硫酸鹽濃度對水泥基材料侵蝕的影響研究

賈洪全，宮經偉，王小龍，杜 晨，呂美軒，門 佳，劉晴晴

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

受內陸干旱區氣候影響，新疆地區鹽堿地普遍存在，約占全疆總面積的26%，其土壤與環境水中含有大量的硫酸鹽；另外，含石膏類硫酸鹽夾層或沉積層的山區巖層裂隙水或滲漏水中也含有豐富的硫酸鹽；據不完全統計，全疆硫酸鹽濃度最高可達30 000 mg/L左右[1]。這將造成混凝土結構侵蝕破壞，從而導致其耐久性退化和服役壽命縮短[2]。因此，研究不同濃度硫酸鹽對水泥基材料侵蝕的影響及機理是當前新疆地區混凝土工程領域迫切需要解決的重要問題。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥化學組成 %

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)水泥。采用新疆阜康天山水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，比表面積389 m2/kg，安定性合格，混合材為粉煤灰和石灰石，化學組成見表1。

(2)砂。采用符合國家標準GB/T17671《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》要求的標準砂。

(3)水。拌和用水為實驗室自來水，配制溶液用水為蒸餾水。

(4)硫酸鈉。采用天津北聯精細化學品公司的無水硫酸鈉(分析純)。

1.2 試驗

1.2.1試驗設計

1.2.2試驗方法

截取部分侵蝕8 m的混凝土膠砂用于微觀測試，采用QuantaFEG250型掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶能譜儀(EDS)觀測侵蝕產物微觀形貌，采用梅特勒-托利多TGA/DSC1型熱重分析儀分析侵蝕產物生成量。

2 結果與討論

2.1 抗折抗蝕系數變化規律

混凝土膠砂試件的抗折抗蝕系數隨齡期的變化規律如圖1所示，由圖1可知，混凝土膠砂的抗折抗蝕系數分為上升與下降兩個階段。這是因為在侵蝕過程中，侵蝕產物鈣礬石和石膏先起填充作用，不斷填充水泥石的孔隙，使得結構不斷密實，抗折抗蝕系數逐漸增加；當孔隙被侵蝕產物完全填充后，鈣礬石與石膏吸水腫脹或結晶膨脹產生膨脹應力，造成混凝土膠砂開裂、剝落破壞，抗蝕系數逐漸減小。B、C、D、E溶液中混凝土膠砂的抗折抗蝕系數開始下降的時間分別為4個月、2個月、2個月、1個月，抗折抗蝕系數平均變化速率分別為2.03%、3.11%、4.31%、7.66%。高濃度E溶液的侵蝕速率分別是中等濃度D、C溶液的1.78倍和2.46倍，是低濃度B溶液的3.77倍。由此說明，硫酸鹽濃度越高，侵蝕速率越快，破壞時間越早。這與前人的研究結果相吻合[13]。

圖1 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕下混凝土膠砂的抗折抗蝕系數

圖2 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個月混凝土膠砂的微觀形貌

圖3 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個月混凝土膠砂的TG-DTA曲線

2.2 SEM觀察結果分析

混凝土膠砂試件在不同濃度硫酸鹽溶液中侵蝕8m后的微觀形貌如圖2所示。由圖2可知，低濃度B溶液侵蝕后，水泥石孔隙中生成了大量交錯排列的針狀晶體，孔隙邊緣明顯脹裂，根據其形貌和元素成分可判定針狀晶體是侵蝕產物Aft(見圖2a、b)。中等濃度D溶液侵蝕后，孔洞中填充著大量針棒狀Aft晶體(見圖2c)；同時在水泥石與砂集料的界面過渡區有大量柱狀晶體存在，結合能譜圖的元素成分可斷定是CaSO4·2H2O晶體(見圖2d～e)。高濃度E溶液侵蝕后，水泥石孔隙中充滿了大量柱狀或塊狀的石膏晶體(見圖2f)。侵蝕產物Aft與CaSO4·2H2O在孔隙或界面過渡區結晶或吸水腫脹使其體積分別增加2.5倍和1.5倍以上，產生膨脹應力導致混凝土開裂和剝落。

根據微觀觀察結果可知，硫酸鹽濃度嚴重影響侵蝕產物的種類。B溶液中侵蝕產物以Aft為主；D溶液中，Aft和CaSO4·2H2O并存；E溶液中，侵蝕產物以CaSO4·2H2O為主。同時可以發現侵蝕產物大都在水泥石開口孔隙與界面過渡區中生成，由此可見，水泥基材料的開口孔隙和界面過渡區既是侵蝕的首發地，也是侵蝕的重災區[14]。侵蝕破壞是水泥基材料開口孔隙(毛細孔)內和界面過渡區中侵蝕產物Aft與CaSO4·2H2O由量變到質變的結果。

2.3 TG-DTA結果分析

研究表明：鈣礬石失水溫度在60～110 ℃之間[15-16]；二水石膏脫水溫度在110～170 ℃之間[17]。不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個月混凝土膠砂的TG-DTA曲線見圖3。由圖3可知，混凝土膠砂在B溶液中侵蝕后，只出現較強的鈣礬石脫水峰；在D溶液中侵蝕后，鈣礬石與石膏的脫水峰同時出現；在E溶液中侵蝕后，石膏脫水峰明顯大于鈣礬石脫水峰。由此說明，低濃度B溶液中侵蝕產物主要為鈣礬石；高濃度E溶液中主要侵蝕產物為石膏；中等濃度D溶液中侵蝕產物鈣礬石與石膏并存。這與電鏡觀察的結果相吻合。

表2 不同濃度硫酸鹽侵蝕下侵蝕產物半定量計算結果

3 結 論

(1)混凝土膠砂在不同濃度硫酸鹽溶液中侵蝕時，高濃度E溶液的侵蝕速率分別是中等濃度D、C溶液的1.78倍、2.46倍，是低濃度B溶液的3.77倍。

(2)水泥基材料的開口孔隙和界面過渡區是侵蝕的首發地和重災區，侵蝕破壞是開口孔隙內和界面過渡區中侵蝕產物Aft和CaSO4·2H2O由量變到質變的結果。