海工水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗操作要點及其影響因素

古巧燕，劉 驥，羅海波，陳柳鋒

（1.廣西魚峰水泥股份有限公司，廣西 柳州 545008；2.廣西綠色水泥產(chǎn)業(yè)工程院有限公司，廣西 柳州 545008）

【關(guān)鍵字】海工水泥；抗硫酸鹽侵蝕；操作要點

0 引言

港口、海岸防線、跨海大橋、海上鉆井平臺及人造島礁等，其結(jié)構(gòu)材料都是以水泥混凝土材料為主。隨著我國國家海洋戰(zhàn)略的實施和“一帶一路”倡議的提出，未來的海洋基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場需求將越來越大[1]。傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥基材料在海洋浪、潮汐等復(fù)雜環(huán)境下的耐久性退化非常嚴(yán)重，抗海水侵蝕、耐海水沖刷及抗凍融性不能滿足海洋工程的特殊要求，這不僅影響基礎(chǔ)設(shè)施的使用性和安全性，而且會給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，故研發(fā)具有高抗蝕性的海工水泥基材料重要且必要。混凝土抵抗侵蝕的能力與水泥混凝土的密實度有關(guān)，結(jié)構(gòu)致密的水泥石抗侵蝕能力強，結(jié)構(gòu)致密度欠佳的混凝土形成水泥石后，內(nèi)部孔隙多、抗?jié)B能力差，更容易受到腐蝕環(huán)境的侵蝕破壞。混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命一般為40～50年，有的結(jié)構(gòu)甚至要求使用壽命達(dá)到上百年。現(xiàn)實中，處于腐蝕環(huán)境中的混凝土僅15～20年就出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞，甚至不足5年就需要進(jìn)行修復(fù)，我國每年因混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的損失就達(dá)10億元，這已經(jīng)成為一個重大的經(jīng)濟(jì)問題。近年來，海洋工程的耐久性問題引起越來越廣泛的關(guān)注，提高混凝土的抗海水侵蝕性，則提高海工混凝土耐久性和延長其使用壽命為最佳途徑。海洋工程用水泥基材料必須長期浸泡在高硫酸鹽環(huán)境的海水中，因此在水泥生產(chǎn)過程中準(zhǔn)確檢驗并反映水泥抗硫酸鹽性能的優(yōu)劣，對于海工水泥的后續(xù)使用尤為重要[2]。本文對影響水泥抗硫酸鹽侵蝕檢驗的因素概述如下。

1 試驗方法

1.1 方法原理

按照1∶2.5的灰砂比拌和水量，采用0.5的固定水灰比，通過加壓成型18條10 mm×10 mm×60 mm的膠砂試體，早期放到50 ℃的水中養(yǎng)護(hù)7 d，以促進(jìn)試體快速水化，使其達(dá)到一定的強度，然后按規(guī)定分別放置在淡水和侵蝕溶液中侵蝕28 d，最終通過在侵蝕溶液中和在淡水中的試體抗折強度之比確定抗侵蝕系數(shù)。

1.2 試驗材料

試驗用標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)符合水泥膠砂強度檢驗方式（GB/T17671—1999）規(guī)定的粒度范圍在0.5～1.0 mm的中級砂。石膏用化學(xué)純二水石膏或符合要求的類特級石膏，所用石膏細(xì)度應(yīng)全部通過150 μm的方孔試驗篩。

1.3 試驗條件

成型試驗室溫度應(yīng)保持在（20±2）℃范圍內(nèi)，相對濕度不低于50%；濕氣養(yǎng)護(hù)箱溫度應(yīng)保持在（20±1）℃范圍內(nèi)，相對濕度不低于90%；試體養(yǎng)護(hù)池水溫應(yīng)保持在（20±1）℃范圍內(nèi)。

試驗室、養(yǎng)護(hù)箱溫度和相對濕度及養(yǎng)護(hù)水池水溫在工作期間每天至少記錄一次，檢查各部分環(huán)境條件是否始終滿足實驗要求。

