水泥砂漿摻防腐型阻銹劑的試驗研究

徐赫峰

(撫順海峰水利工程有限公司,遼寧 撫順 113300)

目前,鋼筋混凝土在隧道、橋梁、建筑、水利等工程領域中的應用非常廣泛,其耐久性在很大程度上決定著水利工程的服役壽命[1]。其中,氯鹽和硫酸鹽侵蝕是導致工程結構失效破壞的重要因素之一,并且硫酸鹽屬于一種復雜的環境水侵蝕,極易導致水工混凝土鋼筋銹蝕、強度損失和膨脹開裂等問題,大大降低水工結構的耐久性能及使用年限[2-4]。為改善混凝土防腐性能,主要使用抗硫酸鹽水泥、使用防腐蝕涂料涂覆結構表面和減小水膠比增大混凝土強度這3種措施,但抗硫酸鹽水泥價格昂貴且生產廠家較少,涂覆防腐蝕涂料易受環境和其它條件限制,涂層易脫落且施工難度大,而減小水膠比會增加工程成本,實際工程應用時以上3種措施都存在一定的不足[5]。實踐表明,水工混凝土摻單一組分外加劑具有較大的局限性[6]。鑒于此,本研究擬將抗氯鹽與抗硫酸鹽侵蝕阻銹劑復合,通過水泥膠砂試驗探討復合的防腐阻銹劑對鋼筋電極單位、膠砂強度、膨脹系數和抗蝕系數的影響,從微觀上利用EM-30 Plus掃描電鏡觀測水化產物形貌,并進一步揭示其作用機理。

1 試驗方案

1.1 原材料

用于試驗研究的原材料有:①水泥:中國葛洲壩集團生產的PM 42.5級中熱硅酸鹽水泥,比表面積355m2/kg,標稠用水量26.0%,細度(45μm方孔篩)4.6%,28d抗壓強度52.2MPa,水泥化學成分,見表1;②砂:ISO標準砂;③水:當地自來水;④防腐阻銹劑:按照1∶9的比例將氨基醇類阻銹劑與GL-SSP型防腐劑復配,均勻混合后配制而成,防腐阻銹劑pH值11,細度(80μm)12.8%,含水率5.5%。

表1 水泥化學成分

1.2 試驗方法

參照《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》、《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》和《水泥膠砂強度檢驗方法》中的規定測試水泥膠砂膨脹系數、抗蝕系數及其強度,并按照“硬化砂漿法”進行鋼筋銹蝕快速試驗,設計水膠比0.5,膠砂比1:3,配制3%的NaCl溶液作為拌合水,養護水pH值用5%的H2SO4溶液調節至中性,標準試件養護時間14d。

2 結果與分析

2.1 力學性能

通過調整用水量促使摻防腐阻銹劑的膠砂流動度值不超過基準對照的±5mm,并依次測定養護齡期3d、28d、56d的強度值,水泥膠砂力學性能,見表2。

表2 水泥膠砂力學性能

由表2可知,水泥膠砂用水量隨著防腐阻銹劑摻量的增加而逐漸減少,如S-3組用水量相較于S-0基準組減少20g,這表明復配的防腐阻銹劑存在一定減水效應。水泥膠砂中摻入防腐阻銹劑會在一定程度上降低3d齡期的抗壓強度,如S-1組相較于S-0基準組下降8.5%;隨著齡期的延長S-1組、S-2組和S-3組抗壓強度均快速增加,如28d、56d齡期時均高于S-0基準組。

依據抗折強度數據,防腐阻銹劑的摻入可以在不同程度上提高水泥膠砂各齡期抗折強度,究其原因是復配的防腐阻銹劑存在一定的減水效應,這使得用水量較小的情況下試驗組各齡期抗折強度均高于基準組。另外,使用的防腐劑填料活性指數低于水泥,這種礦物摻合料無法直接參與水化,所以試驗組均低于基準組的早期(3d)抗壓強度。隨著齡期的延長礦物摻合料的活性逐漸釋放,通過與水化產物的二次水化使得水泥膠砂強度不斷增大,達到28d齡期時試驗組均超過基準組的膠砂強度。

2.2 抗蝕系數

通過調整用水量促使摻防腐阻銹劑的膠砂流動度處于(180±10)mm之間,膠砂試件成型后放入50℃環境蒸汽養護7d,然后分兩組分別放入普通自來水和10%Na2SO4溶液中養護至28d,并測定28d齡期抗折強度和抗蝕系數,水泥膠砂力學性能,見表3。

