海工水泥抗硫酸盐侵蚀试验操作要点及其影响因素

古巧燕，刘 骥，罗海波，陈柳锋

（1.广西鱼峰水泥股份有限公司，广西 柳州 545008；2.广西绿色水泥产业工程院有限公司，广西 柳州 545008）

【关键字】海工水泥；抗硫酸盐侵蚀；操作要点

0 引言

港口、海岸防线、跨海大桥、海上钻井平台及人造岛礁等，其结构材料都是以水泥混凝土材料为主。随着我国国家海洋战略的实施和“一带一路”倡议的提出，未来的海洋基础设施建设市场需求将越来越大[1]。传统的普通硅酸盐水泥基材料在海洋浪、潮汐等复杂环境下的耐久性退化非常严重，抗海水侵蚀、耐海水冲刷及抗冻融性不能满足海洋工程的特殊要求，这不仅影响基础设施的使用性和安全性，而且会给国民经济造成巨大损失，故研发具有高抗蚀性的海工水泥基材料重要且必要。混凝土抵抗侵蚀的能力与水泥混凝土的密实度有关，结构致密的水泥石抗侵蚀能力强，结构致密度欠佳的混凝土形成水泥石后，内部孔隙多、抗渗能力差，更容易受到腐蚀环境的侵蚀破坏。混凝土结构的设计寿命一般为40～50年，有的结构甚至要求使用寿命达到上百年。现实中，处于腐蚀环境中的混凝土仅15～20年就出现了钢筋锈蚀破坏，甚至不足5年就需要进行修复，我国每年因混凝土内部钢筋锈蚀导致结构破坏的损失就达10亿元，这已经成为一个重大的经济问题。近年来，海洋工程的耐久性问题引起越来越广泛的关注，提高混凝土的抗海水侵蚀性，则提高海工混凝土耐久性和延长其使用寿命为最佳途径。海洋工程用水泥基材料必须长期浸泡在高硫酸盐环境的海水中，因此在水泥生产过程中准确检验并反映水泥抗硫酸盐性能的优劣，对于海工水泥的后续使用尤为重要[2]。本文对影响水泥抗硫酸盐侵蚀检验的因素概述如下。

1 试验方法

1.1 方法原理

按照1∶2.5的灰砂比拌和水量，采用0.5的固定水灰比，通过加压成型18条10 mm×10 mm×60 mm的胶砂试体，早期放到50 ℃的水中养护7 d，以促进试体快速水化，使其达到一定的强度，然后按规定分别放置在淡水和侵蚀溶液中侵蚀28 d，最终通过在侵蚀溶液中和在淡水中的试体抗折强度之比确定抗侵蚀系数。

1.2 试验材料

试验用标准砂应符合水泥胶砂强度检验方式（GB/T17671—1999）规定的粒度范围在0.5～1.0 mm的中级砂。石膏用化学纯二水石膏或符合要求的类特级石膏，所用石膏细度应全部通过150 μm的方孔试验筛。

1.3 试验条件

成型试验室温度应保持在（20±2）℃范围内，相对湿度不低于50%；湿气养护箱温度应保持在（20±1）℃范围内，相对湿度不低于90%；试体养护池水温应保持在（20±1）℃范围内。

试验室、养护箱温度和相对湿度及养护水池水温在工作期间每天至少记录一次，检查各部分环境条件是否始终满足实验要求。

1.4 试验步骤

水灰比为0.5，称取250 g粒度为0.5～1.0 mm的中级标准砂、100 g水泥干拌1 min，加水50 mL，湿拌3 min，将拌好的砂浆依次分两层加入6个预先装好的试模中，捣实刮平。成型的试体连同试模放入湿气养护箱中养护（24±2）h后脱模，试体放入（50±1）℃水浴养护箱中养护7 d，取出按奇偶数编码分成2组，每组9条，一组放置在水中浸泡，另一组放置在相同体积的硫酸盐侵蚀溶液中浸泡，硫酸盐侵蚀溶液浸泡的一组每天用硫酸中和浸出的碱，以保证溶液酸度。浸泡28 d后取出试体，进行破型，按以下公式计算试样抗硫酸盐侵蚀系数K[3]：

