纳米SiO2-CSA-OPC复合修补砂浆的抗盐渍土侵蚀性能研究

朱殿之，刘祚宇，董昶宏，刘庆峰，牛梦蝶，李国新

(1.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，兰州 730050；2.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，西安 710055)

0 引 言

水泥混凝土是应用最广泛的建筑材料，在建筑工程建设中发挥着重要的作用。然而，由于混凝土结构非均匀多孔的特性以及受外界环境物理、化学等因素的影响，水泥混凝土结构在服役过程中会出现不同程度的损坏，尤其是盐渍土地区的建筑物。盐渍土中的氯盐和硫酸盐极易通过混凝土的孔结构渗入结构内部，并发生一系列的化学反应和物理作用，导致建筑物在未达到设计寿命时就出现开裂、表层脱落以及钢筋锈蚀等现象[1-2]。因此，对损坏的混凝土结构进行有效修补，已逐渐成为建筑工程中的重要组成部分。

普通硅酸盐水泥修补砂浆是目前常用的水泥基修补材料，具有相容性好、抗压强度高等优点，但是其早期强度低、养护周期长，不适合快速修补工程[3]。为了满足快速修复工程对修补材料的要求，学者们以硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸镁水泥以及复合胶凝体系作为快速修补材料开展了研究[4-9]。其中，复合胶凝体系由于其快凝快硬、早期强度高、后期强度稳定以及补偿收缩等特性，在快速修复工程中得到了广泛应用。李红英等[10]将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥及硅灰复合，同时掺入高效减水剂，制备出了快凝、早强、易于施工的复合胶凝体系修补材料。Li等[11]制备了纳米SiO2-硫铝酸盐水泥-普通硅酸盐水泥(NS-CSA-OPC)复合修补砂浆，具有凝结硬化快、补偿收缩、后期强度稳定等优异性能，在混凝土公路、机场路面紧急抢修工程中具有广泛的应用前景。但是针对我国西北地区的盐渍土环境，NS-CSA-OPC复合体系是否具有良好的抗侵蚀能力还有待于深入研究。

我国西北地区盐渍土中的侵蚀物质主要以硫酸盐和氯盐为主，因此本文制备了NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4复合溶液3种侵蚀溶液，以NS-CSA-OPC砂浆长期半浸泡在不同侵蚀溶液下的性能变化来表征试件受盐渍土侵蚀引起的性能变化[12]。试验以质量变化、相对动弹性模量、抗压耐蚀系数以及氯离子含量为评价指标，研究NS-CSA-OPC砂浆试件在不同侵蚀溶液下的损伤规律。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：42.5级低碱硫铝酸盐水泥(CSA)，来自河北唐山北极熊水泥有限公司；P·O 42.5级普通硅酸盐水泥(OPC)，来自陕西声威建材集团有限公司。CSA和OPC的化学组成如表1所示，物理性能分别见表2和表3。

表1 硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的化学组成(质量分数)Table 1 Chemical composition of CSA and OPC (mass fraction) /%

表2 硫铝酸盐水泥的物理性质Table 2 Physical properties of CSA

表3 普通硅酸盐水泥的物理性质Table 3 Physical properties of OPC

纳米SiO2(NS)：来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，白色粉末，粒径范围为7～40 nm，比表面积为300 m2/g。

减水剂：高效聚羧酸减水剂(PCE)，粉剂。

硼砂(Na2B4O7·10H2O，NB)：来自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，含量(质量分数，下同)≥99.5%。

三聚磷酸钠(Na5P3O10)：来自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，含量≥99.8%。

