王云天,王起才,郭玉柱,谢松林
(兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,甘肃 兰州 730070)
混凝土的耐久性已经成为一个不可忽视的问题,其中硫酸盐侵蚀是一个重要的方面。硫酸盐侵蚀的影响因素复杂,危害性大[1]。硫酸盐侵蚀对混凝土的破坏主要表现为膨胀、开裂、剥落等,混凝土的硫酸盐侵蚀主要受到自身材料与周边环境的影响。
在我国西北地区,分布有大量的盐渍土、盐湖,其中硫酸盐含量很高,这对混凝土建筑物提出了更高的耐久性特别是抗硫酸盐侵蚀的要求。目前,国内外学者关于混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究已经取得了很多非常有价值的成果[2-6],然而,大多数研究都是在常温环境下进行的,对低温环境下的研究较少,并且大多采用膨胀率作为硫酸盐侵蚀的评价指标,对力学性能的研究较少[7-10]。本文针对5℃下硫酸钠溶液侵蚀不同水胶比的水泥砂浆试件,通过对水泥砂浆经硫酸盐侵蚀后的外观、力学性能变化进行分析,研究了水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能,为在西北地区低温环境下选择适宜的抗硫酸盐水泥基材料提供参考。
水泥:P·O42.5(OPC),中抗硫酸盐水泥(SRC),甘肃省祁连山水泥集团股份有限公司,性能指标见表1;砂:中砂,细度模数为2.7,表观密度2650 kg/m3,松散堆积密度1640 kg/m3,紧密堆积密度1770 kg/m3,含泥量2.9%,筛去5 mm以上颗粒;纳米SiO2颗粒:SiO2含量大于99%,比表面积大于80 000 m2/kg,自制;活性矿粉:兰州有色金属研究院产,性能指标见表2;减水剂:聚羧酸高性能减水剂,含固量40%,江苏苏博特新材料公司,作为混凝土减水剂和纳米材料分散剂使用,性能指标见表3;侵蚀溶液:3%的硫酸钠溶液,使用无水硫酸钠配制。
表1 水泥的主要性能指标
表2 矿粉的性能指标
表3 聚羧酸高性能减水剂的主要性能
试验仪器:恒温养护箱、人工气候模拟试验箱、压力试验机、抗折强度试验机等。
设计了4种配合比,除了OPC与SRC外,为了研究矿物掺合料对水泥基材料抗硫酸盐性能的影响,同时制作了2组分别在OPC中掺加15%矿粉+1%纳米SiO2与15%矿粉+3%纳米SiO2的试件。试验采用0.36、0.50这2种水胶比,为了保证2种水胶比有同样的流动性,在A3、B3、C3、D3试样中均掺加1.5%的聚羧酸高性能减水剂,配合比设计见表4。
表4 砂浆的配合比
将原材料按表3中的配合比充分混合搅拌,分别制作0.36、0.50这2种水胶比尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试件,试件成型24 h后拆模,放入标准养护室中养护。在养护28 d后测试原始强度,剩余试件放入自制浸泡箱内,分别置于(5±1)℃恒温环境下3%Na2SO4溶液与水中继续养护。为了保持硫酸钠溶液pH值及浓度稳定,每隔7 d测试溶液pH值,并用硫酸溶液进行滴定,并且每月将溶液更换1次。每隔30 d测试砂浆试件抗折强度与抗压强度,综合评价其抗硫酸盐侵蚀性能,直至浸泡时间达到180 d为止,砂浆抗硫酸盐侵蚀性能采用抗蚀系数K进行评价:
式中:fs——浸泡在硫酸盐溶液中t龄期试件的抗折强度,MPa;
fw——浸泡在水中同龄期试件的抗折强度,MPa。
各组砂浆试样在浸泡120 d时未出现明显的变化,但是随着浸泡时间的继续延长,部分砂浆试样的棱、边角处出现开裂、剥落破坏。表5中列出了不同水胶比砂浆试样的外观破损情况。
表5 砂浆试件在3%Na2SO4溶液中浸泡180 d后外观破损情况
由表5可以看出,低水胶比砂浆试件破坏程度较轻,这是因为低水胶比砂浆试样比较密实,砂浆的孔隙和裂缝比较少,硫酸根离子渗入砂浆内部比较困难,硫酸盐侵蚀速率比较慢。从试件外观破损情况来看,OPC抵抗硫酸盐侵蚀性能最差,SRC与加入15%矿粉+1%纳米SiO2掺合料组基本相同,加入15%矿粉+3%纳米SiO2掺合料组性能最好。
图1为不同水胶比试样在3%Na2SO4溶液中抗折强度随龄期的变化情况。
图1 不同水胶比水泥砂浆抗折强度随龄期的变化
由图1可见,低水胶比试件在浸泡初始时强度较高,2种水胶比试件前期抗折强度呈现先快后缓的增长趋势。初始强度较高是由于水胶比的降低提高了砂浆的强度,同时,前期强度的快速提高可能是由于水泥水化产物与硫酸盐反应生成的钙矾石与石膏填充了砂浆内部孔隙,使砂浆内部结构更加致密,后期增长缓慢可能是由于生成产物填充了表面的孔隙,减缓了硫酸盐的进入。