上式中，K为试样的抗侵蚀系数；R液为试体在侵蚀溶液中浸泡28 d后的抗折强度，MPa；R水为试体在水中浸泡28 d后的抗折强度，MPa。

2 操作要点及影响因素

2.1 试体成型过程

试验成型试体尺寸为60 cm×10 cm×10 cm，体积较小，截面细，试体结构均匀性的好坏对实验结果准确性影响重大。首先试模必须定期检查模腔的有效尺寸是否在标准规定范围内，如超出此范围应停止使用，更换新试模。试模擦洗干净组装时，边缘两块隔板和端板与底座的接触面应均匀地涂上一薄层黄油，并按编号组装。组装好后用紧固螺丝固紧时，一边固紧，一面用木槌锤击端板和隔板结合处，使内壁各接触面互相垂直，并且要顶部平齐，然后用小平铲刀刮去3个模腔内被挤出的黄油，避免在成型试体的底侧面留下孔洞。由于该试验胶砂拌匀过程采用人工方式，所以搅拌的力度和时间都要控制好，搅拌时间长则浆体容易泌水，造成检验结果偏低，搅拌时间短，则浆体均匀性不够，部分水泥灰和中级砂与水的混合不够充分，极易造成试体成型过程内部和表面形成孔洞，故胶砂搅拌时长不够或均匀性差易造成检验结果偏低或者试体之间强度跳差大的现象。浆体装入试模后的两次倒插力度、深度和次数也会造成试体之间强度跳差大。

成型过程中另一个关键步骤为试块加压，这一过程需要注意两点：一是压块的摆放一定要与试体及手动千斤顶的受力面垂直，否则极易造成试体受力不均变形而作废。二是加压的力度大小，按照国家标准规定的加压力度值，即7.8 MPa（14 N），但是由于力值传感器检定及校准不能随时进行，所以会存在一定的偏差，试体加压大小对结果的影响较大，本文对表1中的压力值做了试验，结果见表1。

表1 不同压力值条件下的抗硫酸盐侵蚀系数统计表

由表1可见，施加压力值的大小不同，抗硫酸盐侵蚀系数有明显变化。试体加压大小直接影响试体内部结构的密实程度，压力值小，则试体密实不够，孔洞大而多，而混凝土抵抗侵蚀的能力与水泥混凝土的密实度有关，结构致密的水泥石抗侵蚀能力强贫，结构致密度欠佳的混凝土形成水泥石后，其内部孔隙多，抗渗能力差，容易受到侵蚀破坏，硫酸盐侵蚀溶液容易浸透试体结构，对试体结构进行破坏，试体抗折强度结果偏低，而水溶液对试体的破坏相对侵蚀溶液要小很多，由计算公式K=R液/R水可以看出，R水保持不变的情况下，R液偏低，则抗硫酸盐侵蚀系数K将变小，会误将合格的水泥检验判定为质量不合格；反之，则结果会偏高，将不合格的水泥产品检验判定为质量合格。

2.2 养护过程

硫酸盐溶液应提前1～2 d配置完成，与所需要用的水一起放入相应的试验环境中恒温处理，温度高则抗折强度结果偏高，温度低则抗折强度结果偏低，进而对检验结果造成影响。而对于浸泡在硫酸盐溶液中的试体而言还有其他的影响，温度高，则溶液中的离子活动速度变快，试体结构中的分子结构活性也会增强，试体遭受侵蚀程度会加大，反之则会减小。只有在相同的温度条件下，才能对试体抗侵蚀能力有正确的判断。

成型的胶砂试模应立即放入养护箱或养护室的水平架子上养护，湿空气应能与试模各边充分接触，因试体体积较小，湿气养护过程必须保证没有水珠掉落至试体表面，如果发现滴水痕迹，则应重新进行试体成型操作，并且养护时不应将试模放在其他试模上，一直养护到规定的脱模时间后取出脱模转入高温水养过程。高温水养结束后，转入20 ℃的水中养护，所有试体取出后按奇偶数编码分成2组，每组9条，保证两组试体基本条件相同。一组放入温度为（20+1）℃、体积为1 800 mL的蒸馏水中浸泡，另一组放入与浸泡蒸馏水相同温度和体积为1 800 mL的硫酸盐侵蚀溶液中浸泡。试体在浸泡过程中，首先向硫酸盐侵蚀溶液中滴加4～5滴酚酞指示剂溶液，然后每天用硫酸溶液（1+5）滴定硫酸盐浸泡溶液，用于中和试体在浸泡过程中分解出的氢氧化钙，边滴定边搅拌，使浸泡溶液的pH值保持在7.0左右，蒸馏水浸泡溶液不用处理。

在此过程，养护容器最好采用玻璃、不锈钢、塑料等材质的容器，不要使用铁质等易锈蚀的容器，以免浸泡过程中发生锈蚀反应而使浸泡溶液的成分发生改变，从而影响检验结果。使用硫酸盐浸泡溶液的这一组容器应带有密封盖，防止浸泡溶液挥发。容器的大小也应该有一定的限制，如果太大，则试体表面的溶液太少，每日的中和及控温操作都不易进行，会造成检验结果重复性不佳；如果太小，则深度过大，造成试体承受压力过大，试体抗侵蚀效果也会相应降低。