砂：来自厦门艾斯欧标准砂有限公司，中级砂。

氯化钠(NaCl)：来自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，含量≥99.5%。

无水硫酸钠(Na2SO4)：来自国药集团化学试剂有限公司，分析纯，含量≥99.5%。

1.2 试验方法

将3%三聚磷酸钠(相对于纳米SiO2的质量分数)完全溶解在去离子水中，然后加入纳米SiO2剪切搅拌(速度为2 000 r/min) 30 min，水浴超声分散30 min，得到纳米SiO2分散溶液。按照表4称取各原材料，先将CSA、OPC、聚羧酸减水剂、硼砂以及石英砂加入搅拌机中低速搅拌90 s，然后加入纳米SiO2分散溶液和剩余水低速搅拌60 s后，快速搅拌90 s。搅拌完成后将砂浆装入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的模具中，标准养护24 h拆模，在标准养护室((20±2)℃，相对湿度(90±5)%)养护至28 d后，放置在自来水、氯化钠、硫酸钠以及氯化钠-硫酸钠复合盐侵蚀溶液中进行长期浸泡试验，试验采用半浸泡的方式，浸泡高度为60 mm。侵蚀溶液的浓度如表5所示，为了保持侵蚀溶液浓度和性能稳定，采用塑料薄膜对容器顶部进行密封，同时每30 d对溶液进行一次更换，分别测定30 d、60 d、90 d、120 d、210 d、240 d、270 d试件的质量、动弹性模量、抗压强度及氯离子含量。

本试验以质量变化率、相对动弹性模量、抗压耐蚀系数以及氯离子含量为评价指标，分析NS-CSA-OPC复合体系抗盐渍土侵蚀的能力。氯离子含量参照《混凝土中氯离子含量检测技术规程》(JGJ/T 322—2013)中的滴定法测定。质量变化率按式(1)计算。动弹性模量和相对动弹性模量分别按式(2)和(3)计算。抗压耐蚀系数按式(4)计算。

(1)

式中：Wn为试件浸泡nd后的质量变化率，%；Mn和M0分别为试件浸泡nd后和初始的质量，g。

(2)

(3)

式中：Ed为试件的动弹性模量；W为试件的质量，g；L为试件正方形截面的边长，mm；a为试件的长度，mm；f为试件横向振动时的基频振动频率，Hz；Er为试件的相对动弹性模量，%；Edn和Ed0分别为试件浸泡nd和初始的动弹性模量。

(4)

式中：Kc为试件浸泡nd之后的抗压耐蚀系数；Cn为试件在侵蚀溶液中浸泡nd之后的抗压强度，MPa；C0为同龄期水养试件的抗压强度，MPa。

表4 水泥砂浆的配合比Table 4 Mix proportion of cement mortar /g

表5 试验所用侵蚀溶液Table 5 Erosion solutions used in the test

2 结果与讨论

2.1 凝结时间和抗压强度

纳米SiO2掺量对NS-CSA-OPC试件凝结时间和抗压强度的影响规律分别如图1和图2所示。由图1和图2可以看出，随着纳米SiO2掺量的增加，NS-CSA-OPC试件的凝结时间逐渐缩短，抗压强度呈现先升高后降低的趋势，当纳米SiO2掺量为1.0%(质量分数，下同)时，试件的抗压强度达最大值。其原因主要是纳米SiO2具有较强的火山灰活性，加速了水泥的早期水化过程。此外，纳米SiO2填充了水泥颗粒周围的空隙和水化产物的微观孔隙，有效地减少了砂浆内部缺陷，使结构更加致密，从而提高了体系的抗压强度[13]。当纳米SiO2掺量大于1.0%时，纳米SiO2易团聚形成一些薄弱区域，导致水泥基体结构不均匀且疏松，造成其抗压强度下降[14]。

图1 不同纳米SiO2掺量下NS-CSA-OPC体系的凝结时间Fig.1 Setting time of NS-CSA-OPC system at different content of nano SiO2

图2 不同纳米SiO2掺量下NS-CSA-OPC体系的抗压强度Fig.2 Compressive strength of NS-CSA-OPC system at different content of nano SiO2