从图1(a)可以看出,A组普通硅酸盐试件的强度在150 d时达到最高,而后突然降低,在180 d时强度较最大值降低了28%;B组与矿物掺合料C组强度比较接近,B组在后期强度基本保持稳定,而C组在后期依然有缓慢增长,在180 d时B、C组强度基本相同;D组15%矿粉+3%纳米SiO2试件始终保持较高的强度,并且高于其余3组,在120d后强度增长放缓。
从图1(b)可以看出,A组在150 d时强度达到最大值后开始降低,但是降低幅度明显低于0.50水胶比试件;中抗硫水泥B组与矿物掺合料C组强度不同于0.50水胶比试件,C组在90 d后强度便高于B组;D组依然是4组试件中强度最高的,并且强度始终在缓慢增长。
从水泥砂浆抗折强度的发展趋势来看,水胶比的降低提高了砂浆试件的强度,其中0.36水胶比的B、C、D组都高于同龄期0.50水胶比试件,特别是加入了矿物掺合料的试件更加明显。综合来看,2种水胶比下水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀能力D组>C组>B组>A组。
图2为不同水胶比试样在3%Na2SO4溶液中抗压强度随龄期的变化情况。
图2 不同水胶比水泥砂浆抗压强度随龄期的变化
由图2(a)可见,A组普通硅酸盐水泥在150 d时强度达到最高后开始降低,在180 d时强度较最大值降低了4%;B组中抗硫水泥强度增长先快后缓,在120 d后基本没有变化;加入矿物掺合料的C、D组试件强度都在持续增长,在120 d后强度增长速率开始减缓,同时D组在90 d后强度就高于其它3组。
由图2(b)可以看出,0.36水胶比砂浆试样初始强度都要高于0.50水胶比试件,并且强度总体高于同龄期0.5水胶比试件。A组普通硅酸盐水泥试件在150 d后强度开始降低,但降低幅度小于0.5水胶比时,在180 d时较最大值降低了1%;B、C组在90 d后强度都没有明显变化,特别是C组与0.5水胶比的强度持续增长不同;D组强度一直高于其余3组,并且抗压强度一直保持增长的趋势。
从水泥砂浆抗压强度的发展趋势来看,低水胶比试件强度更高,特别是加入矿物掺合料的试件更加明显。综合来看,2种水胶比下水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀能力D组>C组>B组>A组。
图3为不同水胶比砂浆试件的抗蚀系数随龄期的变化情况。
由图3可见,水胶比影响了砂浆的抗蚀系数。对于A组普通硅酸盐水泥砂浆试件来说,0.50水胶比下波动更大,0.36
图3 不同水胶比试件抗蚀系数随龄期的变化
水胶比下抗蚀系数更加平稳,在180 d时,0.50、0.36水胶比下抗蚀系数分别为0.95、1.02,低水胶比明显有着更优异的抗硫酸侵蚀性能。B组中抗硫水泥试件前期抗蚀系数有所波动,后期2种水胶比下差异不大,说明中抗硫水泥在不同水胶比下都有良好的抗硫酸盐侵蚀性能,在180 d时,0.50、0.36水胶比下抗蚀系数分别为1.12、1.11。
加入矿物掺合料的2组砂浆试件都是0.36水胶比的抗蚀系数高于0.50水胶比,在2种水胶比下C、D组在后期抗蚀系数都没下降,体现了良好抗硫酸盐侵蚀性能,在低水胶比下更明显。C组在180d时、0.50、0.36水胶比下抗蚀系数分别为1.06、1.10,D组分别为1.15、1.15,D组抗蚀系数是4组中最高的。
硫酸盐溶液中的硫酸根离子与水泥水化产物发生反应生成钙矾石与石膏,特别在低温下还可能生成碳硫硅钙石,这都会导致水泥基材料的破坏。普通硅酸盐水泥试件在180 d时已经明显受到硫酸盐侵蚀的影响,强度开始降低。中抗硫酸盐水泥由于控制了C3A含量,减少了参与反应的水化产物,明显改善了抗硫酸盐侵蚀能力。矿物掺合料的加入不但减少了水泥砂浆中的水泥用量,并且可以通过火山灰反应消耗水化产物中的CH,而CH正是生成腐蚀产物的重要来源。可以明显看出,加入了矿物掺合料的砂浆试件明显改善了抗硫酸盐侵蚀性能,并且随着活性掺合料掺量的提高,效果越明显,特别是在低水胶比下。
从抗蚀系数可以看出,A组普通硅酸盐水泥砂浆试件的抗硫酸盐性能最差,B组中抗硫酸盐水泥砂浆试件与掺入1%纳米SiO2的C组试件基本相同,掺入3%纳米SiO2的D组试件抗硫酸盐侵蚀性能最好。
(1)在5℃下,A组普通硅酸盐水泥砂浆试件的抗硫酸盐性能最差,B组中抗硫酸盐水泥试件与掺入1%纳米SiO2的C组试件基本相同,掺入3%纳米SiO2的D组试件抗硫酸盐侵蚀性能最好。
(2)降低水胶比可以提高水泥砂浆在5℃下的抗硫酸盐侵蚀能力。
(3)矿物掺合料的掺入可以明显提高水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能,C组掺15%矿粉+1%纳米SiO2的性能接近中抗硫酸盐水泥;D组掺15%矿粉+3%纳米SiO2的抗硫酸盐侵蚀能力最好。
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