碱激发胶凝材料抗酸侵蚀性的试验研究

胡 洁 郑娟荣

0 引言

随着现代工业的蓬勃发展，建筑结构物所面临的环境日益苛刻，酸性环境就是其一，频繁的酸雨、pH值小于5的地下水以及自然界和化工生产中的酸性环境等，都对其结构的耐久性造成极大的冲击，而传统的硅酸盐水泥混凝土结构在酸性环境的侵蚀下显得力不从心。因此，寻求、开发研制耐酸的新型建筑材料是一个重要而迫切的课题。

碱激发胶凝材料是一类环保型的新型胶凝材料，由碱性激发剂和潜在胶凝材料组分组成，其中碱性激发剂是苛性碱和可溶性硅酸盐或者碳酸盐、磷酸盐等;潜在胶凝材料组分为粒化高炉矿渣、粒化磷渣、钢渣、粉煤灰、偏高岭土或以上两种或两种以上的混合物。这类胶凝材料的反应产物具有三维网状结构(与普通水泥有本质区别)，具有优越的耐酸性。本论文对以碱激发偏高岭土(Alkali-Activated Metakaolinite，AAM)、碱激发矿渣(Alkali-Activated Slag，AAS)和碱激发粉煤灰(Alkali-Activated Fly-ash，AAF)为研究对象，普通硅酸盐水泥(Ordinary Portland Cement，OPC)为对比样，酸性侵蚀液分为5%稀硫酸溶液和40%浓硫酸溶液。

1 材料与方法

1.1 原材料

1)矿渣、水泥、偏高岭土、粉煤灰:化学成分见表1。

2)碱性激发剂:模数为 1.5，24.08%SiO2，16.59%Na2O 和58.12%H2O。

3)试验中用砂为干净河砂，细度模数为2.7的中砂，石子为粒径5 mm～15 mm的耐酸铸石。

4)水:实验中用水均为自来水。

表1 原材料的化学成分 %

1.2 样品制备

本试验制备了砂浆和混凝土试块，试块配合比见表2和表3。试块成型方法:将各种原料按比例混合均匀，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm(砂浆试块)和100 mm×100 mm×100 mm(混凝土试块)的钢模中，表面用塑料薄膜覆盖，在20℃的室内静置24 h脱模，但粉煤灰样品需要在75℃ ×24 h保湿养护并冷却后才脱模，脱模后的试块放入温度(20±3)℃的水中养护28 d，试块供耐酸试验。

1.3 试验方法

1)砂浆试块。

将砂浆试块放入5%稀硫酸溶液中进行耐稀酸试验，砂浆试块浸酸前和浸酸28 d后，测试其抗折强度和抗压强度，按国家标准GB 17671-1999水泥胶砂强度检验法进行试验。

2)混凝土试块。

根据我国GB 50212-2002建筑防腐蚀工程施工及验收规范，将混凝土试块放入40%浓硫酸溶液中进行浸酸安定性试验。浸泡28 d后，应取出试块，用水冲洗，阴干24 h，检查试块有无裂纹、起鼓、发酥和掉角等现象。若试块完整，试块表面和浸泡酸液亦无显著变色，则为合格。

表2 砂浆试块配合比

表3 混凝土试块配合比

2 试验结果及讨论

2.1 砂浆试块浸入5%稀硫酸前后的强度变化

砂浆试块浸酸前后的抗折抗压强度结果见表4，浸酸28 d后的外观见图1。

表4 砂浆试块浸酸前后的强度变化

从表4的试验结果可以看出:水泥砂浆试块、矿渣砂浆试块和粉煤灰砂浆试块在5%稀硫酸溶液中浸泡28 d后与浸泡前相比，抗折强度和抗压强度都下降了。碱偏高岭土砂浆试块的抗折强度浸酸后下降的幅度最大，水泥砂浆的次之，碱矿渣砂浆和碱粉煤灰砂浆的强度下降的最少。但碱粉煤灰砂浆的抗折强度下降幅度较大，其原因还需试验进一步验证。