综上，NS-CSA-OPC体系中纳米SiO2的最佳掺量为1.0%。当纳米SiO2添加量为1.0%时，NS-OPC-CSA体系的初凝时间和终凝时间分别为14 min和21 min，养护2 h、1 d、7 d、28 d、90 d的抗压强度分别为31.88 MPa、53.75 MPa、65.36 MPa、93.87 MPa、103.46 MPa。因此，选择纳米SiO2掺量为1.0%的NS-OPC-CSA体系进行抗盐渍土侵蚀性能试验。

2.2 质量变化

长期浸泡在NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4复合溶液中的试件质量变化率如图3所示。浸泡在3组侵蚀溶液中的试件，质量变化率随浸泡时间的变化规律基本一致，即随着浸泡时间的延长，试件的质量变化率逐渐增加。这主要是由于在3种溶液的侵蚀过程中，盐溶液通过扩散作用吸附在试件表面或存在于试件的孔溶液中，从而使浸泡在3种侵蚀溶液中试件的质量增加。

图3 长期浸泡作用下试件的质量变化率Fig.3 Mass change rate of specimens under long-term immersion

图4 长期浸泡作用下试件的相对动弹性模量Fig.4 Relative dynamic elastic modulus of specimens under long-term immersion

浸泡在Na2SO4溶液中的试件质量增长幅度明显高于浸泡在NaCl溶液中的试件质量，浸泡在NaCl-Na2SO4复合溶液中试件的质量增长幅度介于NaCl溶液和Na2SO4溶液之间，说明氯盐对硫酸盐的侵蚀膨胀破坏起到减缓作用。

2.3 相对动弹性模量

2.4 抗压耐蚀系数

图5 长期浸泡作用下试件的抗压耐蚀系数Fig.5 Compression corrosion resistance coefficient of specimens under long-term immersion

对比试件浸泡部分和干燥部分的抗压耐蚀系数，可以发现浸泡在NaCl溶液和NaCl-Na2SO4复合溶液中试件浸泡部分的抗压耐蚀系数与干燥部分的抗压耐蚀系数相近，而浸泡在Na2SO4溶液中试件浸泡部分的抗压耐蚀系数明显高于干燥部分，说明干燥部分受侵蚀程度更加严重。在NaCl溶液、Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4复合溶液的侵蚀过程中，半浸泡270 d后试件的抗压耐蚀系数均大于1.0。谢超等[15]采用长期浸泡在3%Na2SO4溶液的方法进行侵蚀试验，以研究纳米SiO2-矿渣-水泥复合材料的抗硫酸盐侵蚀性能，结果发现该复合胶凝材料具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能，浸泡270 d后试件(纳米SiO2掺量为1%)的抗压耐蚀系数为0.8。与此对比，可以说明NS-CSA-OPC体系具有较好的抗盐渍土侵蚀性能。

2.5 氯离子含量

图6 长期浸泡作用下试件的氯离子含量变化Fig.6 Change of chloride ion content of specimens under long-term immersion

2.6 XRD分析

图7 在Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4复合溶液中浸泡270 d试件的XRD谱Fig.7 XRD patterns of specimens immersed in Na2SO4solution and NaCl-Na2SO4 composite solution for 270 d

3 结 论

(1)在侵蚀过程中，纳米SiO2-硫铝酸盐水泥-普通硅酸盐水泥复合修补砂浆的抗压耐蚀系数均大于1.0，说明该复合修补砂浆具有较好的抗盐渍土侵蚀能力。

(2)通过长期半浸泡对比试验，3种侵蚀溶液对纳米SiO2-硫铝酸盐水泥-普通硅酸盐水泥复合修补砂浆的破坏程度由大到小依次为：Na2SO4溶液>NaCl-Na2SO4复合溶液>NaCl溶液。

(3)氯离子和硫酸根离子在试件中的扩散作用是相互竞争的，氯盐可以减缓硫酸盐对复合修补砂浆的侵蚀破坏。