状Aft晶体(见图2c)；同时在水泥石与砂集料的界面过渡区有大量柱状晶体存在，结合能谱图的元素成分可断定是CaSO4·2H2O晶体(见图2d～e)。高浓度E溶液侵蚀后，水泥石孔隙中充满了大量柱状或块状的石膏晶体(见图2f)。侵蚀产物Aft与CaSO4·2H2O在孔隙或界面过渡区结晶或吸水肿胀使其体积分别增加2.5倍和1.5倍以上，产生膨胀应力导致混凝土开裂和剥落。

根据微观观察结果可知，硫酸盐浓度严重影响侵蚀产物的种类。B溶液中侵蚀产物以Aft为主；D溶液中，Aft和CaSO4·2H2O并存；E溶液中，侵蚀产物以CaSO4·2H2O为主。同时可以发现侵蚀产物大都在水泥石开口孔隙与界面过渡区中生成，由此可见，水泥基材料的开口孔隙和界面过渡区既是侵蚀的首发地，也是侵蚀的重灾区[14]。侵蚀破坏是水泥基材料开口孔隙(毛细孔)内和界面过渡区中侵蚀产物Aft与CaSO4·2H2O由量变到质变的结果。

2.3 TG-DTA结果分析

研究表明：钙矾石失水温度在60～110 ℃之间[15-16]；二水石膏脱水温度在110～170 ℃之间[17]。不同浓度硫酸盐溶液侵蚀8个月混凝土胶砂的TG-DTA曲线见图3。由图3可知，混凝土胶砂在B溶液中侵蚀后，只出现较强的钙矾石脱水峰；在D溶液中侵蚀后，钙矾石与石膏的脱水峰同时出现；在E溶液中侵蚀后，石膏脱水峰明显大于钙矾石脱水峰。由此说明，低浓度B溶液中侵蚀产物主要为钙矾石；高浓度E溶液中主要侵蚀产物为石膏；中等浓度D溶液中侵蚀产物钙矾石与石膏并存。这与电镜观察的结果相吻合。