1.4 試驗步驟

水灰比為0.5，稱取250 g粒度為0.5～1.0 mm的中級標(biāo)準(zhǔn)砂、100 g水泥干拌1 min，加水50 mL，濕拌3 min，將拌好的砂漿依次分兩層加入6個預(yù)先裝好的試模中，搗實刮平。成型的試體連同試模放入濕氣養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)（24±2）h后脫模，試體放入（50±1）℃水浴養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，取出按奇偶數(shù)編碼分成2組，每組9條，一組放置在水中浸泡，另一組放置在相同體積的硫酸鹽侵蝕溶液中浸泡，硫酸鹽侵蝕溶液浸泡的一組每天用硫酸中和浸出的堿，以保證溶液酸度。浸泡28 d后取出試體，進(jìn)行破型，按以下公式計算試樣抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)K[3]：

上式中，K為試樣的抗侵蝕系數(shù)；R液為試體在侵蝕溶液中浸泡28 d后的抗折強度，MPa；R水為試體在水中浸泡28 d后的抗折強度，MPa。

2 操作要點及影響因素

2.1 試體成型過程

試驗成型試體尺寸為60 cm×10 cm×10 cm，體積較小，截面細(xì)，試體結(jié)構(gòu)均勻性的好壞對實驗結(jié)果準(zhǔn)確性影響重大。首先試模必須定期檢查模腔的有效尺寸是否在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，如超出此范圍應(yīng)停止使用，更換新試模。試模擦洗干凈組裝時，邊緣兩塊隔板和端板與底座的接觸面應(yīng)均勻地涂上一薄層黃油，并按編號組裝。組裝好后用緊固螺絲固緊時，一邊固緊，一面用木槌錘擊端板和隔板結(jié)合處，使內(nèi)壁各接觸面互相垂直，并且要頂部平齊，然后用小平鏟刀刮去3個模腔內(nèi)被擠出的黃油，避免在成型試體的底側(cè)面留下孔洞。由于該試驗?zāi)z砂拌勻過程采用人工方式，所以攪拌的力度和時間都要控制好，攪拌時間長則漿體容易泌水，造成檢驗結(jié)果偏低，攪拌時間短，則漿體均勻性不夠，部分水泥灰和中級砂與水的混合不夠充分，極易造成試體成型過程內(nèi)部和表面形成孔洞，故膠砂攪拌時長不夠或均勻性差易造成檢驗結(jié)果偏低或者試體之間強度跳差大的現(xiàn)象。漿體裝入試模后的兩次倒插力度、深度和次數(shù)也會造成試體之間強度跳差大。

成型過程中另一個關(guān)鍵步驟為試塊加壓，這一過程需要注意兩點：一是壓塊的擺放一定要與試體及手動千斤頂?shù)氖芰γ娲怪保駝t極易造成試體受力不均變形而作廢。二是加壓的力度大小，按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加壓力度值，即7.8 MPa（14 N），但是由于力值傳感器檢定及校準(zhǔn)不能隨時進(jìn)行，所以會存在一定的偏差，試體加壓大小對結(jié)果的影響較大，本文對表1中的壓力值做了試驗，結(jié)果見表1。

表1 不同壓力值條件下的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)統(tǒng)計表

由表1可見，施加壓力值的大小不同，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)有明顯變化。試體加壓大小直接影響試體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實程度，壓力值小，則試體密實不夠，孔洞大而多，而混凝土抵抗侵蝕的能力與水泥混凝土的密實度有關(guān)，結(jié)構(gòu)致密的水泥石抗侵蝕能力強貧，結(jié)構(gòu)致密度欠佳的混凝土形成水泥石后，其內(nèi)部孔隙多，抗?jié)B能力差，容易受到侵蝕破壞，硫酸鹽侵蝕溶液容易浸透試體結(jié)構(gòu)，對試體結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，試體抗折強度結(jié)果偏低，而水溶液對試體的破壞相對侵蝕溶液要小很多，由計算公式K=R液/R水可以看出，R水保持不變的情況下，R液偏低，則抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)K將變小，會誤將合格的水泥檢驗判定為質(zhì)量不合格；反之，則結(jié)果會偏高，將不合格的水泥產(chǎn)品檢驗判定為質(zhì)量合格。

