摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環(huán)—硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)研究

賈洪全

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

新疆鹽堿地分布廣泛,其土壤水和地下水中含有豐富的硫酸鹽[1],會對水工混凝土建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕破壞。同時(shí),新疆早晚溫差較大,在地下水位低和地下水位變幅大的地層中,其干濕交替作用也會對混凝土構(gòu)筑物造成損傷。干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下的損傷疊加將加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和失效,嚴(yán)重縮短其耐久性能和服役壽命[2]。已建的克孜爾水庫、635水利樞紐和某大型輸水干渠等水利工程均遭遇了硫酸鹽侵蝕難題,引起了嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。研究表明,改善水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)、控制膠凝材料組分等[3]能大幅提高其抗硫酸鹽侵蝕性能。將礦渣粉應(yīng)用于水泥混凝土不僅能改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能[4,5],還能變廢為寶,順應(yīng)綠色低碳發(fā)展潮流。因此,開展摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能研究具有重要的實(shí)用意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對摻礦渣粉水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能已開展了大量研究。通過干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕試驗(yàn),金祖權(quán)等[6]認(rèn)為S95級礦渣粉能改善水泥基材料的抗侵蝕性能;Nie等[7]認(rèn)為S95級礦渣粉可提高水泥基材料的抗侵蝕性能,S75級礦渣粉則會對抗侵蝕性能產(chǎn)生不利影響;王曉波等[8]認(rèn)為S105級礦渣粉可顯著提高水泥基材料的抗侵蝕性能。雖然已有研究在試驗(yàn)中采用的干濕循環(huán)制度存在差異,但摻S95級以上等級的礦渣粉水泥基材料具有較為優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能得到了學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)可。

前人研究中,礦渣粉等級較高,干濕循環(huán)制度與混凝土實(shí)際服役情況差異較大。為此,本文根據(jù)新疆的氣候條件制定干濕循環(huán)制度,采用S75級礦渣粉配制水泥膠砂試件開展干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。宏觀上通過測定不同侵蝕齡期下試件的抗蝕系數(shù),觀測其外觀形態(tài)變化,探究摻礦渣粉水泥基材料的抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能;微觀上通過掃描電子顯微鏡觀測試件微觀形貌,進(jìn)一步分析S75級礦渣粉改善水泥基材料抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕的內(nèi)在作用機(jī)理。以期為S75礦渣粉更好應(yīng)用于新疆地區(qū)鹽堿地中的水工混凝土工程提供參考基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥,比表面積389m2/kg,安定性合格。礦渣粉:S75級礦渣粉,比表面積437m2/kg,活性指數(shù)64%(7d)、91%(28d),礦渣粉顆粒電鏡照片見圖1。砂:滿足《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)要求的標(biāo)準(zhǔn)砂。水:拌和用水為城市自來水,配制侵蝕溶液采用蒸餾水。硫酸鈉:無水硫酸鈉(分析純)。

圖1 礦渣粉顆粒電鏡照片

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 水泥膠砂試件配合比

1.2.2 試驗(yàn)過程

K=R液/R水

(1)

式中:K為抗蝕系數(shù);R液為試件在侵蝕溶液中被侵蝕規(guī)定齡期后的抗折強(qiáng)度,MPa;R水為試件在淡水中養(yǎng)護(hù)至同齡期的抗折強(qiáng)度,MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件抗蝕系數(shù)劣化規(guī)律

干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕后各配比膠砂試件的抗蝕系數(shù)變化見圖2。由圖2可以看出,各配比膠砂試件的抗蝕系數(shù)隨侵蝕齡期的延長均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。僅15次干濕循環(huán)后,各配比膠砂試件的抗蝕系數(shù)均有不同程度的降低,說明干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕破壞速率較快。相比于S0試件,S1和S2試件的抗蝕系數(shù)分別提高2.5%～5.9%和1.6%～10.1%,并且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試件抗蝕系數(shù)的差值逐漸增大;說明水泥基材料水膠比為0.40時(shí),摻S75級礦渣粉能顯著提高其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能,且摻量越大,侵蝕齡期越長,提高效果越明顯。

圖2 不同配比膠砂試件的抗蝕系數(shù)變化曲線

由圖2還可以看出,水膠比為0.50的S3和S4試件的抗蝕系數(shù)比S1和S2試件分別降低2.6%～23.0%和0.2%～12.7%,S3試件的抗蝕系數(shù)比S0降低10.7%～19.0%,侵蝕前期S4試件的抗蝕系數(shù)大于S0試件,但干濕循環(huán)次數(shù)大于105次后,抗蝕系數(shù)仍降低2.2%～3.9%;說明水膠比也是影響摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能的重要因素,并且水膠比的影響程度大于礦渣粉摻量,摻礦渣粉水泥基材料的水膠比較大時(shí),其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能仍舊較差。

