水利工程PA改良注漿材料耐腐蝕性研究

王敬宇，唐 穎

(1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223215)

2020年國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部等部委先后印發(fā)相關(guān)文件，對(duì)塑料污染治理工作作出整體部署和安排[1]。塑料在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，是重要的基礎(chǔ)材料，PA材料即是其中的一種。然而，由于PA材料具有良好的拉伸強(qiáng)度、耐沖擊強(qiáng)度、剛性、耐磨性，因此被廣泛用于改性混凝土，同時(shí)還能有效解決廢棄塑料的環(huán)境污染問題[2]。而在水利工程建設(shè)中，混凝土是修建各種水工建筑物的重要材料[3-4]，其強(qiáng)度和各方面物理性質(zhì)直接決定工程竣工后的服役年限和安全運(yùn)營。因此，結(jié)合PA材料研究改性混凝土材料的工程性能，將對(duì)環(huán)境的保護(hù)和各建筑對(duì)象性能的提升有著重要意義。

目前，已有文獻(xiàn)對(duì)PA改性混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究[5]，但少有文獻(xiàn)對(duì)PA改性混凝土的耐腐蝕性進(jìn)行研究，多數(shù)學(xué)者都集中于對(duì)普通混凝土和部分改良混凝土進(jìn)行研究。侯瑩瑩[5]采用單摻雜、混合摻雜聚丙烯纖維(PF)和鋼纖維(SF)的方法, 制備了混雜纖維增強(qiáng)混凝土(HFRC)，利用液壓試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)、硫酸鈉浸泡腐蝕等方法評(píng)估了纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性以及耐硫酸鹽腐蝕性能。李北星[6]等針對(duì)硫酸鹽鹽漬土地區(qū)半埋混凝土的耐久性，開展了3種大摻量礦物摻合料混凝土在硫酸鈉溶液中的半浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了硫酸鹽半浸泡混凝土的腐蝕破壞機(jī)理，以及礦物摻合料在其中發(fā)揮的作用。孫紹霞[7]等以青島某游艇產(chǎn)業(yè)園樁基工程為依托，通過制備7種不同配合比的樁基混凝土試樣，分析了不同齡期混凝土的力學(xué)性能，并采用RCM法分析混凝土抗氯離子滲透性能,并采用室內(nèi)176d模擬加速試驗(yàn)分析其抗硫酸鹽腐蝕性能。喬宏霞[8]等針對(duì)因鋼筋腐蝕而造成鎂水泥鋼筋混凝土使用壽命較短的問題，制備不同涂層鋼筋的鎂水泥混凝土試件，通過CS350工作站及其分析軟件對(duì)不同齡期試件進(jìn)行測試分析,根據(jù)腐蝕電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率及涂層電阻等電化學(xué)參數(shù),衡量同種涂層鋼筋在不同環(huán)境下的抗腐蝕性能。

本文為研究PA改良混凝土的耐腐蝕性能，以傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土為參照物，分析PA改良混凝土在不同酸性環(huán)境下的強(qiáng)度、質(zhì)量損失，以期為認(rèn)識(shí)和了解PA改良混凝土的耐腐蝕性提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

采用浙江某電廠的粉煤灰作為原材料，密度為2.36 g/cm3，比表面積2 800 cm2/g，屬于F級(jí)粉煤灰，通過XRD光譜分析，測得其主要的化學(xué)成分為SiO2、Al2O3，CaO。復(fù)合堿激發(fā)劑由水玻璃和NaOH按一定的比例配合而成，水玻璃為市售液體水玻璃，NaOH為無錫亞泰聯(lián)合化工公司生產(chǎn)的純度高于99%的固體分析純。試驗(yàn)所用的濃硫酸、濃鹽酸、硫酸鎂試劑均為優(yōu)級(jí)純試劑，購于揚(yáng)州市華富化工有限公司, PA材料購于東莞市霖源實(shí)業(yè)有限公司，表觀密度27.7 kg/m3。圖1為本次試驗(yàn)用PA材料，圖2為本次試驗(yàn)用混凝土漿液，表1為硅灰各組分含量。

表1 硅灰各組分含量

圖1 試驗(yàn)用PA材料

圖2 試驗(yàn)用混凝土漿液

根據(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，此次試驗(yàn)配料為PA 220 kg/m3，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3。試驗(yàn)先在攪拌機(jī)中干拌3 min，之后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液添加到固體中，濕拌4 min，同時(shí)制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm×100 mm中振動(dòng)成型，待觀察無任何凝結(jié)跡象，抗壓強(qiáng)度無任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)PA改性混凝土塊養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d后，將其分別浸泡在HCl、H2SO4和MgSO4溶液中，其中每種溶液包含5%、8%、10% 共3種濃度，浸泡時(shí)間為7、14、28 d。試驗(yàn)中，普通硅酸鹽混凝土將作為對(duì)照組，不進(jìn)行浸泡，試驗(yàn)前后主要觀察指標(biāo)為立方體抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量變化量。表2為本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 PA混凝土在酸性溶液中抗壓強(qiáng)度對(duì)比

本次混凝土立方體抗壓試驗(yàn)儀器采用由濟(jì)南悅達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的混凝土軸心抗壓試驗(yàn)機(jī)，主要參數(shù)包括最大試驗(yàn)力2 000 kN、壓盤尺寸Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。圖3為本次試驗(yàn)儀器。

