地聚物抗硫酸鹽侵蝕性能的試驗(yàn)研究

胡 潔

(九江學(xué)院土木工程與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005)

·建筑材料及應(yīng)用·

地聚物抗硫酸鹽侵蝕性能的試驗(yàn)研究

胡 潔

(九江學(xué)院土木工程與城市建設(shè)學(xué)院，江西 九江 332005)

對地聚物和普通硅酸鹽水泥的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過研究地聚物的抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理，采用干濕循環(huán)法，對侵蝕后的產(chǎn)物進(jìn)行了X射線衍射分析，結(jié)果表明：在5%的硫酸鈉溶液中，地聚物砂漿主要是由于硫酸鈉浸入試塊孔隙中鹽結(jié)晶體積膨脹而破壞。

地聚物，硫酸鹽侵蝕，干濕循環(huán)，X射線衍射分析

0 引言

我國某些地區(qū)的地下水、土壤、工業(yè)、海水、廢水里含硫酸鹽介質(zhì)，然而經(jīng)調(diào)查表明，一些道路、橋梁、建筑物等，在這類環(huán)境中僅使用幾年就腐蝕嚴(yán)重，不得不進(jìn)行修復(fù)，因此耐硫酸鹽侵蝕性能成為土工程材料耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。

堿激發(fā)偏高嶺土膠凝材料是20世紀(jì)70年代法國科學(xué)家Davidovits[1]教授研制的一種新型膠凝材料，并命名為“Geopolymer”，國內(nèi)學(xué)者把它譯為“地聚物”，這種材料具有硬化快、力學(xué)性能好等特點(diǎn)，但其是否具有優(yōu)越的耐久性能還需進(jìn)一步研究。本文以堿激發(fā)偏高嶺土地聚物為研究對象，普通硅酸鹽水泥為對比樣，研究其在濃度為5%的Na2SO4溶液中的耐侵蝕性能。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)偏高嶺土、水泥：化學(xué)成分見表1。

2)堿性激發(fā)劑：堿性激發(fā)劑的模數(shù)為1.5，24.08%SiO2，16.59%Na2O和58.12%H2O。

3)試驗(yàn)中用砂為標(biāo)準(zhǔn)砂。

4)水：自來水。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

1.2 制備試塊

1)制作堿性激發(fā)劑：提前1 d量取需要的氫氧化鈉晶體與水玻璃，而且把氫氧化鈉晶體加到水玻璃溶液里，攪拌使其均勻，冷卻到室溫。

2)遵照GB/T 17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法(ISO方法)里的程序，首先把膠凝材料與水或者堿性激發(fā)劑混合攪拌均勻，再將標(biāo)準(zhǔn)砂加入攪拌，隨后將砂漿裝入到試模中，最后放到振實(shí)臺上振實(shí)，試模的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

3)前后制備兩批膠砂試塊，配合比及養(yǎng)護(hù)條件見表2。脫模后放入(20±1)℃的水中養(yǎng)護(hù)到28 d，供硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1)目前水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)方法主要有現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)法和實(shí)驗(yàn)室加速方法。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)方法主要有增大反應(yīng)面積法、增加侵蝕溶液濃度的方法、干濕循環(huán)交替實(shí)驗(yàn)法、升高侵蝕溶液溫度的方法等。本試驗(yàn)采用干濕循環(huán)交替法[2]，硫酸鈉溶液濃度是5%。干濕循環(huán)制度：烘干8 h+冷卻1 h+浸泡15 h，每個(gè)循環(huán)總計(jì)24 h，循環(huán)次數(shù)分為10次，20次，30次，45次，60次，75次。分開測試浸入水里與5%硫酸鈉溶液里試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與質(zhì)量損失。用同齡期硫酸鈉溶液里和水里試件的抗折強(qiáng)度比、抗壓強(qiáng)度比值(抗壓腐蝕系數(shù)kfc)、(抗折腐蝕系數(shù)kff)評定標(biāo)準(zhǔn)。

2)將在硫酸鈉溶液中干濕循環(huán)75次后的砂漿試塊表面開裂或剝蝕部分刮下來磨細(xì)，用來作XRD分析。

表2 膠砂試塊的配比

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 地聚物和普通硅酸鹽水泥的抗折腐蝕系數(shù)和抗壓腐蝕系數(shù)

從圖1和圖2可以看出，對于第一批試驗(yàn)，地聚物的kff(抗折腐蝕系數(shù))和kfc(抗壓腐蝕系數(shù))要高于普通硅酸鹽水泥。從圖3和圖4可以看出，第二批試塊中，地聚物的kfc(抗壓腐蝕系數(shù))和kff(抗折腐蝕系數(shù))要明顯低于普通硅酸鹽水泥。地聚物砂漿試塊循環(huán)次數(shù)只有5次時(shí)已有少量試塊出現(xiàn)掉角、邊緣開裂的情況；到15次循環(huán)后就出現(xiàn)表面發(fā)酥情況，抗壓強(qiáng)度下降15%；循環(huán)30次時(shí)破壞已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，抗壓強(qiáng)度下降74%，試塊出現(xiàn)大面積剝落情況，手觸時(shí)即有碎塊掉落，質(zhì)量損失達(dá)到27%，因此試驗(yàn)終止(見圖5及圖6)。

