不同酸性環境對砂漿物理力學性能影響研究

董亞麗DONG Ya-li

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 404100）

（China Rai1way 17th Bureau Group No.4 Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China）

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，環境的污染、惡化對混凝土結構的腐蝕日趨嚴重，導致混凝土結構的耐久性、強度和安全性大大降低，也使企業和國家蒙受巨大的經濟損失。混凝土是對酸性環境較為敏感的堿性或弱堿性材料。酸類腐蝕對于混凝土結構和性能的危害在眾多工程實踐中已得到驗證。在國內，存在混凝土被酸類腐蝕的現象主要出現在沿海和內陸地區，被腐蝕的大都是廠房、大壩、隧道、橋梁等結構物，由此造成的安全隱患是巨大的。眾所周知，混凝土的主要成分是砂漿，因此業界一般將水泥砂漿作為研究混凝土結構物耐酸性能的主要材料。筆者將通過試驗研究不同酸性環境中水泥砂漿的物理學性能，以期掌握混凝土結構物的耐酸性能，用以指導工程實踐。

1 試驗原材料與實驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：葛洲壩水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥(OPC)和高抗硫酸硅酸鹽水泥(SRPC)；碎石：5～25mm連續級配石灰石質碎石；減水劑：上海馬貝建筑材料有限公司生產的減水率為25%～30%SX-C16型聚羧酸高效減水劑；河砂：細度模數為2.7的河砂。

1.2 試驗方法

在驗過程中水泥砂漿試件尺寸為40mm×40mm×160mm，每種配合比做6個試件。試件在標準養護室養護24h后浸入自來水中再進行為期28d的養護（自來水恒溫20℃）。28d后將試塊取出，將飽和面晾干對其初始質量施測。而后浸入不同的酸性溶液中施測，每天攪動使溶液均勻，溶液每隔2d調試一次pH值至初始值，每4d換一次，試塊周圍侵蝕環境相同。觀測砂漿表觀形貌變化、測其質量和強度值等參數。

采用普通硅酸鹽水泥（OPC）和高抗硫酸硅酸鹽水泥(SRPC)制作的砂漿（砂漿的配合比見表1）在pH=1、pH=2、pH=3和pH=4的硝酸環境下進行腐蝕試驗，研究不同pH值對于砂漿物理力學性能的影響；用pH=1硫酸以及硫酸鈉溶液對砂漿進行侵蝕試驗，其中硫酸溶液中m(SO42-)≈4800mg/L，而硫酸鈉溶液中m(SO42-)≈28800mg/L，研究強酸性環境中不同硫酸根離子濃度對砂漿性能變化影響。

表1 砂漿配合比（kg/m3）

2 溶液pH值對耐酸性能影響

2.1 表觀形貌變化

在pH=1和pH=2的硝酸溶液中浸泡56d后的OPC砂漿表面及斷面情況見圖1和圖2。將砂漿表面易剝落物質刷除后以及被酸類腐蝕后的形貌如圖3和圖4所示。

在圖1只能看出顏色上的差異，而從圖2可以清楚看出砂漿在pH=1硝酸溶液侵蝕后，砂漿變化較大，根據顏色特點可將砂漿分為三部分，最外層只殘留一層疏松易剝落的物質附著在基體表面，在pH=1的硝酸中浸泡14d后，OPC和SRPC砂漿表面的殘留物質并未自動剝落，剝落前后砂漿的外貌如圖3所示。

圖1 pH=2(左)和pH=1溶液中OPC砂漿表觀

圖2 pH=2(左)和pH=1溶液中OPC砂漿斷面

圖3 刷除表面易剝落物質后外貌(右)

圖4 二種水泥砂漿侵蝕后(OPC→SRPC)

表2 不同pH值時OPC砂漿質量變化

表3 不同pH值時SRPC砂漿質量變化

2.2 砂漿的質量變化

測量不同pH值酸溶液中，不同齡期砂漿質量損失。表2與表3為砂漿在不同pH值酸性溶液中的質量變化。

由表2與表3的質量損失數據可以看出，pH值隨著酸性增強而逐漸減小，兩種砂漿的質量損失急劇增加；在pH=1和pH=2時，隨著侵蝕時間的增加砂漿的質量不斷損失，當84天后pH=1的質量損失已超過25%，pH=2質量損失超過8%；而在pH=3和pH=4時，短期內砂漿的質量沒有明顯的變化；在酸性環境中，OPC砂漿比SRPC砂漿耐酸性稍強。

2.3 砂漿的強度變化

砂漿自身的性能及試塊表面狀態會影響其抗折強度。另外，儀器的型號和性能也可能使抗折強度無規律地大幅波動，筆者在本文中僅以砂漿的抗壓強度作為砂漿耐酸性能的表征參數。筆者取OPC砂漿與SRPC砂漿分別置于pH值不同的酸性溶液中，設定不同的時間段，以研究二者的抗壓強度。試驗結果見圖5、圖6。