2.2 養(yǎng)護(hù)過程

硫酸鹽溶液應(yīng)提前1～2 d配置完成，與所需要用的水一起放入相應(yīng)的試驗環(huán)境中恒溫處理，溫度高則抗折強度結(jié)果偏高，溫度低則抗折強度結(jié)果偏低，進(jìn)而對檢驗結(jié)果造成影響。而對于浸泡在硫酸鹽溶液中的試體而言還有其他的影響，溫度高，則溶液中的離子活動速度變快，試體結(jié)構(gòu)中的分子結(jié)構(gòu)活性也會增強，試體遭受侵蝕程度會加大，反之則會減小。只有在相同的溫度條件下，才能對試體抗侵蝕能力有正確的判斷。

成型的膠砂試模應(yīng)立即放入養(yǎng)護(hù)箱或養(yǎng)護(hù)室的水平架子上養(yǎng)護(hù)，濕空氣應(yīng)能與試模各邊充分接觸，因試體體積較小，濕氣養(yǎng)護(hù)過程必須保證沒有水珠掉落至試體表面，如果發(fā)現(xiàn)滴水痕跡，則應(yīng)重新進(jìn)行試體成型操作，并且養(yǎng)護(hù)時不應(yīng)將試模放在其他試模上，一直養(yǎng)護(hù)到規(guī)定的脫模時間后取出脫模轉(zhuǎn)入高溫水養(yǎng)過程。高溫水養(yǎng)結(jié)束后，轉(zhuǎn)入20 ℃的水中養(yǎng)護(hù)，所有試體取出后按奇偶數(shù)編碼分成2組，每組9條，保證兩組試體基本條件相同。一組放入溫度為（20+1）℃、體積為1 800 mL的蒸餾水中浸泡，另一組放入與浸泡蒸餾水相同溫度和體積為1 800 mL的硫酸鹽侵蝕溶液中浸泡。試體在浸泡過程中，首先向硫酸鹽侵蝕溶液中滴加4～5滴酚酞指示劑溶液，然后每天用硫酸溶液（1+5）滴定硫酸鹽浸泡溶液，用于中和試體在浸泡過程中分解出的氫氧化鈣，邊滴定邊攪拌，使浸泡溶液的pH值保持在7.0左右，蒸餾水浸泡溶液不用處理。

在此過程，養(yǎng)護(hù)容器最好采用玻璃、不銹鋼、塑料等材質(zhì)的容器，不要使用鐵質(zhì)等易銹蝕的容器，以免浸泡過程中發(fā)生銹蝕反應(yīng)而使浸泡溶液的成分發(fā)生改變，從而影響檢驗結(jié)果。使用硫酸鹽浸泡溶液的這一組容器應(yīng)帶有密封蓋，防止浸泡溶液揮發(fā)。容器的大小也應(yīng)該有一定的限制，如果太大，則試體表面的溶液太少，每日的中和及控溫操作都不易進(jìn)行，會造成檢驗結(jié)果重復(fù)性不佳；如果太小，則深度過大，造成試體承受壓力過大，試體抗侵蝕效果也會相應(yīng)降低。

20 ℃水養(yǎng)護(hù)過程最好在試體底部增加一塊塑料或者不銹鋼篦板，使試體的每一個面都能與硫酸鹽溶液均勻地接觸。該試驗試體斷面小，如果一個面未暴露在硫酸鹽溶液，則會對檢驗結(jié)果造成不小的影響。如果不使用篦板，經(jīng)過24 h養(yǎng)護(hù)后翻轉(zhuǎn)試體發(fā)現(xiàn)，未直接接觸硫酸鹽溶液試驗試體的一面呈現(xiàn)出與其他面不同的顏色，顏色明顯要偏深一些，對檢驗結(jié)果的影響也比較明顯（見表2）。同時，由于該試驗試體體積較小，養(yǎng)護(hù)過程如果豎直放置極易倒下，會對結(jié)果造成破壞性影響，所以該過程試體不宜豎直放置。

