绿色韧性水泥基材料腐蚀及自愈合性能研究

王怀成，鲍文博，李林凤，王东旭

（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，水泥基复合材料的应用越来越广泛，但环境中的SO42-会使得水泥基复合材料受到腐蚀，降低其使用寿命，增加维护成本，更甚者，会因其产生腐蚀现象导致以水泥基复合材料为主体的结构破坏，造成工程事故，产生不必要的伤亡。我国部分地区的盐渍土中含有大量SO42-，某些工业相关的建筑也需要具有一定的抗硫酸盐腐蚀性。为保证工程质量，在这些地区及建筑中，水泥基复合材料的抗硫酸盐腐蚀性能尤为重要，因此对硫酸盐腐蚀现象的研究，得到了国内学者的广泛关注[1-4]。绿色韧性水泥基材料（GTCC）是从高性能、节约资源、绿色环保的角度出发，利用了工业废料尾矿砂，并用大比例的粉煤灰替代水泥。为了探究这种新型材料的抗硫酸盐腐蚀性能，在已对GTCC力学性能和耐久性能研究的基础上[5-6]，研究水胶比及PVA纤维体积掺量在干湿循环条件下对材料抗硫酸盐腐蚀性能的影响，以及PVA纤维体积掺量对材料在硫酸盐环境中自愈合性能的影响，为GTCC在工程中的应用提供依据。

1 试验

1.1 原材料

水泥：辽宁山水工源水泥有限公司生产的P·O42.5水泥；粉煤灰：沈阳热电厂的Ⅱ级粉煤灰；细骨料：沈阳市于洪区天顺砂厂的普通河砂，辽阳市鸡冠山矿山的尾矿砂，细骨料的细度模数为1.3左右；PVA纤维：东泰安同伴纤维有限公司生产，长度12 mm；减水剂：大连西卡公司生产，减水率最大可达40%，可使拌合后的混凝土有较好的粘聚性和较高的流动性；增稠剂：濮阳市三普化工有限公司生产的羟丙基甲基纤维素，可以有效地解决PVA纤维在水泥基复合材料拌和过程中成团、结块的现象，提高PVA纤维在水泥基复合材料中的分散性。

1.2 试样制备

试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，共采用9种配合比（见表1），其中PVA纤维体积掺量分别为0、1.5%和2.0%，水胶比采用0.40、0.45及0.50，减水剂和增稠剂掺量按占胶凝材料总质量计，尾矿砂与天然砂按1∶1的质量比混合。为保证试验结果的准确性，至少保证每组在每个试验阶段有3个有效试件。

表1 试验配合比

1.3 抗硫酸盐腐蚀干湿循环试验

GTCC的抗硫酸盐腐蚀干湿循环试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

（1）试件制备完成后放到标准环境下养护，26 d时从养护室取出，擦干试件表面水分，放入80℃烘干箱内烘48 h。烘干处理结束后，取出并放置一段时间，待试件冷却完毕，立即放到浓度为4%的Na2SO4溶液中，并保证溶液表面至少高于试件表面20 mm；试件浸泡时长15 h，取出、放置干燥环境中1 h，然后放入烤箱迅速升温至80℃，维持6 h，然后冷却2 h。如此为1个循环，1个循环周期时长为1 d。为了确保试验结果的准确性，在盐溶液浸泡过程中对容器做包裹保鲜膜、并盖上盖子的密封处理，每隔一段时间替换1次新配置的溶液，以使溶液浓度不变。

（2）在上述试验组的循环周期达到 7、15、30、60 d时，用压力机测试试样的抗压强度，按式（1）计算GTCC试件的抗压强度耐蚀系数Kf：

式中：fcn——n次腐蚀循环后受硫酸盐腐蚀的GTCC试件的抗压强度，MPa；

fc0——28 d龄期时GTCC试件的抗压强度，MPa。

1.4 湿循环下自愈合性能试验

湿循环下自愈合性能试验的试件采用表1中4#、5#、6#试件。

（1）试件制备完成后放到标准环境下养护至28 d时，晾干，测试每组的抗压强度，再根据抗压强度，对其余试验所需试件进行预制裂缝处理（即对其余试件进行抗压试验，加载到力值达到抗压强度的85%，持荷5 min，然后卸载，试件完整保持，并有肉眼可见的微小裂缝生成）。将上述经过预制裂缝处理的试件放置到浓度为4%的Na2SO4溶液中，同样对容器做包裹保鲜膜、并盖上盖子的密封处理，并且每隔一段时间替换一次新配置的溶液。

