既有污水混凝土構(gòu)筑物高耐腐蝕材料的制備研究

史若昕，於林鋒，林冰潔，牛禮躍（.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 0003；.上海城投污水處理有限公司，上海 003）

城市污水處理廠正在水環(huán)境保護中發(fā)揮關(guān)鍵的主導(dǎo)作用，其污水處理系統(tǒng)中的混凝土構(gòu)筑物在長年運營中會受到微生物等各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)污損、疏松、脫落、集料鋼筋外露等現(xiàn)象[1-3]，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生混凝土開裂和鋼筋銹蝕[4]，并且由于缺乏足夠的認(rèn)識和有效的防治措施，既有的污水處理混凝土構(gòu)筑物大多不做防腐處理，現(xiàn)有大量早期投入運行的污水處理設(shè)施已遭到嚴(yán)重的腐蝕破壞，這不僅影響了構(gòu)筑物的使用功能，而且使其無法達到設(shè)計使用年限，一些新投入運行的污水處理工程，短期內(nèi)也已產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象[5-6]。城市污水處理系統(tǒng)中混凝土構(gòu)筑物的腐蝕問題亟待解決，采取有效的防護措施，如制備出一種高耐腐蝕性材料，對污水處理設(shè)施的長期安全運營具有重要意義[7-8]。

除了提高混凝土本身的耐久性外，采用混凝土表面防腐涂層材料，將混凝土與周圍的腐蝕性介質(zhì)隔離開或阻止有害介質(zhì)的侵入，也是一種有效的防腐措施[9]。該措施是在混凝土表面涂覆一層高耐腐蝕材料，形成一層隔離層阻止水、氧、氯離子等介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部造成腐蝕。本文就根據(jù)污水混凝土構(gòu)筑物快速修復(fù)施工要求和高耐久性要求，研究制備一種高耐腐蝕砂漿材料，作為混凝土涂層，對污水處理設(shè)施的長期安全運營具有重要的意義。

1 試驗方案

1.1 原材料

（1）水泥。上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)的萬安牌 P·II 52.5 水泥（PC）和唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的42.5 級快硬硫鋁酸鹽水泥（CSA），兩種水泥的化學(xué)成分和物理性質(zhì)如表 1 和表 2 所示。

表1 硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥化學(xué)成分與礦物單位：%

表2 硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥物理力學(xué)性能

（2）硅灰。硅灰為上海天愷硅粉材料有限公司生產(chǎn)，其比表面積為 18 m2/g，密度為 2.1 g/cm3，平均粒徑為0.16 μm，主要組成見表 3。

表3 硅灰化學(xué)組成單位： %

（3）減水劑。減水劑采用上海三瑞公司生產(chǎn)的SD-600P-S 型減水劑。

（4）砂。砂選用天然河砂，篩除其中 2.36 mm 以上顆粒。

（5）膠粉。膠粉為某公司生產(chǎn)的聚合物丙烯酸乳膠粉。

1.2 試驗方法與配合比

高耐腐蝕修補砂漿重點關(guān)注砂漿的在侵蝕性環(huán)境下，砂漿的耐弱酸、硫酸鹽等侵蝕性介質(zhì)的能力，而作為修補砂漿，其凝結(jié)時間也不宜太短，故也需要摻加少量硫鋁酸鹽水泥以加快其凝結(jié)硬化。本文采用快硬硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、無水石膏以合適的比例混合，以期制得具有一定早期強度且28d抗壓強度較高的高耐腐蝕修補砂漿材料，并通過摻加粉煤灰、硅灰以及不同比例的聚合物膠粉來提高其耐久性能。其基準(zhǔn)配比如表 4 所示。

表4 高耐腐蝕修補砂漿基準(zhǔn)配合比單位：%

通過對制備得到的高耐腐蝕修補砂漿材料的拌合物性能（用水量、流動度、凝結(jié)時間）、力學(xué)性能（抗折強度、抗壓強度、粘結(jié)強度、彈性模量）、耐久性能（電通量、氯離子擴散系數(shù)）進行研究，綜合試驗結(jié)果優(yōu)選出有最佳綜合性能的組合，參照標(biāo)準(zhǔn) JC/T 2381—2016《修補砂漿》測試抗?jié)B壓力、吸水量、抗蝕系數(shù)、耐磨性、抗壓強度和拉伸粘結(jié)強度等全性能，并模擬污水構(gòu)筑物的酸性腐蝕環(huán)境，測試砂漿的耐腐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻聚合物的高耐腐蝕修補砂漿性能試驗研究

