堿激發(fā)膠凝材料抗酸侵蝕性的試驗(yàn)研究

胡 潔 鄭娟榮

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)物所面臨的環(huán)境日益苛刻，酸性環(huán)境就是其一，頻繁的酸雨、pH值小于5的地下水以及自然界和化工生產(chǎn)中的酸性環(huán)境等，都對(duì)其結(jié)構(gòu)的耐久性造成極大的沖擊，而傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥混凝土結(jié)構(gòu)在酸性環(huán)境的侵蝕下顯得力不從心。因此，尋求、開發(fā)研制耐酸的新型建筑材料是一個(gè)重要而迫切的課題。

堿激發(fā)膠凝材料是一類環(huán)保型的新型膠凝材料，由堿性激發(fā)劑和潛在膠凝材料組分組成，其中堿性激發(fā)劑是苛性堿和可溶性硅酸鹽或者碳酸鹽、磷酸鹽等;潛在膠凝材料組分為粒化高爐礦渣、粒化磷渣、鋼渣、粉煤灰、偏高嶺土或以上兩種或兩種以上的混合物。這類膠凝材料的反應(yīng)產(chǎn)物具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(與普通水泥有本質(zhì)區(qū)別)，具有優(yōu)越的耐酸性。本論文對(duì)以堿激發(fā)偏高嶺土(Alkali-Activated Metakaolinite，AAM)、堿激發(fā)礦渣(Alkali-Activated Slag，AAS)和堿激發(fā)粉煤灰(Alkali-Activated Fly-ash，AAF)為研究對(duì)象，普通硅酸鹽水泥(Ordinary Portland Cement，OPC)為對(duì)比樣，酸性侵蝕液分為5%稀硫酸溶液和40%濃硫酸溶液。

1 材料與方法

1.1 原材料

1)礦渣、水泥、偏高嶺土、粉煤灰:化學(xué)成分見表1。

2)堿性激發(fā)劑:模數(shù)為 1.5，24.08%SiO2，16.59%Na2O 和58.12%H2O。

3)試驗(yàn)中用砂為干凈河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，石子為粒徑5 mm～15 mm的耐酸鑄石。

4)水:實(shí)驗(yàn)中用水均為自來水。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

1.2 樣品制備

本試驗(yàn)制備了砂漿和混凝土試塊，試塊配合比見表2和表3。試塊成型方法:將各種原料按比例混合均勻，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm(砂漿試塊)和100 mm×100 mm×100 mm(混凝土試塊)的鋼模中，表面用塑料薄膜覆蓋，在20℃的室內(nèi)靜置24 h脫模，但粉煤灰樣品需要在75℃ ×24 h保濕養(yǎng)護(hù)并冷卻后才脫模，脫模后的試塊放入溫度(20±3)℃的水中養(yǎng)護(hù)28 d，試塊供耐酸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

1)砂漿試塊。

將砂漿試塊放入5%稀硫酸溶液中進(jìn)行耐稀酸試驗(yàn)，砂漿試塊浸酸前和浸酸28 d后，測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。

2)混凝土試塊。

根據(jù)我國(guó)GB 50212-2002建筑防腐蝕工程施工及驗(yàn)收規(guī)范，將混凝土試塊放入40%濃硫酸溶液中進(jìn)行浸酸安定性試驗(yàn)。浸泡28 d后，應(yīng)取出試塊，用水沖洗，陰干24 h，檢查試塊有無裂紋、起鼓、發(fā)酥和掉角等現(xiàn)象。若試塊完整，試塊表面和浸泡酸液亦無顯著變色，則為合格。

表2 砂漿試塊配合比

表3 混凝土試塊配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 砂漿試塊浸入5%稀硫酸前后的強(qiáng)度變化

砂漿試塊浸酸前后的抗折抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表4，浸酸28 d后的外觀見圖1。

表4 砂漿試塊浸酸前后的強(qiáng)度變化

從表4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:水泥砂漿試塊、礦渣砂漿試塊和粉煤灰砂漿試塊在5%稀硫酸溶液中浸泡28 d后與浸泡前相比，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都下降了。堿偏高嶺土砂漿試塊的抗折強(qiáng)度浸酸后下降的幅度最大，水泥砂漿的次之，堿礦渣砂漿和堿粉煤灰砂漿的強(qiáng)度下降的最少。但堿粉煤灰砂漿的抗折強(qiáng)度下降幅度較大，其原因還需試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