20 ℃水养护过程最好在试体底部增加一块塑料或者不锈钢篦板，使试体的每一个面都能与硫酸盐溶液均匀地接触。该试验试体断面小，如果一个面未暴露在硫酸盐溶液，则会对检验结果造成不小的影响。如果不使用篦板，经过24 h养护后翻转试体发现，未直接接触硫酸盐溶液试验试体的一面呈现出与其他面不同的颜色，颜色明显要偏深一些，对检验结果的影响也比较明显（见表2）。同时，由于该试验试体体积较小，养护过程如果竖直放置极易倒下，会对结果造成破坏性影响，所以该过程试体不宜竖直放置。

表2 使用篦板对检验结果影响统计表

由表2可见，同一个样品在使用篦板的情况下，抗硫酸盐侵蚀系数检测结果基本保持稳定且与标准值一致；在不使用篦板的情况下，检验结果则有高有低。这主要是因为浸泡过程中，与容器底部接触的试体表面被侵蚀溶液侵蚀的程度要低于完全暴露在侵蚀溶液中的试体表面，试体被破坏程度低，从而造成试体抗折强度检验结果偏高，由公式K=R液/R水可以看出， R液偏高，则抗硫酸盐侵蚀系数K将偏大。表2中的检验结果偏低的现象很可能是由于浸泡过程中翻转试体步骤对试体造成了一定的损害，造成抗折强度结果偏低。由于该实验试体体积较小，很小的力值都有可能对试体早成损害，所以浸泡过程建议使用篦板，既能使试体各个面都能充分与侵蚀溶液接触，又减少了触碰试体造成损害的概率和风险，确保检验结果稳定而准确。

2.3 脱模过程

本试验最终检验的是试件的抗折强度的比值，所有抗折强度试验中，脱模过程不规范会造成检验结果出现偏差，而在该试验中，由于试体体积较小，脱模过程操作规范性对检验结果的影响程度会更大，一不小心就会损坏试体结构，从而造成检验结果出现偏差。所以，在结束湿气养护后，取出试模时必须轻拿轻放，拧松短板固定螺丝，从两侧向外平行轻敲端板，使端板左右平行移动，直至完全与试体分离，两端板拆下后，采用振动的方式使试体连同隔板一起脱离底板，再轻轻敲击隔板分离试体，这个过程操作人员一定要控制好力度，保证试体完好，以免对检验结果产生影响。

2.4 破型过程

试体养护结束后，转移至抗折机进行破型操作的过程应保证试体表面潮湿，防止水分蒸发，整个搬运过程至该试体破型前，都应用湿布覆盖。同时，由于试体体积较小，绝对不能用手抓着试体直接转移，应平放在托盘上进行转移且不宜将试体摞在一起，否则会造成试体的损坏，从而影响检验结果的准确性。同时，转移的整个过程要避免试体受到震动，由于试体体积较小，所以微小的震动都可能造成结果的较大偏离。

抗折强度试验机油砣标尺的上扬角度应合理，以试体破坏时刚好水平为适宜。这是一项需要经验积累的操作，不同的水泥质量，抗折硫酸盐侵蚀性能不同，则上扬的角度不同，检验人员平时要注意仔细观察积累并学会预判。

破型操作过程中试体放置应水平且对称。抗折强度试验机采用的是3点受力择断的原理，若试体不水平则受力面不能与择断点垂直，造成抗折强度结果偏低，使抗硫酸盐侵蚀结果偏离。所以，破型试验前应检查两个承重点高度是否一致，不一致的要及时处理。试体对称则是指试体放置好后，中心受力点到两端点的距离应该相等，若偏差则会造成其中一个端点受力增加，从而使抗折强度偏低，造成最终结果的偏离或重复性差。

3 结语

综上所述，海工水泥抗硫酸盐侵蚀性能的检验要点主要围绕着试体体积较小这一关键点，相对于通用水泥抗折强度检验，每一个过程更需要更加细致入微和稳定，检验准确性对生产过程的指导意义重大，特别是海工水泥这样高要求的水泥产品，其质量好坏影响深远。21世纪是公认的“海洋世纪”，全球范围内大规模开发、利用、争夺海洋资源成为时代主题。党的十九大提出了建设海洋强国的目标，开拓海洋经济和保卫海疆已成为当前国家重要战略。海工水泥抗硫酸盐侵蚀性能检验水平的提高有待各同行们一起努力。