水泥砂浆掺防腐型阻锈剂的试验研究

2023-07-31徐赫峰

黑龙江水利科技 2023年7期

徐赫峰

(抚顺海峰水利工程有限公司,辽宁抚顺 113300)

目前,钢筋混凝土在隧道、桥梁、建筑、水利等工程领域中的应用非常广泛,其耐久性在很大程度上决定着水利工程的服役寿命[1]。其中,氯盐和硫酸盐侵蚀是导致工程结构失效破坏的重要因素之一,并且硫酸盐属于一种复杂的环境水侵蚀,极易导致水工混凝土钢筋锈蚀、强度损失和膨胀开裂等问题,大大降低水工结构的耐久性能及使用年限[2-4]。为改善混凝土防腐性能,主要使用抗硫酸盐水泥、使用防腐蚀涂料涂覆结构表面和减小水胶比增大混凝土强度这3种措施,但抗硫酸盐水泥价格昂贵且生产厂家较少,涂覆防腐蚀涂料易受环境和其它条件限制,涂层易脱落且施工难度大,而减小水胶比会增加工程成本,实际工程应用时以上3种措施都存在一定的不足[5]。实践表明,水工混凝土掺单一组分外加剂具有较大的局限性[6]。鉴于此,本研究拟将抗氯盐与抗硫酸盐侵蚀阻锈剂复合,通过水泥胶砂试验探讨复合的防腐阻锈剂对钢筋电极单位、胶砂强度、膨胀系数和抗蚀系数的影响,从微观上利用EM-30 Plus扫描电镜观测水化产物形貌,并进一步揭示其作用机理。

1 试验方案

1.1 原材料

用于试验研究的原材料有:①水泥:中国葛洲坝集团生产的PM 42.5级中热硅酸盐水泥,比表面积355m2/kg,标稠用水量26.0%,细度(45μm方孔筛)4.6%,28d抗压强度52.2MPa,水泥化学成分,见表1;②砂:ISO标准砂;③水:当地自来水;④防腐阻锈剂:按照1∶9的比例将氨基醇类阻锈剂与GL-SSP型防腐剂复配,均匀混合后配制而成,防腐阻锈剂pH值11,细度(80μm)12.8%,含水率5.5%。

表1 水泥化学成分

1.2 试验方法

参照《混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂》、《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》和《水泥胶砂强度检验方法》中的规定测试水泥胶砂膨胀系数、抗蚀系数及其强度,并按照“硬化砂浆法”进行钢筋锈蚀快速试验,设计水胶比0.5,胶砂比1:3,配制3%的NaCl溶液作为拌合水,养护水pH值用5%的H2SO4溶液调节至中性,标准试件养护时间14d。

2 结果与分析

2.1 力学性能

通过调整用水量促使掺防腐阻锈剂的胶砂流动度值不超过基准对照的±5mm,并依次测定养护龄期3d、28d、56d的强度值,水泥胶砂力学性能,见表2。

表2 水泥胶砂力学性能

由表2可知,水泥胶砂用水量随着防腐阻锈剂掺量的增加而逐渐减少,如S-3组用水量相较于S-0基准组减少20g,这表明复配的防腐阻锈剂存在一定减水效应。水泥胶砂中掺入防腐阻锈剂会在一定程度上降低3d龄期的抗压强度,如S-1组相较于S-0基准组下降8.5%;随着龄期的延长S-1组、S-2组和S-3组抗压强度均快速增加,如28d、56d龄期时均高于S-0基准组。

依据抗折强度数据,防腐阻锈剂的掺入可以在不同程度上提高水泥胶砂各龄期抗折强度,究其原因是复配的防腐阻锈剂存在一定的减水效应,这使得用水量较小的情况下试验组各龄期抗折强度均高于基准组。另外,使用的防腐剂填料活性指数低于水泥,这种矿物掺合料无法直接参与水化,所以试验组均低于基准组的早期(3d)抗压强度。随着龄期的延长矿物掺合料的活性逐渐释放,通过与水化产物的二次水化使得水泥胶砂强度不断增大,达到28d龄期时试验组均超过基准组的胶砂强度。

