摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環—硫酸鹽侵蝕性能試驗研究

賈洪全

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

新疆鹽堿地分布廣泛,其土壤水和地下水中含有豐富的硫酸鹽[1],會對水工混凝土建筑物產生嚴重侵蝕破壞。同時,新疆早晚溫差較大,在地下水位低和地下水位變幅大的地層中,其干濕交替作用也會對混凝土構筑物造成損傷。干濕循環和硫酸鹽侵蝕耦合作用下的損傷疊加將加劇混凝土結構的破壞和失效,嚴重縮短其耐久性能和服役壽命[2]。已建的克孜爾水庫、635水利樞紐和某大型輸水干渠等水利工程均遭遇了硫酸鹽侵蝕難題,引起了嚴重的安全隱患和經濟損失。研究表明,改善水泥基材料的孔結構、控制膠凝材料組分等[3]能大幅提高其抗硫酸鹽侵蝕性能。將礦渣粉應用于水泥混凝土不僅能改善水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能[4,5],還能變廢為寶,順應綠色低碳發展潮流。因此,開展摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能研究具有重要的實用意義和經濟價值。

目前,國內外學者對摻礦渣粉水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能已開展了大量研究。通過干濕循環-硫酸鹽侵蝕試驗,金祖權等[6]認為S95級礦渣粉能改善水泥基材料的抗侵蝕性能;Nie等[7]認為S95級礦渣粉可提高水泥基材料的抗侵蝕性能,S75級礦渣粉則會對抗侵蝕性能產生不利影響;王曉波等[8]認為S105級礦渣粉可顯著提高水泥基材料的抗侵蝕性能。雖然已有研究在試驗中采用的干濕循環制度存在差異,但摻S95級以上等級的礦渣粉水泥基材料具有較為優異的抗硫酸鹽侵蝕性能得到了學術界的普遍認可。

前人研究中,礦渣粉等級較高,干濕循環制度與混凝土實際服役情況差異較大。為此,本文根據新疆的氣候條件制定干濕循環制度,采用S75級礦渣粉配制水泥膠砂試件開展干濕循環-硫酸鹽侵蝕試驗。宏觀上通過測定不同侵蝕齡期下試件的抗蝕系數,觀測其外觀形態變化,探究摻礦渣粉水泥基材料的抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能;微觀上通過掃描電子顯微鏡觀測試件微觀形貌,進一步分析S75級礦渣粉改善水泥基材料抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕的內在作用機理。以期為S75礦渣粉更好應用于新疆地區鹽堿地中的水工混凝土工程提供參考基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥,比表面積389m2/kg,安定性合格。礦渣粉:S75級礦渣粉,比表面積437m2/kg,活性指數64%(7d)、91%(28d),礦渣粉顆粒電鏡照片見圖1。砂:滿足《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)要求的標準砂。水:拌和用水為城市自來水,配制侵蝕溶液采用蒸餾水。硫酸鈉:無水硫酸鈉(分析純)。

圖1 礦渣粉顆粒電鏡照片

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

表1 水泥膠砂試件配合比

1.2.2 試驗過程

K=R液/R水

(1)

式中:K為抗蝕系數;R液為試件在侵蝕溶液中被侵蝕規定齡期后的抗折強度,MPa;R水為試件在淡水中養護至同齡期的抗折強度,MPa。

2 結果與討論

2.1 試件抗蝕系數劣化規律

干濕循環-硫酸鹽侵蝕后各配比膠砂試件的抗蝕系數變化見圖2。由圖2可以看出,各配比膠砂試件的抗蝕系數隨侵蝕齡期的延長均呈現先增后減的變化趨勢。僅15次干濕循環后,各配比膠砂試件的抗蝕系數均有不同程度的降低,說明干濕循環-硫酸鹽侵蝕破壞速率較快。相比于S0試件,S1和S2試件的抗蝕系數分別提高2.5%～5.9%和1.6%～10.1%,并且隨著干濕循環次數的增加,試件抗蝕系數的差值逐漸增大;說明水泥基材料水膠比為0.40時,摻S75級礦渣粉能顯著提高其抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能,且摻量越大,侵蝕齡期越長,提高效果越明顯。