圖3 立方體抗壓儀器

試驗(yàn)時(shí)，每組3塊試件，養(yǎng)護(hù)28 d后，按照最新標(biāo)準(zhǔn)《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)，分別進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試，得到其平均值。表3中給出了普通硅酸鹽混凝土與PA混凝土的未浸泡28 d立方體抗壓強(qiáng)度，以及分別浸泡在酸溶液中不同天數(shù)后的抗壓強(qiáng)度平均值。由表3可知，未浸泡時(shí)，PA改良混凝土的強(qiáng)度要低于普通硅酸鹽混凝土，但是這與水灰比(W/C)、塑料集料替代度(RPA)、廢塑料的類型和形狀等有關(guān), 具體可參考文獻(xiàn)[9]。兩種混凝土在酸溶液中浸泡之后，抗壓強(qiáng)度都隨浸泡天數(shù)逐漸降低。在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土強(qiáng)度由50.2 MPa降低至39.8 MPa，而在硫酸溶液中浸泡28 d后，強(qiáng)度降低至20.6 MPa。對(duì)于PA混凝土，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，強(qiáng)度由37.6 MPa降低至30.7 MPa；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，強(qiáng)度降低至28.1 MPa。在鹽酸溶液中出現(xiàn)強(qiáng)度降低是由于骨架結(jié)構(gòu)中的 Si-O-Si、Si-O-Al 結(jié)構(gòu)塊體開始溶解并重組生成少量沸石，沸石的生成對(duì)塊體的強(qiáng)度發(fā)展不利；而在硫酸溶液中，混凝土塊孔隙會(huì)生成部分硫酸鈣，從而破壞了孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

表3 浸泡與未浸泡的立方體抗壓強(qiáng)度

為進(jìn)一步對(duì)比普通混凝土耐酸性能與經(jīng)過PA改良后的混凝土耐酸性能差異，將浸泡在鹽酸與硫酸中7、14、28 d后的抗壓強(qiáng)度降低比分別繪制于圖4與圖5中。

圖4 HCl溶液中強(qiáng)度降低比

圖5 H2SO4溶液中強(qiáng)度降低比

由圖4可知，PA混凝土在鹽酸中的強(qiáng)度降低比明顯低于普通混凝土。其中，在浸泡7d后，普通混凝土強(qiáng)度損失13.1%，PA混凝土損失8.8%；在浸泡14 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失17.7%，PA混凝土損失13.3%；在浸泡28 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失20.7%，PA混凝土損失18.4%。由圖5可知，PA混凝土耐酸性能同樣表現(xiàn)優(yōu)異。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失25.9%，PA混凝土損失12.7%；在浸泡14 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失42.8%，PA混凝土損失17.8%；在浸泡28 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失58.9%，PA混凝土損失25.3%。此外，兩種混凝土在硫酸溶液中的腐蝕性要高于在鹽酸溶液中的腐蝕性。

3 PA混凝土在酸性溶液中質(zhì)量損失率對(duì)比

為進(jìn)一步對(duì)比分析普通混凝土與經(jīng)過PA改良后的混凝土在酸溶液中的質(zhì)量損失，表4中給出了普通硅酸鹽混凝土與PA混凝土塊的未浸泡前質(zhì)量，以及分別浸泡在酸溶液中不同天數(shù)后的質(zhì)量平均值。由表4可知，兩種混凝土在酸溶液中浸泡之后，質(zhì)量都隨浸泡天數(shù)逐漸減少。在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質(zhì)量由8.71 kg降低至8.44 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，質(zhì)量降低至8.10 kg。而對(duì)于PA混凝土，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，質(zhì)量由7.84 kg降低至7.76 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，質(zhì)量降低至7.58 kg。

表4 浸泡與未浸泡的混凝土塊質(zhì)量損失

將浸泡在鹽酸與硫酸中7、14、28 d后的質(zhì)量損失率分別繪制于圖6與圖7中。

圖6 HCl溶液中質(zhì)量損失百分比

圖7 H2SO4溶液中質(zhì)量損失百分比

由圖6可知，PA混凝土的質(zhì)量損失率明顯低于普通混凝土，且在鹽酸中的損失速率也低于普通混凝土。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土質(zhì)量損失1.38%，PA混凝土損失0.51%；在浸泡14 d后，普通混凝土質(zhì)量損失1.95%，PA混凝土損失0.64%；在浸泡28 d后，普通混凝土質(zhì)量損失3.1%，PA混凝土損失1.02%。由圖7可知，在硫酸溶液中浸泡7 d后，普通混凝土質(zhì)量損失4.59%，PA混凝土損失1.4%；在浸泡14 d后，普通混凝土質(zhì)量損失6.08%，PA混凝土損失2.55%；在浸泡28 d后，普通混凝土質(zhì)量損失7%，PA混凝土損失3.3%。此外，兩種混凝土在硫酸中溶液中的質(zhì)量損失率要高于在鹽酸溶液中的質(zhì)量損失。

4 結(jié) 論

本文為研究PA改良混凝土的耐腐蝕性能，以傳統(tǒng)硅酸鹽混凝土為參照物，分析了PA改良混凝土在不同酸性環(huán)境下的強(qiáng)度、質(zhì)量損失，結(jié)論如下：

1)硫酸溶液對(duì)普通混凝土與PA混凝土的腐蝕性要高于鹽酸溶液的腐蝕性，但PA混凝土在兩種酸溶液中的強(qiáng)度明顯高與普通混凝土。其中，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土強(qiáng)度損失20.7%，PA混凝土僅損失18.4%；而在硫酸溶液中，普通混凝土強(qiáng)度損失58.9%，PA混凝土僅損失25.3%。

2)兩種混凝土在硫酸溶液中的質(zhì)量損失率要高于在鹽酸溶液中的質(zhì)量損失。但PA混凝土的質(zhì)量損失率明顯低于普通混凝土。其中，在鹽酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質(zhì)量損失3.1%，PA混凝土僅損失1.02%；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土質(zhì)量損失7%，PA混凝土僅損失3.3%。