表3 水泥膠砂力學性能

從表3可以看出,各組膠砂流動度相差不大,在10%Na2SO4溶液和普通自來水中養護的摻防腐阻銹劑膠砂組抗折強度均高于T-0基準組,并且普通自來水中養護的各組膠砂試件抗折強度均高于10%Na2SO4溶液中養護的試件,這表明10%Na2SO4溶液會產生一定的侵蝕作用。T-0基準組的抗蝕系數明顯低于摻防腐阻銹劑的膠砂試組,這說明防腐阻銹劑的摻入明顯增強了水泥膠砂的抗侵蝕性能。

2.3 膨脹性能

設計配合比用水量為膠凝材料的標稠用水量,水泥凈漿終凝120min后拆模,擦拭干凈銅端頭后立即測定初始長度,隨后浸入水中養護7d。然后分兩組分別浸入10%Na2SO4溶液和水中養護,依次測定7d、14d、21d、28d齡期長度值和膨脹系數,水泥凈漿膨脹系數,見表4。其中,膨脹系數E等于侵蝕溶液和水溶液中養護28d時凈漿試件的膨脹率之比,以試件放入10%Na2SO4溶液作為試驗齡期的起始時間。

表4 水泥凈漿膨脹系數

結果表明,各齡期水泥凈漿試件的膨脹率均隨著養護齡期的延長而有所增大,水泥凈漿摻防腐阻銹劑P-1阻、P-2組、P-3組各齡期膨脹率均明顯高于P-0基準組,膨脹率在7～21d齡期時快速增長,而21d后逐漸趨于穩定。普通自來水中養護的水泥凈漿試件各齡期膨脹率均明顯低于10%Na2SO4溶液養護,水泥凈漿摻防腐阻銹劑組的28d齡期膨脹系數明顯低于P-0組1.84和國標規定的限值1.50,這表明摻入的防腐阻銹劑抗侵蝕性能良好。

2.4 鋼筋電極電位

為進一步表征復配的防腐阻銹劑性能,從市場上購買DC-C5型阻銹劑(編號D-4)進行對比,測試硬化砂漿14d齡期的鋼筋電極電位,鋼筋電極電位試驗數據,見表5。

表5 鋼筋電極電位試驗數據

結果表明,通電后未摻防腐阻銹劑的D-0組鋼筋極化電位快速增大,2min后逐漸減小,通電10min后表現出明顯減小趨勢,表明鈍化膜已經被氯離子破壞,鋼筋失去保護作用正發生銹蝕;通電0～30min時摻防腐阻銹劑的D-1、D-2、D-3組鋼筋極化電位達到最值大并維持穩定,表明復配的防腐阻銹劑有效增強了鈍化膜的穩定性,降低了鋼筋表面鈍化膜受高濃度氯離子的破壞作用。對于摻DC-C5型阻銹劑的D-4組,鋼筋電位在通電15min后逐漸下降,但降幅明顯

2.5 掃描觀測

采用EM-30 Plus掃描電鏡觀測內摻8%防腐阻銹劑和基準水泥膠砂試件的3d、7d、28d水化產物形貌,從而揭示其作用機理。結果顯示,水泥膠砂水化產物隨著水化齡期的延長不斷增多,不同膠凝材料類型同齡期水泥膠砂水化程度存在明顯差異。齡期3d時,摻防腐阻銹劑組的水化程度、水化產物相較于基準組偏少,主要是棱柱狀Ca(OH)2和細小棒狀鈣礬石晶體、纖維狀C-S-H凝膠;齡期7d時,水泥石結構密實且水化產物增多,主要是少量棱柱狀Ca(OH)2、交錯生長的棒針狀鈣礬石晶體和塊狀C-S-H凝膠,摻防腐阻銹劑組相較于基準組的水化產物較多;齡期28d時,水化產物持續增加,以針狀鈣礬石晶體和搭接生長的塊狀C-S-H凝膠為主。防腐阻銹劑的摻入能夠消耗多余的Ca(OH)2晶體,參與二次水化更多的鈣礬石和C-S-H凝膠,從而提高水泥膠砂的強度、致密性和抗侵蝕性能[11]。

3 結 論

1)試驗復配的防腐阻銹劑能夠有效改善水泥膠砂的強度和工作性能,實際應用時發揮著一定的減水效應;水泥膠砂摻防腐阻銹劑組的28d膨脹系數<國標規定的限值1.50,1.50,抗蝕系數>0.85,說明其抗侵蝕性能良好。

2)防腐阻銹劑可以有效增強鈍化膜的穩定性,降低鋼筋表面鈍化膜受高濃度氯離子的破壞作用,其阻銹效果優于從市場上購買的DC-C型阻銹劑。從作用機理上,防腐阻銹劑的摻入可以消耗多余的Ca(OH)2晶體,促進水化生成更多的鈣礬石和C-S-H凝膠,從而提高水泥膠砂的強度、致密性和抗侵蝕性能。