地下水強酸鹽復合腐蝕環境下不同礦物摻合料對水泥砂漿耐腐蝕性能的影響

楊志剛，蔣正武，李文婷，馬敬畏

(1.貴州高速公路集團有限公司，貴陽 5500047；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092)

地下水強酸鹽復合腐蝕環境下不同礦物摻合料對水泥砂漿耐腐蝕性能的影響

楊志剛1，蔣正武2，李文婷2，馬敬畏2

(1.貴州高速公路集團有限公司，貴陽 5500047；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092)

模擬了貴州地區地下水強酸鹽復合腐蝕環境，系統研究了粉煤灰、礦渣粉和硅灰3種礦物摻合料單摻與復摻對水泥砂漿耐腐蝕性能，如耐蝕系數、質量變化率、氯離子相對擴散系數的影響規律，并探討了地下水強酸鹽復合腐蝕環境下水泥砂漿的腐蝕機理。結果表明，與基準砂漿相比，單摻與復摻礦物摻合料均提高了砂漿的耐蝕系數，降低了砂漿后期氯離子相對擴散系數，但增大了砂漿質量損失率。這3項指標從不同角度反映了地下水復合腐蝕環境下水泥砂漿的耐腐蝕性能。

酸鹽復合腐蝕；水泥砂漿；礦物摻合料；耐蝕系數；質量損失率

隨城市建設的發展和基礎設施的大量興建，地下水對基礎工程的影響日漸突出。由于中國獨特的自然地理條件和地質構造特征，形成了各地區不同類型的地下水，如硫酸鹽型、氯化物型、重碳酸鹽型等，地下水環境十分復雜。在貴州地區，尤其在盛產煤的地區，地下水酸性十分強烈，并存在許多對混凝土有侵蝕性的介質，包括酸、堿、硫酸鹽、氯鹽、壓力流水等[1-3]。水泥是混凝土中最容易受到侵蝕的部分，而水化產物只能在堿性環境中才能穩定存在[4]，酸性水會破壞堿性環境，從而損害混凝土內部結構，硫酸鹽能與混凝土中的Ca(OH)2、水化鋁酸鈣等反應形成膨脹性石膏或和鈣礬石，使混凝土構件發生剝落破壞[5]，同時，地下水的氯離子對鋼筋混凝土也會產生銹蝕破壞[6]，這種酸性、硫酸鹽和氯鹽的復合腐蝕嚴重影響混凝土結構的承載力和使用壽命。

目前，針對混凝土在酸、硫酸鹽、氯離子環境下侵蝕破壞已有大量研究，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料在混凝土耐腐蝕性能改善方面得到充分的論證[7-14]，而針對酸、硫酸鹽、氯離子共同存在的強腐蝕環境下水泥混凝土的耐腐蝕性能的研究卻甚少。

因此，本文針對貴州地區強酸鹽復合腐蝕地下水的特性，在試驗室模擬出強酸鹽復合腐蝕溶液，提出以抗壓抗強度耐蝕系數、質量變化率以及氯離子相對擴散系數等作為耐腐蝕性能的評價指標，探究不同礦物摻合料對強酸鹽復合腐蝕環境中水泥砂漿的耐腐蝕性能的影響規律，探討分析了在地下水酸鹽強復合腐蝕溶液對水泥砂漿的腐蝕機理。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗過程中水泥采用海豹牌P·Ⅱ42.5型硅酸鹽水泥；砂采用細度模數為3.7的機制砂，石粉含量為2.28%；粉煤灰為上海地區市售的二級灰；礦渣粉采用寶鋼公司生產的S95礦渣粉；硅灰采用成都恒瑞源環保材料有限公司生產的硅灰；減水劑為云南天辰化學建材有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，固含量為30%，減水率為25%～30%；拌合用水為上海地區飲用自來水。

1.2 試驗

表1 模擬地下水腐蝕溶液的成分Table 1 Simulation of the groundwater corrosion solution composition %

1.2.2 試件制備 制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的水泥砂漿試件。試件配合比見表2，水膠比為0.5，膠砂比為1∶2.5。試件在標準養護條件下成型24 h后拆模，并于標準養護室中進行養護。

表2 水泥砂漿試件配合比Table 2 Proportion of cement mortar specimen

1.2.3 試件腐蝕 將成型后的試件標準養護28 d后，分別放入清水和模擬地下水中進行浸泡腐蝕，腐蝕溶液的pH值每隔兩天調節一次。

1.2.4 性能測試

1)抗壓和抗折強度。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》測試水泥砂漿試件經7 d和28 d腐蝕浸泡后的抗折和抗壓強度，同時測試未受腐蝕標準養護試件的抗折和抗壓強度。每組測試均規定3個試件進行強度測試。

2)質量變化率。為保證測試的一致性，每次測量均規定測量前將試件風干2 h。且每組測試均規定3個試件進行質量測試。所選電子天平為賽多利斯電子天平BS2202S，精度：0.01 g，量程：1 000 g。