2.2 抗蚀系数

通过调整用水量促使掺防腐阻锈剂的胶砂流动度处于(180±10)mm之间,胶砂试件成型后放入50℃环境蒸汽养护7d,然后分两组分别放入普通自来水和10%Na2SO4溶液中养护至28d,并测定28d龄期抗折强度和抗蚀系数,水泥胶砂力学性能,见表3。

表3 水泥胶砂力学性能

从表3可以看出,各组胶砂流动度相差不大,在10%Na2SO4溶液和普通自来水中养护的掺防腐阻锈剂胶砂组抗折强度均高于T-0基准组,并且普通自来水中养护的各组胶砂试件抗折强度均高于10%Na2SO4溶液中养护的试件,这表明10%Na2SO4溶液会产生一定的侵蚀作用。T-0基准组的抗蚀系数明显低于掺防腐阻锈剂的胶砂试组,这说明防腐阻锈剂的掺入明显增强了水泥胶砂的抗侵蚀性能。

2.3 膨胀性能

设计配合比用水量为胶凝材料的标稠用水量,水泥净浆终凝120min后拆模,擦拭干净铜端头后立即测定初始长度,随后浸入水中养护7d。然后分两组分别浸入10%Na2SO4溶液和水中养护,依次测定7d、14d、21d、28d龄期长度值和膨胀系数,水泥净浆膨胀系数,见表4。其中,膨胀系数E等于侵蚀溶液和水溶液中养护28d时净浆试件的膨胀率之比,以试件放入10%Na2SO4溶液作为试验龄期的起始时间。

表4 水泥净浆膨胀系数

结果表明,各龄期水泥净浆试件的膨胀率均随着养护龄期的延长而有所增大,水泥净浆掺防腐阻锈剂P-1阻、P-2组、P-3组各龄期膨胀率均明显高于P-0基准组,膨胀率在7～21d龄期时快速增长,而21d后逐渐趋于稳定。普通自来水中养护的水泥净浆试件各龄期膨胀率均明显低于10%Na2SO4溶液养护,水泥净浆掺防腐阻锈剂组的28d龄期膨胀系数明显低于P-0组1.84和国标规定的限值1.50,这表明掺入的防腐阻锈剂抗侵蚀性能良好。

2.4 钢筋电极电位

为进一步表征复配的防腐阻锈剂性能,从市场上购买DC-C5型阻锈剂(编号D-4)进行对比,测试硬化砂浆14d龄期的钢筋电极电位,钢筋电极电位试验数据,见表5。

表5 钢筋电极电位试验数据

结果表明,通电后未掺防腐阻锈剂的D-0组钢筋极化电位快速增大,2min后逐渐减小,通电10min后表现出明显减小趋势,表明钝化膜已经被氯离子破坏,钢筋失去保护作用正发生锈蚀;通电0～30min时掺防腐阻锈剂的D-1、D-2、D-3组钢筋极化电位达到最值大并维持稳定,表明复配的防腐阻锈剂有效增强了钝化膜的稳定性,降低了钢筋表面钝化膜受高浓度氯离子的破坏作用。对于掺DC-C5型阻锈剂的D-4组,钢筋电位在通电15min后逐渐下降,但降幅明显

2.5 扫描观测

采用EM-30 Plus扫描电镜观测内掺8%防腐阻锈剂和基准水泥胶砂试件的3d、7d、28d水化产物形貌,从而揭示其作用机理。结果显示,水泥胶砂水化产物随着水化龄期的延长不断增多,不同胶凝材料类型同龄期水泥胶砂水化程度存在明显差异。龄期3d时,掺防腐阻锈剂组的水化程度、水化产物相较于基准组偏少,主要是棱柱状Ca(OH)2和细小棒状钙矾石晶体、纤维状C-S-H凝胶;龄期7d时,水泥石结构密实且水化产物增多,主要是少量棱柱状Ca(OH)2、交错生长的棒针状钙矾石晶体和块状C-S-H凝胶,掺防腐阻锈剂组相较于基准组的水化产物较多;龄期28d时,水化产物持续增加,以针状钙矾石晶体和搭接生长的块状C-S-H凝胶为主。防腐阻锈剂的掺入能够消耗多余的Ca(OH)2晶体,参与二次水化更多的钙矾石和C-S-H凝胶,从而提高水泥胶砂的强度、致密性和抗侵蚀性能[11]。