从图1可以看出:水泥砂浆试块和碱偏高岭土砂浆试块浸入5%稀硫酸28 d后，其外观已出现粉化现象，破坏已经比较严重;碱矿渣和碱粉煤灰砂浆试块浸入5%稀硫酸28 d后，其外观还很完整。

2.2 碱激发胶凝材料混凝土的浸酸安定性

碱激发胶凝材料混凝土浸入40%浓硫酸28 d前后的外观照片见图2。

从图2可以看出，碱激发粉煤灰(AAF)混凝土试块和碱激发矿渣(AAS)混凝土试块在40%工业硫酸浸泡28 d后，试块完整，试块表面和浸泡酸液亦无显著变色，因此其浸酸安定性是合格的。但是，本试验中的碱偏高岭土(AAM)混凝土在40%工业硫酸浸泡28 d后，试块不完整，所以，本试验中的碱偏高岭土混凝土的浸酸安定性是不合格的。

2.3 碱激发胶凝材料抗酸侵蚀机理的分析

Glukhovsky[1］认为碱矿渣胶凝材料的水化产物是C-S-H凝胶和结构类似沸石、长石、霞石的产物，与土壤中的沉积岩的组成相似。郑娟荣[2］的研究结果证明碱矿渣和碱粉煤灰胶凝材料的水化产物具有一定量的NH+4交换容量，说明水化产物中除含有CS-H凝胶外，还含有结构类似沸石的产物。沸石类矿物质结构是通过离子键、共价键和范德华键合的，并以前两类为主，因此结合力非常强，这可能是碱矿渣和碱粉煤灰胶凝材料比水泥更能抵抗有腐蚀性的硫酸侵蚀的根本原因，而普通硅酸盐水泥的水化物则以范德华键和氢键为主。但是，碱偏高岭土胶凝材料是由无定形的Si-O-Al的低聚物把残留的偏高岭石层片状粒子连接起来形成最初的凝聚态结构，产生了凝结和最初的强度，最终强度的大小取决于 pH值大小[3］。

本文试验的碱偏高岭土胶凝材料是在较低的温度(20℃)下养护，可能在浸酸试验时低聚物之间存在着未反应完的自由碱，当与酸接触会发生酸碱反应，从而降低低聚物之间的碱度和强度，最终会使试块破坏。在相同养护条件下，矿渣的活性(其中有CaO成分)高于偏高岭土，前者的碱激发反应较后者快，低聚物之间自由碱减少，所以，耐酸性好一些。碱粉煤灰材料是在较高温度(75℃)养护24 h脱模，其碱激发反应已完成，低聚物之间已基本键合，所以，这是本文试验中耐酸性(包括稀酸和浓硫酸)最好的材料。

综上所述，胶凝材料的耐酸性与反应产物的种类和微结构(包括碱和孔隙的分布状态)有关，养护条件(温度、湿度和龄期)对后者有大的影响。所以，胶凝材料的耐酸性材料性能的综合反应，不仅仅由反应产物的种类决定，即与反应产物的NH+4交换容量没有相关性。

3 结语

1)碱矿渣和碱粉煤灰胶凝材料的耐酸侵蚀性能最好，水泥次之，常温条件下制备的碱偏高岭土胶凝材料的耐酸性能最差。2)胶凝材料的耐酸性是材料性能的综合反应，不仅仅由反应产物的种类决定。

[1]Roy D.M.Alkali-activated cements:Opportunities and challenges[J］.Cem.Concr.Res，1999(29):249-254.

[2]郑娟荣，胡 洁.碱激发胶凝材料及固化Pb2+的试验研究[J］.环境工程学报，2009(4):733-738.

[3]文梓芸，殷素红，代新样，等.碱硅酸反应和碱激发胶凝材料的共同规律与原理[A］.第二届全国化学激发胶凝材料研讨会(论文集)[C］.2007:24-32.