2.1.1 拌合物性能試驗研究

在表 4 的基準(zhǔn)配比基礎(chǔ)上摻加聚合物膠粉進行后續(xù)研究，聚合物a摻量為水泥用量的 2%、4%、6%，聚合物b的摻量均為 0.2%，不同聚合物摻量的聚合物水泥砂漿的編號及其拌合物性能試驗結(jié)果如表 5 中所示。

表5 摻加聚合物的水泥修補砂漿配合比

從表 5 可以看出，隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，修補砂漿達到同等流動度的用水量增加，凝結(jié)時間延長。用水量的增加某種程度上導(dǎo)致了聚合物水泥砂漿強度的降低，并且雖然凝結(jié)時間的延長不利于快速修復(fù)，但同時也增加了可操作時間。

2.1.2 力學(xué)性能試驗研究

不同聚合物摻量的聚合物水泥砂漿的抗折強度、抗壓強度、粘結(jié)強度、彈性模量試驗結(jié)果如表 6 所示。對表 6 分析可知，對于水泥砂漿來說，如果粘結(jié)強度過低，就易出現(xiàn)空鼓或脫落現(xiàn)象，其中的一個主要原因就是砂漿的粘結(jié)強度太低。隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，修補砂漿的粘結(jié)強度明顯提高，當(dāng)膠粉 a 的摻量達到 6% 時，28 d粘結(jié)強度達到最高的 2.4 MPa。因為修補砂漿加入水中攪拌時，在親水性的保護膠體以及機械剪切力的作用下，膠粉顆粒分散到水中，隨著水分被水硬性膠凝材料的反應(yīng)消耗，面層的水分揮發(fā)，樹脂顆粒逐漸靠近，界面逐漸模糊，樹脂逐漸相互融合，最終成為連續(xù)的高分子薄膜。這一過程主要發(fā)生在砂漿的氣孔以及固體表面，隨后聚合物薄膜形成，在固化的砂漿中形成了由無機、有機粘結(jié)劑構(gòu)成的框架體系，由于膠粉形成的高分子樹脂薄膜的拉伸強度通常高于水硬性材料的一個數(shù)量級以上，使得砂漿自身強度和粘結(jié)強度得以增強，隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，砂漿粘結(jié)強度也逐漸提高。

表6 摻加聚合物的水泥修補砂漿力學(xué)性能試驗結(jié)果

隨著可再分散乳膠粉摻量增加，修補砂漿不同齡期抗壓強度和抗折強度呈逐漸下降的趨勢。基準(zhǔn)砂漿早期抗壓強度較高，而聚合物砂漿的早期抗壓強度較低，但后期抗壓強度有較大幅度的增長。這是因為聚合物有緩凝作用，摻量越大，緩凝作用越明顯。隨齡期延長，水化的進行，聚合物顆粒進一步凝結(jié)，形成較高強度和粘結(jié)力的膜，聚合物的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)把水泥水化產(chǎn)物聯(lián)結(jié)在一起，改善了水泥石的結(jié)構(gòu)形態(tài)。因此改性砂漿的 28 d 抗壓強度相對早期強度有大幅度的增長。但由于聚合物的自身彈性模量比水泥石低，當(dāng)復(fù)合體受壓時起不到剛性支撐作用，所以改性砂漿的抗壓強度仍比基準(zhǔn)砂漿的強度要低。聚合物砂漿不同齡期的抗折強度均低于基準(zhǔn)砂漿，但 28 d 抗折強度大幅度提高，接近基準(zhǔn)砂漿。隨聚合物摻量增加，抗折強度逐漸提高，這是因為到了 28 d 齡期，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸形成，有效地增強了集料與水泥石結(jié)構(gòu)的粘接，使得抗折強度大幅度提高；另一方面，聚合物的引氣作用導(dǎo)致過多氣泡，改變了孔隙結(jié)構(gòu)，對抗折強度有一定的不利影響，因此隨著聚合物摻量的增加，砂漿抗折強度呈現(xiàn)下降趨勢。

2.1.3 耐久性能試驗研究

不同聚合物摻量的聚合物水泥砂漿的抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果如表 7 所示。

表7 摻加聚合物的水泥修補砂漿耐久性能試驗結(jié)果

從表 7 可以看出，未摻加膠粉的水泥砂漿的電通量和氯離子擴散系數(shù)最大，在聚合物膠粉 b 摻量不變情況下，摻入聚合物膠粉 a 后，其電通量和氯離子擴散系數(shù)下降明顯，且隨著聚合物膠粉a摻量的增加，電通量和氯離子擴散系數(shù)也隨之降低，電通量和氯離子擴散系數(shù)最低分別可達 636 C、4.82×10-13m2/s、1.17×10-12m2/s。說明聚合物膠粉 a 均能夠顯著降低水泥砂漿的氯離子擴散能力，改善水泥砂漿的抗氯離子侵蝕能力。