表2 使用篦板對檢驗結(jié)果影響統(tǒng)計表

由表2可見，同一個樣品在使用篦板的情況下，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)檢測結(jié)果基本保持穩(wěn)定且與標(biāo)準(zhǔn)值一致；在不使用篦板的情況下，檢驗結(jié)果則有高有低。這主要是因為浸泡過程中，與容器底部接觸的試體表面被侵蝕溶液侵蝕的程度要低于完全暴露在侵蝕溶液中的試體表面，試體被破壞程度低，從而造成試體抗折強度檢驗結(jié)果偏高，由公式K=R液/R水可以看出， R液偏高，則抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)K將偏大。表2中的檢驗結(jié)果偏低的現(xiàn)象很可能是由于浸泡過程中翻轉(zhuǎn)試體步驟對試體造成了一定的損害，造成抗折強度結(jié)果偏低。由于該實驗試體體積較小，很小的力值都有可能對試體早成損害，所以浸泡過程建議使用篦板，既能使試體各個面都能充分與侵蝕溶液接觸，又減少了觸碰試體造成損害的概率和風(fēng)險，確保檢驗結(jié)果穩(wěn)定而準(zhǔn)確。

2.3 脫模過程

本試驗最終檢驗的是試件的抗折強度的比值，所有抗折強度試驗中，脫模過程不規(guī)范會造成檢驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，而在該試驗中，由于試體體積較小，脫模過程操作規(guī)范性對檢驗結(jié)果的影響程度會更大，一不小心就會損壞試體結(jié)構(gòu)，從而造成檢驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。所以，在結(jié)束濕氣養(yǎng)護(hù)后，取出試模時必須輕拿輕放，擰松短板固定螺絲，從兩側(cè)向外平行輕敲端板，使端板左右平行移動，直至完全與試體分離，兩端板拆下后，采用振動的方式使試體連同隔板一起脫離底板，再輕輕敲擊隔板分離試體，這個過程操作人員一定要控制好力度，保證試體完好，以免對檢驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.4 破型過程

試體養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，轉(zhuǎn)移至抗折機(jī)進(jìn)行破型操作的過程應(yīng)保證試體表面潮濕，防止水分蒸發(fā)，整個搬運過程至該試體破型前，都應(yīng)用濕布覆蓋。同時，由于試體體積較小，絕對不能用手抓著試體直接轉(zhuǎn)移，應(yīng)平放在托盤上進(jìn)行轉(zhuǎn)移且不宜將試體摞在一起，否則會造成試體的損壞，從而影響檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，轉(zhuǎn)移的整個過程要避免試體受到震動，由于試體體積較小，所以微小的震動都可能造成結(jié)果的較大偏離。

抗折強度試驗機(jī)油砣標(biāo)尺的上揚角度應(yīng)合理，以試體破壞時剛好水平為適宜。這是一項需要經(jīng)驗積累的操作，不同的水泥質(zhì)量，抗折硫酸鹽侵蝕性能不同，則上揚的角度不同，檢驗人員平時要注意仔細(xì)觀察積累并學(xué)會預(yù)判。

破型操作過程中試體放置應(yīng)水平且對稱。抗折強度試驗機(jī)采用的是3點受力擇斷的原理，若試體不水平則受力面不能與擇斷點垂直，造成抗折強度結(jié)果偏低，使抗硫酸鹽侵蝕結(jié)果偏離。所以，破型試驗前應(yīng)檢查兩個承重點高度是否一致，不一致的要及時處理。試體對稱則是指試體放置好后，中心受力點到兩端點的距離應(yīng)該相等，若偏差則會造成其中一個端點受力增加，從而使抗折強度偏低，造成最終結(jié)果的偏離或重復(fù)性差。

3 結(jié)語

綜上所述，海工水泥抗硫酸鹽侵蝕性能的檢驗要點主要圍繞著試體體積較小這一關(guān)鍵點，相對于通用水泥抗折強度檢驗，每一個過程更需要更加細(xì)致入微和穩(wěn)定，檢驗準(zhǔn)確性對生產(chǎn)過程的指導(dǎo)意義重大，特別是海工水泥這樣高要求的水泥產(chǎn)品，其質(zhì)量好壞影響深遠(yuǎn)。21世紀(jì)是公認(rèn)的“海洋世紀(jì)”，全球范圍內(nèi)大規(guī)模開發(fā)、利用、爭奪海洋資源成為時代主題。黨的十九大提出了建設(shè)海洋強國的目標(biāo)，開拓海洋經(jīng)濟(jì)和保衛(wèi)海疆已成為當(dāng)前國家重要戰(zhàn)略。海工水泥抗硫酸鹽侵蝕性能檢驗水平的提高有待各同行們一起努力。