既有污水混凝土构筑物高耐腐蚀材料的制备研究

2022-01-25史若昕於林锋林冰洁牛礼跃上海市建筑科学研究院有限公司上海0003上海城投污水处理有限公司上海003

建筑科技 2021年6期

史若昕，於林锋，林冰洁，牛礼跃（.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 0003；.上海城投污水处理有限公司，上海 003）

城市污水处理厂正在水环境保护中发挥关键的主导作用，其污水处理系统中的混凝土构筑物在长年运营中会受到微生物等各种腐蚀介质的侵蚀，导致混凝土表面出现污损、疏松、脱落、集料钢筋外露等现象[1-3]，严重时还会产生混凝土开裂和钢筋锈蚀[4]，并且由于缺乏足够的认识和有效的防治措施，既有的污水处理混凝土构筑物大多不做防腐处理，现有大量早期投入运行的污水处理设施已遭到严重的腐蚀破坏，这不仅影响了构筑物的使用功能，而且使其无法达到设计使用年限，一些新投入运行的污水处理工程，短期内也已产生明显的腐蚀现象[5-6]。城市污水处理系统中混凝土构筑物的腐蚀问题亟待解决，采取有效的防护措施，如制备出一种高耐腐蚀性材料，对污水处理设施的长期安全运营具有重要意义[7-8]。

除了提高混凝土本身的耐久性外，采用混凝土表面防腐涂层材料，将混凝土与周围的腐蚀性介质隔离开或阻止有害介质的侵入，也是一种有效的防腐措施[9]。该措施是在混凝土表面涂覆一层高耐腐蚀材料，形成一层隔离层阻止水、氧、氯离子等介质渗入混凝土内部造成腐蚀。本文就根据污水混凝土构筑物快速修复施工要求和高耐久性要求，研究制备一种高耐腐蚀砂浆材料，作为混凝土涂层，对污水处理设施的长期安全运营具有重要的意义。

1 试验方案

1.1 原材料

（1）水泥。上海金山南方水泥有限公司生产的万安牌 P·II 52.5 水泥（PC）和唐山北极熊建材有限公司生产的42.5 级快硬硫铝酸盐水泥（CSA），两种水泥的化学成分和物理性质如表 1 和表 2 所示。

表1 硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥化学成分与矿物单位：%

表2 硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥物理力学性能

（2）硅灰。硅灰为上海天恺硅粉材料有限公司生产，其比表面积为 18 m2/g，密度为 2.1 g/cm3，平均粒径为0.16 μm，主要组成见表 3。

表3 硅灰化学组成单位： %

（3）减水剂。减水剂采用上海三瑞公司生产的SD-600P-S 型减水剂。

（4）砂。砂选用天然河砂，筛除其中 2.36 mm 以上颗粒。

（5）胶粉。胶粉为某公司生产的聚合物丙烯酸乳胶粉。

1.2 试验方法与配合比

高耐腐蚀修补砂浆重点关注砂浆的在侵蚀性环境下，砂浆的耐弱酸、硫酸盐等侵蚀性介质的能力，而作为修补砂浆，其凝结时间也不宜太短，故也需要掺加少量硫铝酸盐水泥以加快其凝结硬化。本文采用快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、无水石膏以合适的比例混合，以期制得具有一定早期强度且28d抗压强度较高的高耐腐蚀修补砂浆材料，并通过掺加粉煤灰、硅灰以及不同比例的聚合物胶粉来提高其耐久性能。其基准配比如表 4 所示。

表4 高耐腐蚀修补砂浆基准配合比单位：%

通过对制备得到的高耐腐蚀修补砂浆材料的拌合物性能（用水量、流动度、凝结时间）、力学性能（抗折强度、抗压强度、粘结强度、弹性模量）、耐久性能（电通量、氯离子扩散系数）进行研究，综合试验结果优选出有最佳综合性能的组合，参照标准 JC/T 2381—2016《修补砂浆》测试抗渗压力、吸水量、抗蚀系数、耐磨性、抗压强度和拉伸粘结强度等全性能，并模拟污水构筑物的酸性腐蚀环境，测试砂浆的耐腐蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 掺聚合物的高耐腐蚀修补砂浆性能试验研究

2.1.1 拌合物性能试验研究

在表 4 的基准配比基础上掺加聚合物胶粉进行后续研究，聚合物a掺量为水泥用量的 2%、4%、6%，聚合物b的掺量均为 0.2%，不同聚合物掺量的聚合物水泥砂浆的编号及其拌合物性能试验结果如表 5 中所示。

表5 掺加聚合物的水泥修补砂浆配合比

从表 5 可以看出，随着可再分散乳胶粉掺量的增加，修补砂浆达到同等流动度的用水量增加，凝结时间延长。用水量的增加某种程度上导致了聚合物水泥砂浆强度的降低，并且虽然凝结时间的延长不利于快速修复，但同时也增加了可操作时间。

2.1.2 力学性能试验研究

不同聚合物掺量的聚合物水泥砂浆的抗折强度、抗压强度、粘结强度、弹性模量试验结果如表 6 所示。对表 6 分析可知，对于水泥砂浆来说，如果粘结强度过低，就易出现空鼓或脱落现象，其中的一个主要原因就是砂浆的粘结强度太低。随着可再分散乳胶粉掺量的增加，修补砂浆的粘结强度明显提高，当胶粉 a 的掺量达到 6% 时，28 d粘结强度达到最高的 2.4 MPa。因为修补砂浆加入水中搅拌时，在亲水性的保护胶体以及机械剪切力的作用下，胶粉颗粒分散到水中，随着水分被水硬性胶凝材料的反应消耗，面层的水分挥发，树脂颗粒逐渐靠近，界面逐渐模糊，树脂逐渐相互融合，最终成为连续的高分子薄膜。这一过程主要发生在砂浆的气孔以及固体表面，随后聚合物薄膜形成，在固化的砂浆中形成了由无机、有机粘结剂构成的框架体系，由于胶粉形成的高分子树脂薄膜的拉伸强度通常高于水硬性材料的一个数量级以上，使得砂浆自身强度和粘结强度得以增强，随着可再分散乳胶粉掺量的增加，砂浆粘结强度也逐渐提高。