從圖1可以看出:水泥砂漿試塊和堿偏高嶺土砂漿試塊浸入5%稀硫酸28 d后，其外觀已出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，破壞已經(jīng)比較嚴(yán)重;堿礦渣和堿粉煤灰砂漿試塊浸入5%稀硫酸28 d后，其外觀還很完整。

2.2 堿激發(fā)膠凝材料混凝土的浸酸安定性

堿激發(fā)膠凝材料混凝土浸入40%濃硫酸28 d前后的外觀照片見圖2。

從圖2可以看出，堿激發(fā)粉煤灰(AAF)混凝土試塊和堿激發(fā)礦渣(AAS)混凝土試塊在40%工業(yè)硫酸浸泡28 d后，試塊完整，試塊表面和浸泡酸液亦無顯著變色，因此其浸酸安定性是合格的。但是，本試驗(yàn)中的堿偏高嶺土(AAM)混凝土在40%工業(yè)硫酸浸泡28 d后，試塊不完整，所以，本試驗(yàn)中的堿偏高嶺土混凝土的浸酸安定性是不合格的。

2.3 堿激發(fā)膠凝材料抗酸侵蝕機(jī)理的分析

Glukhovsky[1］認(rèn)為堿礦渣膠凝材料的水化產(chǎn)物是C-S-H凝膠和結(jié)構(gòu)類似沸石、長(zhǎng)石、霞石的產(chǎn)物，與土壤中的沉積巖的組成相似。鄭娟榮[2］的研究結(jié)果證明堿礦渣和堿粉煤灰膠凝材料的水化產(chǎn)物具有一定量的NH+4交換容量，說明水化產(chǎn)物中除含有CS-H凝膠外，還含有結(jié)構(gòu)類似沸石的產(chǎn)物。沸石類礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過離子鍵、共價(jià)鍵和范德華鍵合的，并以前兩類為主，因此結(jié)合力非常強(qiáng)，這可能是堿礦渣和堿粉煤灰膠凝材料比水泥更能抵抗有腐蝕性的硫酸侵蝕的根本原因，而普通硅酸鹽水泥的水化物則以范德華鍵和氫鍵為主。但是，堿偏高嶺土膠凝材料是由無定形的Si-O-Al的低聚物把殘留的偏高嶺石層片狀粒子連接起來形成最初的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了凝結(jié)和最初的強(qiáng)度，最終強(qiáng)度的大小取決于 pH值大小[3］。

本文試驗(yàn)的堿偏高嶺土膠凝材料是在較低的溫度(20℃)下養(yǎng)護(hù)，可能在浸酸試驗(yàn)時(shí)低聚物之間存在著未反應(yīng)完的自由堿，當(dāng)與酸接觸會(huì)發(fā)生酸堿反應(yīng)，從而降低低聚物之間的堿度和強(qiáng)度，最終會(huì)使試塊破壞。在相同養(yǎng)護(hù)條件下，礦渣的活性(其中有CaO成分)高于偏高嶺土，前者的堿激發(fā)反應(yīng)較后者快，低聚物之間自由堿減少，所以，耐酸性好一些。堿粉煤灰材料是在較高溫度(75℃)養(yǎng)護(hù)24 h脫模，其堿激發(fā)反應(yīng)已完成，低聚物之間已基本鍵合，所以，這是本文試驗(yàn)中耐酸性(包括稀酸和濃硫酸)最好的材料。

綜上所述，膠凝材料的耐酸性與反應(yīng)產(chǎn)物的種類和微結(jié)構(gòu)(包括堿和孔隙的分布狀態(tài))有關(guān)，養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度和齡期)對(duì)后者有大的影響。所以，膠凝材料的耐酸性材料性能的綜合反應(yīng)，不僅僅由反應(yīng)產(chǎn)物的種類決定，即與反應(yīng)產(chǎn)物的NH+4交換容量沒有相關(guān)性。

3 結(jié)語

1)堿礦渣和堿粉煤灰膠凝材料的耐酸侵蝕性能最好，水泥次之，常溫條件下制備的堿偏高嶺土膠凝材料的耐酸性能最差。2)膠凝材料的耐酸性是材料性能的綜合反應(yīng)，不僅僅由反應(yīng)產(chǎn)物的種類決定。

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

[2]鄭娟榮，胡 潔.堿激發(fā)膠凝材料及固化Pb2+的試驗(yàn)研究[J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009(4):733-738.

[3]文梓蕓，殷素紅，代新樣，等.堿硅酸反應(yīng)和堿激發(fā)膠凝材料的共同規(guī)律與原理[A］.第二屆全國(guó)化學(xué)激發(fā)膠凝材料研討會(huì)(論文集)[C］.2007:24-32.