圖2 不同配比膠砂試件的抗蝕系數變化曲線

由圖2還可以看出,水膠比為0.50的S3和S4試件的抗蝕系數比S1和S2試件分別降低2.6%～23.0%和0.2%～12.7%,S3試件的抗蝕系數比S0降低10.7%～19.0%,侵蝕前期S4試件的抗蝕系數大于S0試件,但干濕循環次數大于105次后,抗蝕系數仍降低2.2%～3.9%;說明水膠比也是影響摻礦渣粉水泥基材料抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能的重要因素,并且水膠比的影響程度大于礦渣粉摻量,摻礦渣粉水泥基材料的水膠比較大時,其抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能仍舊較差。

綜上所述,摻S75級礦渣粉能顯著改善水泥基材料的抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能,將S75礦渣粉應用于水工混凝土結構具有很好的實用性;同時,相比于高等級礦渣粉而言,S75級礦渣粉價格低廉,應用于水工混凝土結構也具有較好的經濟性。在類似于新疆干旱區鹽堿地中服役的混凝土結構,其水膠比宜小于0.40,礦渣粉摻量宜大于30%。

2.2 試件外觀形態變化

干濕循環-硫酸鹽侵蝕后S1和S4試件的外觀形貌見圖3和圖4。可以看出,干濕循環-硫酸鹽侵蝕后,S1試件的外觀基本完整,僅表面出現零星坑點,邊角出現輕微剝落,有少許砂集料漏出;而S4試件的侵蝕破壞比較嚴重,表面、棱邊大面積剝落,現出大量凹坑,端部剝落最為嚴重,基本已經磨圓,砂集料全部外露,個別試件出現彎曲變形。由此可見,相同侵蝕齡期下,水膠比為0.40的摻礦渣粉水泥基材料抵抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕破壞能力較好,僅出現輕微侵蝕破壞現象,相應的抗蝕系數也較大;水膠比為0.50的摻礦渣粉水泥基材料抵抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕破壞能力較差,即使礦渣粉摻量增加到50%后,侵蝕破壞仍較為嚴重,侵蝕后期的抗蝕系數降幅較大。

圖3 S1試件干濕循環120次后的外觀形態

圖4 S4試件干濕循環120次后的外觀形態

2.3 干濕循環-硫酸鹽侵蝕機理分析

圖5 S4試件干濕循環120次后的微觀形貌

S2試件干濕循環120次后的微觀形貌見圖6。可以看出,礦渣粉顆粒均勻填充在水泥石中,部分顆粒表面已發生二次水化,與水泥石緊密連接,整體密實程度較高,水泥石孔隙中未見侵蝕產物生成。這是因為礦渣粉細度優于水泥顆粒,填充了水泥顆粒間的空隙,優化了膠凝材料級配;同時礦渣粉中含有的活性礦物SiO2、Al2O3等在水泥水化產物Ca(OH)2堿激發作用下進行火山灰反應,消耗Ca(OH)2并生成新的水化硅酸鈣凝膠,細化了水泥石孔結構[13]。因為礦渣粉的火山灰反應消耗了易被侵蝕的Ca(OH)2,減少了侵蝕內因;填充作用和火山灰反應新生成的水化硅酸鈣凝膠細化了水泥石孔結構,增強了水泥石密實度,阻斷了硫酸鹽滲入通道,減少了侵蝕外因;所以有效減緩了化學侵蝕和物理侵蝕進程,使得水泥基材料的抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能顯著提高。因為S4試件水膠比較大、水泥石孔隙較多,致使硫酸鹽物理和化學侵蝕進程大于礦渣粉的填充作用和火山灰效應,所以即使增加礦渣粉摻量,其抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能仍相對較差,侵蝕破壞較為嚴重。

圖6 S2試件干濕循環120次后的微觀形貌

3 結 論

a.水泥基材料中摻入30%～50%的S75級礦渣粉能顯著改善其抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能,且隨礦渣粉摻量的增大和水膠比的減小而增強。在高水膠比水泥基材料中摻入礦渣粉,其抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能仍然較差。

b.在類似于新疆干旱區鹽堿地環境中服役的混凝土結構,其水膠比應宜小于0.40,礦渣粉摻量宜大于30%。將礦渣粉應用于水工混凝土結構具有很好的經濟性和實用性。

c.干濕循環-硫酸鹽侵蝕下,水泥基材料不僅受到侵蝕產物鈣礬石和石膏的化學侵蝕作用,還會疊加十水硫酸鈉晶體的物理損傷;侵蝕破壞表現為表面剝落、砂集料外露和彎曲變形。礦渣粉的填充作用和火山灰效應大幅延緩了硫酸鹽物理和化學侵蝕進程,從而顯著提高了水泥基材料的抗干濕循環-硫酸鹽侵蝕性能。