（2）待上述试件的养护龄期达到30、60、90 d时测试其抗压强度，并按式（2）计算强度恢复率Ks：

式中：fsn——预制裂缝处理的试件在硫酸钠溶液中腐蚀30、60、90 d 时的抗压强度，MPa；

fn——标准养护30、60、90 d时试件的抗压强度，MPa。

2 试验结果与分析

各组试件在不同干湿循环周期下的抗压强度耐蚀系数见表2。

表2 各组试件在不同干湿循环周期下的抗压强度耐蚀系数

2.1 PVA纤维掺量对GTCC抗硫酸盐腐蚀的影响

由表2可以看出，对于水胶比为0.45和0.50的4#～9#试件，随PVA纤维掺量的增加，试件的抗压强度耐蚀系数随之增大，并且其对提高材料的抗腐蚀性能的效果随着腐蚀循环次数的增加而越加显著。因此，掺加适宜的PVA纤维可以使材料的抗硫酸盐腐蚀性能得到一定的改善。PVA纤维的使用可以改善该材料抗硫酸盐腐蚀性能的主要原因是：纤维均匀并且方向随机的分布在材料中，在材料内部形成支撑体系，使的扩散分布更有组织化。

而对于水胶比为0.40的1#～3#试件，随PVA纤维掺量的增加，抗压强度耐蚀系数先增大后减小，但掺PVA纤维的试件抗压强度耐蚀系数依然高于未掺PVA纤维的试件。这更进一步说明了PVA纤维的使用可对材料的抗硫酸盐腐蚀性能有所改善，但材料的抗硫酸盐腐蚀性能并非与PVA纤维掺量一直成正比关系。所以，PVA纤维掺量应在考虑到其它因素的影响后控制在合理范围内。

2.2 水胶比对GTCC抗硫酸盐腐蚀的影响

由表2可知，PVA掺量相同时，试件的抗压强度耐蚀系数随水胶比的增大而减小，7#试件在腐蚀循环后期，抗压强度耐蚀系数甚至发生了急剧下降现象。可见，随着水胶比的增大，GTCC的抗硫酸盐腐蚀性能逐渐减弱，这与已有混凝土硫酸盐腐蚀现象的规律相同[7-8]。水胶比能够影响材料的抗硫酸盐腐蚀性能的原因主要是：水胶比决定无规则的毛细孔系统、有害孔的孔隙率，改变了材料的孔结构特征，水胶比增大，GTCC的密实性降低、抗扩散性能降低，使离子更容易侵入水泥基复合材料内部。

2.3 PVA纤维掺量对GTCC自愈合性能的影响

在硫酸盐腐蚀湿循环下，GTCC的抗压强度及强度恢复率见图1。

从图1可以发现，在60 d循环周期前，试件的强度恢复率均大于1，且强度随时间延长而提高，说明试件在湿循环周期60 d之前，经过预制裂缝处理的试件在硫酸盐环境中养护的强度可恢复甚至超过在标准养护下的未损伤试件，且前期的强度增长速度相较后期快，说明PVA纤维可以提高强度恢复率。但PVA纤维掺量为1.5%时的强度恢复率比PVA纤维掺量为2.0%时的高，说明材料在硫酸盐湿循环环境下的强度恢复率并不是一定随PVA纤维掺量的增加而增长，PVA纤维掺量应控制在一定的范围内。

图1 硫酸盐环境下GTCC的抗压强度及强度恢复率

当循环周期到达90 d时，所有组别的试件强度均有所降低，说明试件开始出现腐蚀破坏现象，掺加PVA纤维的试件的强度恢复系数均大于1，而未掺纤维的试件在90 d时强度恢复系数下降到1以下，也说明了PVA纤维可以提高材料的抗硫酸盐腐蚀性能，并可提高强度恢复率。

PVA纤维可以提高材料的抗硫酸盐腐蚀性能是因为，预制裂缝试件的微小裂缝中，未断裂纤维具有一定的防止裂缝扩散的约束力和拉伸力，湿循环环境下未水化成分继续水化、水泥水化产物Ca（OH）2与硫酸盐反应生成部分石膏CaSO4·2H2O填充材料裂缝，并与PVA纤维的约束力和拉伸力共同作用，使之密实、强度增高，从而提高了材料的自愈合性能。但随着湿循环周期增长，产物增多并堆积，使材料发生膨胀破坏，这就使得材料在硫酸盐湿循环后期强度下降。

3 结论

（1）在干湿循环环境下，适宜掺量的PVA纤维可以显著改善GTCC的抗硫酸盐腐蚀性能，但增加纤维掺量与材料的抗硫酸盐腐蚀性能的提高不一定成正比，需要合理控制PVA纤维的掺量。

（2）水胶比的增大会使GTCC在干湿循环环境中的抗硫酸盐腐蚀性能降低，水胶比越大材料的抗硫酸盐腐蚀系数越小，即材料的抗硫酸盐腐蚀性能越低。

（3）在硫酸盐溶液湿循环环境下，养护前期硫酸盐可以提高损伤试件的强度，随着循环周期的延长，试件仍会出现腐蚀破坏从而使材料强度降低。PVA纤维的合理使用可以显著提高GTCC在硫酸盐溶液湿循环环境下的自愈合性能。