基于正交法的抗硫酸盐腐蚀水泥配比设计

邱永利

（中国水利水电第四工程局有限公司， 青海 西宁 810007）

1 实验

1.1 实验原料及仪器

原料包括：①PO42.5 普通硅酸盐水泥；②过200 目标准筛的粉煤灰和矿渣；③过320 目标准筛的硅粉；④自来水。仪器包括：①JJ 一1 型水泥净浆搅拌机；②YH 一40B 型标准恒温恒湿养护箱；③YE 一30 型液压式压力实验机；④日立S 一2500 扫描电子显微镜；⑤D8ADVANCE 型X 射线衍射仪。

主要原料的化学组成见表1。

表1 主要原料的化学组成%

1.2 正交表设计

正交实验以硅粉，粉煤灰和矿渣的掺量作为三个主要影响因素进行研究，每个因素取四个等级，分别是：0、5%、10%和20%的硅粉掺量；0、10%、15%和20%的粉煤灰掺量；0、5%、10%和15%的矿渣掺量。据此，采用三因素四等级的正交实验。

1.3 实验方法

按配合比设计，依据GBl75—2007 制备水泥试样，水灰比为0.3。试样在恒温20℃、恒湿95%的养护箱中养护24h后脱模。参考GB2420-80，再将试样置于50℃的恒温水浴中养护7d，取出后对16 组试样进行再分组，即把16 组试样的每一组再分成两组。其中，一组浸泡于20℃淡水中，另一组浸泡于同温度下5%Na2SO4 溶液中。浸泡28d 后取出试样，在YE-30 型液压式压力机上测试各试样的抗压力，并计算出抗压强度，再按照公式（1） 计算得出各组试样的抗压抗蚀系数。

式中：Kp抗压抗蚀系数；Ps试样在侵蚀溶液中浸泡以天后的抗压强度，MPa；Pw试样在淡水中浸泡n 天后的抗压强度，MPa。

2 结果与讨论

2.1 矿物掺合料对水泥抗硫酸盐腐蚀性能的影响

16 组水泥试样分别浸泡于淡水和5%Na2SO4溶液28d 后的抗压强度，以及各组试样的抗压抗蚀系数，掺入矿物掺合料的各试样的抗压抗蚀系数较1 号空白试样有高有低，其中

4 号、11 号以及14 号试样的抗压抗蚀系数明显高于空白试样，而11 号试样表现最为显著。这表明，选择适当矿物掺合料掺入水泥，有助于提高水泥的抗压抗蚀系数，增强水泥的抗硫酸盐腐蚀性能。

以11 号试样作为水泥空白试样的对比样，进一步研究矿物掺合料对水泥抗硫酸盐腐蚀性能的影响。经过5%Na2SO4溶液侵蚀28d 后1 号（S1） 和11 号（S11） 试样的XRD 衍射图谱可知，掺入矿物掺合料的S11 腐蚀后较S1 后存在更多的水化硅酸钙凝胶CSH。根据水泥石孔隙的大小和结构，可将它们分为胶凝孔，毛细孔和宏观孔三种类型。其中，腐蚀介质穿过胶凝孔的渗透速度是最小的。增加的水化硅酸钙凝胶CSH 主要是由矿物掺合料中的活性组分SiO。与水泥水化产生的Ca (OH)。反应生成的。因此，矿物掺合料的掺入一方面可以增加水泥石的胶凝孔，改善水泥石的孔结构；另一方面也消耗了水泥石中的Ca（OH）2。由于在硫酸盐腐蚀中，SO42-离子渗透到水泥石后，首先与Ca（OH）2发生反应，所以降低水泥石中Ca（OH）2减少也就意味着减弱硫酸盐对水泥石的侵蚀能力。因此，硫酸盐腐蚀S11 的腐蚀产物单硫型水化硫铝酸钙(AFm) 和钙矾石(Aft) 明显低于S1。

经5%Na2SO4溶液侵蚀后的S1 内出现大量的针状AFt 晶体和六方薄板状或不规则花瓣状的AFm，裂纹孔洞明显，结构较为疏松，溶液侵蚀后S1 的SEM 图像所示。掺入矿物掺合料的S11，由于腐蚀之前Ca（OH）2的减少和水化硅酸钙凝胶CSH 的增加，经5%Na2SO4 溶液侵蚀后的腐蚀产物AFt 和AFm 相对较少，腐蚀程度较轻，水泥石结构较为致密。另一方面，由于粉煤灰具备微集料效应，其中的微细颗粒可均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，能起到改善水泥石孔结构和增大密实度的作用，从而也在一定程度上提高了水泥石的抗硫酸盐腐蚀性能。

2.2 基于正交实验分析的配比设计

K1～K4 行数据分别为4 个等级的平均值；R 行为级差表明各因素对实验指标(抗压抗蚀系数) 的影响幅度。由级差处理后的数据可看出，各因素对实验指标的影响按大小次序排为：粉煤灰掺量>硅粉掺量>矿渣掺量。最佳配合比设计方案为：硅粉掺量取第三水平的10%；粉煤灰掺量取第二水平的15%；矿渣掺量取第一水平的0%。此设计方案为已做16组实验的第11 组，而此组实验所测得水泥试样的抗压抗蚀系数为1.235，是16 组实验中最高的。这表明，正交实验分析得出的最佳配合比设计方案符合实际。

3 结语

1） 矿物掺合料中的活性组分SiO。能与水泥水化产生的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙凝胶CSH，从而降低了水泥中Ca（OH）2的含量，改善了水泥石孔结构，提高了致密性，增强了水泥石的抗硫酸盐腐蚀性能。

2） 采用正交法可以准确、高效地进行抗硫酸盐腐蚀水泥的配比设计，通过正交实验分析得到的最佳配比设计方案合理。

3） 当水泥中一同掺入硅粉、粉煤灰及矿渣，且掺量分别为10%、15%和0%时，水泥的抗硫酸盐腐蚀性能最好。三者掺量对水泥抗硫酸盐腐蚀性能的影响按大小排序为：硅粉掺量>粉煤灰掺量>矿渣掺量。