綜上所述,摻S75級礦渣粉能顯著改善水泥基材料的抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能,將S75礦渣粉應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的實(shí)用性;同時(shí),相比于高等級礦渣粉而言,S75級礦渣粉價(jià)格低廉,應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。在類似于新疆干旱區(qū)鹽堿地中服役的混凝土結(jié)構(gòu),其水膠比宜小于0.40,礦渣粉摻量宜大于30%。

2.2 試件外觀形態(tài)變化

干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕后S1和S4試件的外觀形貌見圖3和圖4?？梢钥闯?干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕后,S1試件的外觀基本完整,僅表面出現(xiàn)零星坑點(diǎn),邊角出現(xiàn)輕微剝落,有少許砂集料漏出;而S4試件的侵蝕破壞比較嚴(yán)重,表面、棱邊大面積剝落,現(xiàn)出大量凹坑,端部剝落最為嚴(yán)重,基本已經(jīng)磨圓,砂集料全部外露,個(gè)別試件出現(xiàn)彎曲變形。由此可見,相同侵蝕齡期下,水膠比為0.40的摻礦渣粉水泥基材料抵抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕破壞能力較好,僅出現(xiàn)輕微侵蝕破壞現(xiàn)象,相應(yīng)的抗蝕系數(shù)也較大;水膠比為0.50的摻礦渣粉水泥基材料抵抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕破壞能力較差,即使礦渣粉摻量增加到50%后,侵蝕破壞仍較為嚴(yán)重,侵蝕后期的抗蝕系數(shù)降幅較大。

圖3 S1試件干濕循環(huán)120次后的外觀形態(tài)

圖4 S4試件干濕循環(huán)120次后的外觀形態(tài)

2.3 干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕機(jī)理分析

圖5 S4試件干濕循環(huán)120次后的微觀形貌

S2試件干濕循環(huán)120次后的微觀形貌見圖6。可以看出,礦渣粉顆粒均勻填充在水泥石中,部分顆粒表面已發(fā)生二次水化,與水泥石緊密連接,整體密實(shí)程度較高,水泥石孔隙中未見侵蝕產(chǎn)物生成。這是因?yàn)榈V渣粉細(xì)度優(yōu)于水泥顆粒,填充了水泥顆粒間的空隙,優(yōu)化了膠凝材料級配;同時(shí)礦渣粉中含有的活性礦物SiO2、Al2O3等在水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2堿激發(fā)作用下進(jìn)行火山灰反應(yīng),消耗Ca(OH)2并生成新的水化硅酸鈣凝膠,細(xì)化了水泥石孔結(jié)構(gòu)[13]。因?yàn)榈V渣粉的火山灰反應(yīng)消耗了易被侵蝕的Ca(OH)2,減少了侵蝕內(nèi)因;填充作用和火山灰反應(yīng)新生成的水化硅酸鈣凝膠細(xì)化了水泥石孔結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了水泥石密實(shí)度,阻斷了硫酸鹽滲入通道,減少了侵蝕外因;所以有效減緩了化學(xué)侵蝕和物理侵蝕進(jìn)程,使得水泥基材料的抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能顯著提高。因?yàn)镾4試件水膠比較大、水泥石孔隙較多,致使硫酸鹽物理和化學(xué)侵蝕進(jìn)程大于礦渣粉的填充作用和火山灰效應(yīng),所以即使增加礦渣粉摻量,其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能仍相對較差,侵蝕破壞較為嚴(yán)重。

圖6 S2試件干濕循環(huán)120次后的微觀形貌

3 結(jié) 論

a.水泥基材料中摻入30%～50%的S75級礦渣粉能顯著改善其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能,且隨礦渣粉摻量的增大和水膠比的減小而增強(qiáng)。在高水膠比水泥基材料中摻入礦渣粉,其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能仍然較差。

b.在類似于新疆干旱區(qū)鹽堿地環(huán)境中服役的混凝土結(jié)構(gòu),其水膠比應(yīng)宜小于0.40,礦渣粉摻量宜大于30%。將礦渣粉應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

c.干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕下,水泥基材料不僅受到侵蝕產(chǎn)物鈣礬石和石膏的化學(xué)侵蝕作用,還會疊加十水硫酸鈉晶體的物理損傷;侵蝕破壞表現(xiàn)為表面剝落、砂集料外露和彎曲變形。礦渣粉的填充作用和火山灰效應(yīng)大幅延緩了硫酸鹽物理和化學(xué)侵蝕進(jìn)程,從而顯著提高了水泥基材料的抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能。