基于正交法的抗硫酸鹽腐蝕水泥配比設計

邱永利

（中國水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810007）

1 實驗

1.1 實驗原料及儀器

原料包括：①PO42.5 普通硅酸鹽水泥；②過200 目標準篩的粉煤灰和礦渣；③過320 目標準篩的硅粉；④自來水。儀器包括：①JJ 一1 型水泥凈漿攪拌機；②YH 一40B 型標準恒溫恒濕養護箱；③YE 一30 型液壓式壓力實驗機；④日立S 一2500 掃描電子顯微鏡；⑤D8ADVANCE 型X 射線衍射儀。

主要原料的化學組成見表1。

表1 主要原料的化學組成%

1.2 正交表設計

正交實驗以硅粉，粉煤灰和礦渣的摻量作為三個主要影響因素進行研究，每個因素取四個等級，分別是：0、5%、10%和20%的硅粉摻量；0、10%、15%和20%的粉煤灰摻量；0、5%、10%和15%的礦渣摻量。據此，采用三因素四等級的正交實驗。

1.3 實驗方法

按配合比設計，依據GBl75—2007 制備水泥試樣，水灰比為0.3。試樣在恒溫20℃、恒濕95%的養護箱中養護24h后脫模。參考GB2420-80，再將試樣置于50℃的恒溫水浴中養護7d，取出后對16 組試樣進行再分組，即把16 組試樣的每一組再分成兩組。其中，一組浸泡于20℃淡水中，另一組浸泡于同溫度下5%Na2SO4 溶液中。浸泡28d 后取出試樣，在YE-30 型液壓式壓力機上測試各試樣的抗壓力，并計算出抗壓強度，再按照公式（1） 計算得出各組試樣的抗壓抗蝕系數。

式中：Kp抗壓抗蝕系數；Ps試樣在侵蝕溶液中浸泡以天后的抗壓強度，MPa；Pw試樣在淡水中浸泡n 天后的抗壓強度，MPa。

2 結果與討論

2.1 礦物摻合料對水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響

16 組水泥試樣分別浸泡于淡水和5%Na2SO4溶液28d 后的抗壓強度，以及各組試樣的抗壓抗蝕系數，摻入礦物摻合料的各試樣的抗壓抗蝕系數較1 號空白試樣有高有低，其中

4 號、11 號以及14 號試樣的抗壓抗蝕系數明顯高于空白試樣，而11 號試樣表現最為顯著。這表明，選擇適當礦物摻合料摻入水泥，有助于提高水泥的抗壓抗蝕系數，增強水泥的抗硫酸鹽腐蝕性能。

以11 號試樣作為水泥空白試樣的對比樣，進一步研究礦物摻合料對水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響。經過5%Na2SO4溶液侵蝕28d 后1 號（S1） 和11 號（S11） 試樣的XRD 衍射圖譜可知，摻入礦物摻合料的S11 腐蝕后較S1 后存在更多的水化硅酸鈣凝膠CSH。根據水泥石孔隙的大小和結構，可將它們分為膠凝孔，毛細孔和宏觀孔三種類型。其中，腐蝕介質穿過膠凝孔的滲透速度是最小的。增加的水化硅酸鈣凝膠CSH 主要是由礦物摻合料中的活性組分SiO。與水泥水化產生的Ca (OH)。反應生成的。因此，礦物摻合料的摻入一方面可以增加水泥石的膠凝孔，改善水泥石的孔結構；另一方面也消耗了水泥石中的Ca（OH）2。由于在硫酸鹽腐蝕中，SO42-離子滲透到水泥石后，首先與Ca（OH）2發生反應，所以降低水泥石中Ca（OH）2減少也就意味著減弱硫酸鹽對水泥石的侵蝕能力。因此，硫酸鹽腐蝕S11 的腐蝕產物單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm) 和鈣礬石(Aft) 明顯低于S1。

經5%Na2SO4溶液侵蝕后的S1 內出現大量的針狀AFt 晶體和六方薄板狀或不規則花瓣狀的AFm，裂紋孔洞明顯，結構較為疏松，溶液侵蝕后S1 的SEM 圖像所示。摻入礦物摻合料的S11，由于腐蝕之前Ca（OH）2的減少和水化硅酸鈣凝膠CSH 的增加，經5%Na2SO4 溶液侵蝕后的腐蝕產物AFt 和AFm 相對較少，腐蝕程度較輕，水泥石結構較為致密。另一方面，由于粉煤灰具備微集料效應，其中的微細顆粒可均勻分布在水泥漿內，填充孔隙和毛細孔，能起到改善水泥石孔結構和增大密實度的作用，從而也在一定程度上提高了水泥石的抗硫酸鹽腐蝕性能。

2.2 基于正交實驗分析的配比設計

K1～K4 行數據分別為4 個等級的平均值；R 行為級差表明各因素對實驗指標(抗壓抗蝕系數) 的影響幅度。由級差處理后的數據可看出，各因素對實驗指標的影響按大小次序排為：粉煤灰摻量>硅粉摻量>礦渣摻量。最佳配合比設計方案為：硅粉摻量取第三水平的10%；粉煤灰摻量取第二水平的15%；礦渣摻量取第一水平的0%。此設計方案為已做16組實驗的第11 組，而此組實驗所測得水泥試樣的抗壓抗蝕系數為1.235，是16 組實驗中最高的。這表明，正交實驗分析得出的最佳配合比設計方案符合實際。

3 結語

1） 礦物摻合料中的活性組分SiO。能與水泥水化產生的Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣凝膠CSH，從而降低了水泥中Ca（OH）2的含量，改善了水泥石孔結構，提高了致密性，增強了水泥石的抗硫酸鹽腐蝕性能。

2） 采用正交法可以準確、高效地進行抗硫酸鹽腐蝕水泥的配比設計，通過正交實驗分析得到的最佳配比設計方案合理。

3） 當水泥中一同摻入硅粉、粉煤灰及礦渣，且摻量分別為10%、15%和0%時，水泥的抗硫酸鹽腐蝕性能最好。三者摻量對水泥抗硫酸鹽腐蝕性能的影響按大小排序為：硅粉摻量>粉煤灰摻量>礦渣摻量。