2.2 地聚物的抗硫酸鹽腐蝕探討

對于普通硅酸鹽水泥的抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者共識，硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。硫酸鹽溶液和氫氧化鈣與水化鋁酸鈣的化學(xué)產(chǎn)物為石膏與水化硫鋁酸鈣，而生成的產(chǎn)物比原水泥水化產(chǎn)物的體積大幾倍，從而在硬化后的混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，造成混凝土的破壞。

為了分析地聚物的抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理，取循環(huán)75次后的試塊表面裂開部分進(jìn)行磨細(xì)分析。分析結(jié)果表現(xiàn)出水泥膠砂硫酸鹽腐蝕以后的主要產(chǎn)物為硫酸鈉、碳酸鈣與石膏。碳酸鈣為水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后的生成物，不會降低水泥石的強(qiáng)度；石膏為氫氧化鈣和硫酸鈉的反應(yīng)生成物，石膏晶體的體積變大會引發(fā)試塊體積膨脹，然而硫酸鈉為硫酸鹽在水泥石孔隙里的結(jié)晶，會產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致發(fā)生膨脹應(yīng)力，進(jìn)而水泥石開裂。地聚物的硫酸鹽腐蝕的主要生成物為硫酸鹽結(jié)晶，膠砂試塊強(qiáng)度下降以致破壞的主因?yàn)榱蛩猁}的結(jié)晶膨脹應(yīng)力。

砂漿試塊的XRD圖見圖7。

兩批試驗(yàn)分別為：第一批試塊在開敞環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，而且靜置的環(huán)境溫度較高(35 ℃)，從而使得堿激發(fā)反應(yīng)速度增快，堿向表面遷移并伴隨著水分加速蒸發(fā)，當(dāng)試塊在水里養(yǎng)護(hù)的時(shí)候還沒加入反應(yīng)的堿溶解，導(dǎo)致在試塊表面附近留下很多孔隙，這大約是第二批砂漿試塊強(qiáng)度更高但抗硫酸鹽腐蝕更差的原因。堿激發(fā)膠凝材料砂漿在硫酸鹽溶液里反復(fù)干濕循環(huán)后的破壞過程為試塊從表面剝離、粉化，而普通硅酸鹽水泥砂漿是從試塊內(nèi)部膨脹開裂。Palomo也曾指出地聚物強(qiáng)度波動原因是有可溶性的堿溶出導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

綜上所述，與普通硅酸鹽水泥相比，地聚物的抗硫酸鹽侵蝕對靜置養(yǎng)護(hù)期的環(huán)境條件更加敏感，地聚物在靜置養(yǎng)護(hù)期或整個(gè)養(yǎng)護(hù)期用塑料薄膜覆蓋或包裹是必要的。

3 結(jié)語

1) 地聚物的抗侵蝕性能與養(yǎng)護(hù)環(huán)境有關(guān)。在靜置養(yǎng)護(hù)(20 ℃)期用塑料薄膜覆蓋或包裹的砂漿試塊的抗侵蝕性能優(yōu)于在高溫(35 ℃)開敞環(huán)境中養(yǎng)護(hù)的試塊。

2)在5%的硫酸鈉溶液中，地聚物砂漿破壞的主要原因是硫酸鈉溶液進(jìn)入膠砂試塊表面的孔隙里，鹽結(jié)晶導(dǎo)致的體積膨脹，而生成膨脹性產(chǎn)物石膏晶體和硫酸鈉鹽結(jié)晶是導(dǎo)致普通硅酸鹽水泥砂漿破壞的原因。

3)地聚物砂漿在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)試驗(yàn)后的破壞是從試塊表面鹽結(jié)晶體積膨脹導(dǎo)致粉化、剝落，以致出現(xiàn)裂縫，而普通硅酸鹽水泥砂漿是從試塊內(nèi)部鹽結(jié)晶膨脹開裂。

[1] Davidovits.J. The ancient egyptian pyramids-concrete rock[J].Concrete International，1987，9(12):28-37.

[2] 石明霞.水泥—粉煤灰復(fù)合膠凝材料抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2003(4):350-355.

Experimental research on the geopolymer resisting sulfate attacking performance

HU Jie

(CollegeofCivilEngineering&CityConstruction,JiujiangCollege,Jiujiang332005,China)

The paper tests the geopolymer and common portland cement resisting sulfate attacking performance. Through studying the geopolymer resisting sulfate attacking performance, it carries on X-ray scattering analysis for the materials corroded with wet-dry cycling method. The result shows that: in the 5% of sodium sulfate, geopolymer is damaged owing to the salt crystallization volume expansion for the sodium sulfate immersed into the testing members’ holes.

geopolymer, sulfate attack, wet-dry cycling, X-ray scattering analysis

1009-6825(2014)34-0116-02

2014-09-24

胡 潔(1979- )，女，碩士，講師

TU528

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