根據圖5、圖6得知，在不同pH值的酸性溶液中，兩類砂漿的強度、抗腐蝕性等性能的變化速率大不相同。當硝酸溶液pH=1時，兩種砂漿強度下降很快，在經歷56天的侵蝕后強度已分別損失53.9%和55.5%；當硝酸溶液pH=2時，砂漿強度經歷了由增長到衰退的趨勢，表現出酸性環境中材料一般的變化規律；當硝酸溶液pH=3時，相對砂漿試塊的侵蝕速率較慢；當硝酸溶液pH=4時，溶液在測試齡期內，酸腐蝕速率最慢，砂漿強度基本不變。

3 溶液硫酸根離子濃度對耐酸性能影響

采用pH=1硫酸以及硫酸鈉溶液對普通硅酸鹽水泥砂漿和高抗硫酸鹽水泥砂漿進行侵蝕試驗，其中硫酸溶液中m(SO42-)≈4800mg/L，而硫酸鈉溶液中m(SO42-)≈28800mg/L，研究強酸性條件下不同硫酸根離子濃度對砂漿材料的腐蝕程度。

3.1 砂漿的質量變化

圖5 不同pH時OPC砂漿強度變化

圖6 不同pH時SRPC砂漿強度變化

圖7 硫酸溶液中砂漿質量變化

圖8 酸性硫酸鈉溶液中砂漿質量變化

測量砂漿在不同齡期侵蝕后質量，算得的變化率如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8中砂漿的質量變化可以得出：隨著侵蝕時間的增加，兩種環境下砂漿的質量都在減小；在硫酸鈉溶液中，砂漿質量都一直處于減小的狀態，而硫酸溶液中，早期砂漿質量會稍許增長，這是因為硫酸溶液中含有大量硫酸根離子，氫離子腐蝕砂漿后使其釋放出的Ca2+與外界的SO42-結合生成CaSO4·2H2O沉淀并在砂漿表面附著，使砂漿質量快速增加，隨著腐蝕程度加深，在內部生成的CaSO4·2H2O由于體積增大而產生膨脹應力。一旦膨脹應力大于其受到的束縛作用力，就會使砂漿表面出現裂縫，表面的物質自動剝落，極大的破壞了砂漿的質量；經歷91天侵蝕后，硫酸溶液中砂漿質量損失在5%左右，而強酸性硫酸鈉溶液中，砂漿通常會有20%的質量損失，強酸性硫酸鈉溶液對砂漿的腐蝕性較嚴重。

3.2 砂漿的強度變化

測量砂漿在不同齡期侵蝕后的抗壓強度，算得的強度變化率如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10中砂漿的強度變化率可以得出：在兩種強酸性溶液中，OPC砂漿與SRPC砂漿抗壓強度快速下降。90d內強度損失在35%以上；兩種砂漿在硫酸鈉溶液中浸泡42d后，砂漿表面沙礫嚴重裸露，強度損失基本在40%以上，大大影響了后期砂漿強度的測驗；OPC砂漿表現出比SRPC砂漿好的耐酸性能。

4 結論

圖9 硫酸溶液中砂漿強度變化

圖10 強酸性硫酸鈉溶液中砂漿強度變化

①在pH=1的酸液中，OPC砂漿與SRPC砂漿在酸性溶液中浸泡56d后，強度損失均已超過50%。而在pH=4的溶液在測試齡期內，砂漿的強度未表現出下降的趨勢。說明溶液pH值對水泥砂漿物理力學性能劣化影響有很大影響，隨酸性的增強砂漿性能劣化速率加劇。

②試驗中，pH=1的溶液SO42-濃度為4800mg/L時，SO42-不加劇腐蝕速率，反而因生成的二水石膏在表面的聚集，而具有暫時的保護作用；而SO42-濃度高時（約28800mg/L），H+與SO42-共同作用加劇砂漿劣化速率。故硫酸根離子濃度較高時對砂漿的腐蝕性較強。

③試驗中OPC砂漿與SRPC砂漿在不同的酸性環境下，基本表現出相同的腐蝕特性，OPC砂漿整體耐酸性能稍強于SRPC砂漿。

[1]楊凱,周明凱,李北星,唐凱.不同水泥砂漿的耐酸性研究[J].新世紀水泥導報,2011,02:3-8，10.

[2]楊凱,劉江,施載玲,李北星.強酸性環境下砂漿性能變化研究[J].混凝土,2011,02:113-115.

[3]李北星,劉江,蔡老虎,劉昌國.酸性環境下混凝土壽命預測模型的建立及應用[J].水運工程,2012,06:69-73.

[4]魏有儀,羅健,肖允發,鐘生軍,巫錫勇.水泥砂漿酸性侵蝕試驗研究Ⅰ非流動酸性水侵蝕試驗[J].硅酸鹽學報,1998,04:9-15.

[5]陳明鳳,蔡素德,趙純蘭.利用pH值梯度研究建筑砂漿的酸蝕程度[J].重慶環境科學,1996,05:33-35.

[6]元強,鄧德華,張文恩,劉軼翔.硫酸鈉侵蝕下摻粉煤灰砂漿的體積膨脹規律及其機理研究[J].混凝土,2006,01:33-35，42.