表6 掺加聚合物的水泥修补砂浆力学性能试验结果

随着可再分散乳胶粉掺量增加，修补砂浆不同龄期抗压强度和抗折强度呈逐渐下降的趋势。基准砂浆早期抗压强度较高，而聚合物砂浆的早期抗压强度较低，但后期抗压强度有较大幅度的增长。这是因为聚合物有缓凝作用，掺量越大，缓凝作用越明显。随龄期延长，水化的进行，聚合物颗粒进一步凝结，形成较高强度和粘结力的膜，聚合物的空间网状结构把水泥水化产物联结在一起，改善了水泥石的结构形态。因此改性砂浆的 28 d 抗压强度相对早期强度有大幅度的增长。但由于聚合物的自身弹性模量比水泥石低，当复合体受压时起不到刚性支撑作用，所以改性砂浆的抗压强度仍比基准砂浆的强度要低。聚合物砂浆不同龄期的抗折强度均低于基准砂浆，但 28 d 抗折强度大幅度提高，接近基准砂浆。随聚合物掺量增加，抗折强度逐渐提高，这是因为到了 28 d 龄期，空间网状结构逐渐形成，有效地增强了集料与水泥石结构的粘接，使得抗折强度大幅度提高；另一方面，聚合物的引气作用导致过多气泡，改变了孔隙结构，对抗折强度有一定的不利影响，因此随着聚合物掺量的增加，砂浆抗折强度呈现下降趋势。

2.1.3 耐久性能试验研究

不同聚合物掺量的聚合物水泥砂浆的抗氯离子渗透性能试验结果如表 7 所示。

表7 掺加聚合物的水泥修补砂浆耐久性能试验结果

从表 7 可以看出，未掺加胶粉的水泥砂浆的电通量和氯离子扩散系数最大，在聚合物胶粉 b 掺量不变情况下，掺入聚合物胶粉 a 后，其电通量和氯离子扩散系数下降明显，且随着聚合物胶粉a掺量的增加，电通量和氯离子扩散系数也随之降低，电通量和氯离子扩散系数最低分别可达 636 C、4.82×10-13m2/s、1.17×10-12m2/s。说明聚合物胶粉 a 均能够显著降低水泥砂浆的氯离子扩散能力，改善水泥砂浆的抗氯离子侵蚀能力。

3.2 高耐腐蚀聚合物修补砂浆全性能验证试验研究

综合上文拌合物性能、力学性能和耐久性能试验结果，采用硫铝酸盐水泥取代 5% 普通硅酸盐水泥，同时掺加 10% 的粉煤灰、5% 的硅灰作为掺合料，掺加 4% 的聚合物胶粉 a，0.2% 的聚合物胶粉 b，可使高耐腐蚀聚合物修补砂浆具有较好的综合性能。最终配合比如表 8 所示。

表8 高耐腐蚀聚合物修补砂浆最终配合比

以高耐腐蚀聚合物砂浆最终配合比为对象，参照 JC/T 2381—2016《修补砂浆》测试 28 d 抗渗压力、72 h 吸水量、抗蚀系数、28 d 耐磨性、28 d 抗压强度、28 d 拉伸粘结强度，试验结果如表 9 所示。

表9 高耐腐蚀聚合物修补砂浆最终配合比性能验证试验

从验证试验结果来看，所开发的超早强快速修补砂浆各项性能指标满足标准要求，耐腐蚀能力突出。

2.3 高耐腐蚀聚合物修补砂浆耐酸试验研究

模拟污水构筑物的酸性腐蚀环境，分别配制 pH 值为0.3 和 5.5 的强酸性模拟腐蚀液和弱酸性模拟腐蚀液。成型C40 普通混凝土，在表面涂覆 3 mm 厚本文制备的高耐腐蚀聚合物修补砂浆并养护至规定龄期后，干湿循环或长期浸泡于上述两种模拟腐蚀液，浸泡龄期为 180 d，浸泡至目标龄期后，测试观察高耐腐蚀聚合物修补砂浆的腐蚀情况、对内部混凝土的保护作用，并测试内部混凝土的电通量和残余抗压强度。结果如表 10 和图 1 所示。

表10 混凝土强度及在酸性腐蚀溶液中浸泡后强度

图1 涂覆高耐腐蚀聚合物修补砂浆的混凝土试块的外观形貌

从图 1 和表 10 可以看出，聚合物水泥修补砂浆在弱酸性环境中具有较好的耐腐蚀性，在溶液中浸泡 180 d 后，砂浆表面完整，无任何腐蚀后的粉化剥落现象，表明制备的聚合物水泥砂浆具有较好的耐弱酸腐蚀性能。聚合物修补水泥砂浆在强酸溶液中受腐蚀较为严重，出现了明显的粉化剥落，实际上任何无机类水泥砂浆在如此低 pH 值的酸性腐蚀液中均会受到腐蚀。此外，无论混凝土试块表面的耐腐蚀修补砂浆是否受到腐蚀，都对内部混凝土试块起到了较好的保护作用。与同龄期基准试块相比，混凝土的抗压强度仅降低6%～7%，电通量则反而有所明显的增加。

通过试验结果可以预测，采用高耐腐蚀聚合物修补砂浆可对污水混凝土构筑物起到较好的保护作用。