3)Cl-滲透深度。測定Cl-滲透深度用“顯色法”。將測試過抗折強度的水泥砂漿試塊放入溫度為105℃的烘箱烘干，在試塊的斷裂表面噴0.1 mol/L鉻酸鉀(K2CrO4)溶液，放回烘箱烘干，再涂鉻酸鉀(K2CrO4)溶液，如此反復進行2～3遍；經上述處理后的水泥砂漿試塊表面微干后，即涂0.1 mol/L硝酸銀溶液。此時，被Cl-侵蝕的水泥砂漿試件由表面向深部觀察，靠近表面無色部分是Cl-滲透部分，內部深紅色部分為未被Cl-滲透的部分。被Cl-侵蝕的水泥膠砂會呈白色，未被Cl-侵蝕部分仍為朱紅色。測定水泥砂漿試件四邊的Cl-滲透深度，把4個數據平均，即為該塊水泥砂漿試件的滲透深度。將一組塊水泥砂漿試件的Cl-滲透深度平均，即得該組水泥砂漿試件的Cl-滲透深度。每組測試均規定3個試件進行Cl-滲透深度測試。

1.3 耐腐蝕評價方法

在試驗中，分別通過試件的抗壓抗折強度耐蝕系數、質量損失率、氯離子相對擴散系數來表征在水和模擬地下水腐蝕溶液環境中砂漿的性能變化。具體計算公式見式(1)、(2)、(3)。耐蝕系數是指同齡期的水泥膠砂試件分別在復合腐蝕溶液中浸泡和在20 ℃水中養護的強度比。

(1)

式中:K為抗壓(抗折)強度耐蝕系數；f腐蝕液為在模擬地下水腐蝕溶液中浸泡一定齡期后砂漿的抗壓(抗折)強度，MPa；f水為在水中浸泡相同齡期砂漿的抗壓(抗折)強度，MPa。

(2)

質量變化率表征在長期浸泡腐蝕下，水泥砂漿試件質量損失的百分比，其中正值表示質量損失，負值表示質量增加。其中：S為質量變化率；M7(28)為浸泡7 d(28 d)的砂漿試件的風干后質量，g；M0為標養后砂漿的風干后質量，g。

(3)

氯離子相對擴散系數表示在相同腐蝕齡期下，摻入礦物摻合料的水泥砂漿的氯離子滲透深度與未摻入礦物摻合料的水泥砂漿的氯離子滲透深度的比值。其中：D為氯離子相對擴散系數；d0為任意試驗組在浸泡一定齡期后的氯離子滲透深度，mm；dJ0為J0基準組在浸泡相同齡期后的氯離子滲透深度，mm。

2 結果與討論

2.1 強度耐蝕系數

圖1表示砂漿試件浸泡腐蝕后的抗壓、抗折強度耐蝕系數的變化情況。從圖1(a)中可以看出，隨著浸泡腐蝕齡期的增長，水泥砂漿的抗壓強度耐蝕系數逐漸減小。相比于J0基準組而言，所有摻入礦物摻合料的試驗組的抗壓強度耐蝕系數均大于J0基準組，且幾乎均大于1.00。復摻適量礦物摻合料的水泥砂漿抗壓強度耐蝕系數大于單摻礦物摻合料的試驗組，其中以粉煤灰、礦渣粉和硅灰三元復摻水泥砂漿F20K20S5的抗壓強度耐蝕系數最大。通過將F20K20和F25K25兩組進行對比可以看出，當礦物總摻量過大后，水泥砂漿的抗壓強度耐蝕系數降低。

圖1 不同礦物摻合料對砂漿耐蝕系數的影響Fig.1 Influence of different mineral admixtures to the Corrosion resistant coefficient of the mortar

從圖1(b)中可以看出，總體上不同礦物摻合料對砂漿抗折強度耐蝕系數的影響規律與抗壓強度耐蝕系數的變化規律相似。可以明顯地看出，硅灰的摻入對砂漿抗折強度耐蝕系數并無貢獻，甚至有所削弱，而粉煤灰與礦渣粉均可以一定程度提高水泥砂漿腐蝕過程中的抗折強度耐蝕系數，復摻適量礦物摻合料的水泥砂漿抗折強度耐蝕系數大于單摻礦物摻合料的試驗組，其中，以粉煤灰、礦渣粉和硅灰三元復摻水泥砂漿F20K20S5的抗折強度耐蝕系數最大。

由以上分析可得，礦物摻合料的摻入改善了水泥砂漿的耐腐蝕性能，主要原因在于，礦物摻合料一方面可以降低水泥的用量，減少C3A的含量，另一方面，礦物摻合料與水化生成的Ca(OH)2發生二次水化，在降低Ca(OH)2含量的同時提高基體的密實度，提高砂漿的耐腐蝕性能。

從圖1中可以看到摻入礦物摻合料的試驗組的抗壓抗折強度耐蝕系數均比基準組的大，且當礦物摻合料的摻量過大后，水泥砂漿的抗壓抗折強度耐蝕系數降低。這說明，抗壓抗折強度耐蝕系數這項指標可較好地表征不同礦物摻合料對砂漿耐腐蝕性能的影響。