3.2 高耐腐蝕聚合物修補砂漿全性能驗證試驗研究

綜合上文拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能試驗結(jié)果，采用硫鋁酸鹽水泥取代 5% 普通硅酸鹽水泥，同時摻加 10% 的粉煤灰、5% 的硅灰作為摻合料，摻加 4% 的聚合物膠粉 a，0.2% 的聚合物膠粉 b，可使高耐腐蝕聚合物修補砂漿具有較好的綜合性能。最終配合比如表 8 所示。

表8 高耐腐蝕聚合物修補砂漿最終配合比

以高耐腐蝕聚合物砂漿最終配合比為對象，參照 JC/T 2381—2016《修補砂漿》測試 28 d 抗?jié)B壓力、72 h 吸水量、抗蝕系數(shù)、28 d 耐磨性、28 d 抗壓強度、28 d 拉伸粘結(jié)強度，試驗結(jié)果如表 9 所示。

表9 高耐腐蝕聚合物修補砂漿最終配合比性能驗證試驗

從驗證試驗結(jié)果來看，所開發(fā)的超早強快速修補砂漿各項性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，耐腐蝕能力突出。

2.3 高耐腐蝕聚合物修補砂漿耐酸試驗研究

模擬污水構(gòu)筑物的酸性腐蝕環(huán)境，分別配制 pH 值為0.3 和 5.5 的強酸性模擬腐蝕液和弱酸性模擬腐蝕液。成型C40 普通混凝土，在表面涂覆 3 mm 厚本文制備的高耐腐蝕聚合物修補砂漿并養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，干濕循環(huán)或長期浸泡于上述兩種模擬腐蝕液，浸泡齡期為 180 d，浸泡至目標(biāo)齡期后，測試觀察高耐腐蝕聚合物修補砂漿的腐蝕情況、對內(nèi)部混凝土的保護作用，并測試內(nèi)部混凝土的電通量和殘余抗壓強度。結(jié)果如表 10 和圖 1 所示。

表10 混凝土強度及在酸性腐蝕溶液中浸泡后強度

圖1 涂覆高耐腐蝕聚合物修補砂漿的混凝土試塊的外觀形貌

從圖 1 和表 10 可以看出，聚合物水泥修補砂漿在弱酸性環(huán)境中具有較好的耐腐蝕性，在溶液中浸泡 180 d 后，砂漿表面完整，無任何腐蝕后的粉化剝落現(xiàn)象，表明制備的聚合物水泥砂漿具有較好的耐弱酸腐蝕性能。聚合物修補水泥砂漿在強酸溶液中受腐蝕較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了明顯的粉化剝落，實際上任何無機類水泥砂漿在如此低 pH 值的酸性腐蝕液中均會受到腐蝕。此外，無論混凝土試塊表面的耐腐蝕修補砂漿是否受到腐蝕，都對內(nèi)部混凝土試塊起到了較好的保護作用。與同齡期基準(zhǔn)試塊相比，混凝土的抗壓強度僅降低6%～7%，電通量則反而有所明顯的增加。

通過試驗結(jié)果可以預(yù)測，采用高耐腐蝕聚合物修補砂漿可對污水混凝土構(gòu)筑物起到較好的保護作用。

3 結(jié) 語

（1）隨著可再分散乳膠粉摻量的增加，修補砂漿的粘結(jié)強度明顯提高，當(dāng)膠粉 a 的摻量達到 6% 時，28 d 粘結(jié)強度達到最高的 2.4 MPa。

（2）隨著聚合物膠粉摻量的增加，修補砂漿不同齡期的抗壓強度和抗折強度呈逐漸下降的趨勢。

（3）聚合物膠粉 a 能夠顯著降低水泥砂漿的氯離子擴散能力，改善水泥砂漿的抗氯離子侵蝕能力；

（4）采用硫鋁酸鹽水泥取代 5% 普通硅酸鹽水泥，同時摻加 10% 的粉煤灰、5% 的硅灰作為摻合料，摻加 4% 的聚合物膠粉 a，0.2% 的聚合物膠粉 b，可使高耐腐蝕聚合物修補砂漿具有較好的綜合性能，并且其各項性能指標(biāo)均滿足JC/T 2381—2016《修補砂漿》中的要求。

（5）聚合物水泥修補砂漿在弱酸性環(huán)境中具有較好的耐腐蝕性，在其中浸泡 180 d 后，砂漿表面完整，無任何腐蝕后的粉化剝落現(xiàn)象，并且與同齡期基準(zhǔn)試塊相比，混凝土的抗壓強度僅降低 6%～7%，電通量則反而有所明顯的增加，這都表明制備的聚合物水泥砂漿具有較好的耐弱酸腐蝕性能。