2.2 質量變化率

圖2給出了摻不同礦物摻合料的水泥砂漿分別在水和模擬地下水腐蝕環境中的質量變化率。其中，質量變化率為負數時，表示給定齡期下砂漿質量增加，正數表示質量減少。從圖2(a)中可以得知，在水浸泡的砂漿試件表現為質量增加，且隨養護齡期增長，其質量增加越大；而在模擬地下水腐蝕溶液中(圖2(b))的所有試驗組質量變化率都為正數，即表現為質量損失。摻礦物摻合料水泥砂漿的試驗組質量損失大于基準組J0，F40質量損失大于K40。同時，通過對比F20K20和F25K25可以看出，當礦物總摻量大于50%時，水泥砂漿的質量損失進一步增大。浸泡在復合腐蝕溶液中的水泥砂漿質量損失大小順序為：F25K25>F40>K40>S5>F20K20>F20K20S5>J0。這一結果其規律與以往單因素腐蝕情況不同，值得研究，同時，也說明質量變化率這項指標很難真實反映地下水復合腐蝕環境下摻礦物摻合料的砂漿耐腐蝕性能。

圖2 不同礦物摻合料對不同溶液中砂漿質量損失率的影響Fig.2 Influence ofdifferent mineral admixtures to the mass-loss rate of the mortar

2.3 氯離子相對擴散系數

圖3給出了地下水腐蝕溶液下不同礦物摻合料對砂漿氯離子相對擴散系數的影響。從圖中可以看出，在齡期為7 d時，礦物外摻料的加入對砂漿的抗氯離子性能并無明顯的益處，氯離子相對擴散系數普遍大于未摻入摻合料的J0組；而當齡期達到28 d時，各組的氯離子相對擴散系數有了顯著的降低，K40、F20K20、F20K20S5三組的氯離子相對擴散系數僅為J0組的一半左右。另一方面，也說明氯離子相對擴散系數可以較好地評價不同礦物摻合料對水泥砂漿抗氯離子擴散性能的影響。

圖3 不同礦物摻合料對地下水腐蝕溶液條件下砂漿氯離子相對滲透系數的影響Fig.3 Influence ofdifferent mineral admixtures to relative permeability coefficient of chloride ions on condition of groundwater etchant solution

圖4 摻不同礦物摻合料砂漿的氯離子滲透深度隨腐蝕齡期的變化曲線Fig.4 Change curve of the penetration depth of chloride ion with different mineral admixtures mortar along with corrosion time

強酸鹽復合環境下摻摻合料混凝土更長期的耐腐蝕性能有待進一步觀察、評估。

2.4 地下水強酸鹽復合腐蝕環境下水泥砂漿耐腐蝕機理分析

3 結 論

1)抗壓抗折強度耐蝕系數、質量變化率和氯離子相對擴散系數3項指標從不同角度反映了地下水強酸鹽復合腐蝕環境下水泥砂漿的耐腐蝕性能。

2)摻入適量的礦物摻合料提高了水泥砂漿的強度耐蝕系數，復摻優于單摻礦物摻合料，其中以粉煤灰、礦渣粉和硅灰三元復摻效果最為明顯。

3)地下水腐蝕一定齡期下所有砂漿均表現為質量損失，摻礦物摻合料水泥砂漿早期質量損失大于基準砂漿。

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(編輯 王秀玲)

Influence of mineral admixtures on corrosion resistance of cement mortar exposed to strong acid and salt composite groundwater

YangZhigang1,JiangZhengwu2,LiWenting2,MaJingwei2

(1.Guizhou Expressway Group Co.,Ltd,Guiyang 5500047,P.R. China; 2.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education,Tongji University,200092 Shanghai,P.R.China)

The strong acid and salt composite groundwater in Guizhou province is simulated in the lab,and the influence of single addition and composite addition of mineral admixtures such as fly ash,slag and silica fume etc. on corrosion resistances of cement mortar using the evaluation indexes such as anti-corrosion coefficient,mass change fraction and chloride ion relative diffusion coefficient in the simulated solution is systematically studied. And its anti-corrosion mechanism of cement mortar is discussed. The results show that the single or composite addition of mineral admixtures results in the improvement of anti-corrosion coefficient,the reduction of chloride ion relative diffusion coefficient and the increase of mass change fraction of mortar compared with the control mortar. The three proposed evaluation indexes can evaluate the corrosion resistance of cement mortar exposed to strong acid and salt composite groundwater from different perspectives.

acid and salt composite corrosion; cement mortar; mineral admixtures; anti-corrosion coefficient; mass change fraction

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.05.012

2015-03-16

楊志剛(1972-),男，高級工程師，主要從事建筑材料和結構研究,(E-mail)215567990@qq.com。

TU528.45

A

1674-4764(2015)05-0082-06

Received:2015-03-16

Author brief：Yang Zhigang(1972-),senior engineer,main reseach interests:building materials and structures,(E-mail)215567990@qq.com.