硅灰對水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用.doc

硅灰對水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用第28卷第3期2006年6月西南石油學(xué)院JournalofSouthwestPetroleumInstituteV01.28JunNo.320o6文章編號:10002634(2006)03010303硅灰對水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用肖佳,鄧德華,元強(qiáng),潘武略,陳烽(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙410075)摘要:將水泥凈漿試件在5%Na2SO溶液中長期浸泡,用試件強(qiáng)度隨浸泡時間的變化和試件中物相的XRD分析,研究了硅灰對水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響.在Na:SO溶液侵蝕下,普通硅酸鹽水泥凈漿試件強(qiáng)度隨浸泡時間先增長,然后急劇降低;外觀和XRD相分析表明,其原因是由于形成了膨脹性鈣礬石,造成試件開裂破壞;加入硅灰的水泥凈漿試件強(qiáng)度損失明顯減小,尤其是抗折強(qiáng)度沒有降低,其抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)還略有增加;原因是由于硅灰的稀釋作用和火山灰效應(yīng)減少了水泥凈漿中Ca(OH)2的量,從而降低了水泥凈漿試件在硫酸鹽溶液侵蝕下形成的膨脹性鈣礬石的量.因而,硅灰對水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能有改善作用.關(guān)鍵詞:水泥凈漿;硫酸鹽侵蝕;硅灰;鈣礬石中圖分類號:TE256.9;TE258文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A引言從對工程混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕作用來看,在自然界所有化合物中,硫酸鹽是最主要的化合物.混凝土遭受硫酸鹽侵蝕后,將導(dǎo)致其性能和外觀的嚴(yán)重劣化,危及構(gòu)筑物的使用壽命和安全.因此,混凝土的硫酸鹽侵蝕幾乎是全球所有國家都面臨的嚴(yán)重問題之一2.正如M.Santhanam等人指出,硫酸鹽侵蝕的研究已到了關(guān)鍵時期.盡管過去取得一些有意義的進(jìn)展,但該問題仍未很好解決,仍需進(jìn)一步研究.現(xiàn)場觀測到混凝土受到硫酸鹽介質(zhì)侵蝕后,混凝土外觀和性能的劣化現(xiàn)象主要有3種形式:酸性類型,膨脹開裂類型和剝蝕破壞類型.造成這些劣化現(xiàn)象的原因,一般認(rèn)為是由于硫酸鹽溶液與混凝土中水泥水化產(chǎn)物之間化學(xué)反應(yīng)形成的有害化合物.其中主要化合物是鈣礬石和石膏,它們導(dǎo)致混凝土膨脹開裂,結(jié)構(gòu)破壞.在5%Na2SO溶液浸泡下,普通硅酸鹽水泥凈漿試件因形成膨脹性產(chǎn)物而開裂破壞,究竟是石膏膨脹還是鈣礬石膨脹造成的破壞是值得我們?nèi)パ芯康?在研究混凝土遭受硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能是一項很有意義的工作.因此,本文旨在水泥凈漿中加入硅灰,研究硅灰對水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用.1試驗材料與試驗方法1.1試驗材料水泥:湖南韶峰集團(tuán)產(chǎn)42.5級普通硅酸鹽水泥;硅灰:?？衔⒐璺?920U等級;硫酸鈉:市售,工業(yè)Na2SO4;硫酸(HSO):市售,化學(xué)分析純;水:普通自來水.1.2試件制備用硅灰等量取代水泥,試驗配合比見表1.制作尺寸為14mm70mm的水泥凈漿圓柱體試件,24根試模捆成一捆.制作試件時,首先將硅灰倒入攪拌鍋,加一半水慢攪1min,再加水泥和余下的水,慢攪2min.凈漿裝入試模后用玻璃棒插搗,密實(shí)后再機(jī)振3o次.試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下成型14d后拆模.1.3硫酸鹽侵蝕試驗試件標(biāo)養(yǎng)14d后,分別在5%NaESO溶液和清表1水泥凈漿配合比試件水泥/g硅灰/gv,/g水膠比SFI250o-12500.5OSF2237512512500.5OSF3225025012500.50收稿日期:20051202基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(編號:50378092).作者簡介:肖佳(1964一),女(漢族),湖南衡陽人,副教授,博士,從事建筑材料研究.104西南石油學(xué)院2006正水中長期浸泡,溫度,濕度以室內(nèi)為準(zhǔn).每周調(diào)整一次NaSO浸泡溶液,使溶液pH值降至8.5左右,稀硫酸與硫酸鈉溶液的SO一濃度保持一致.1.4抗壓和抗折強(qiáng)度測試測試試件標(biāo)養(yǎng)14d,在溶液和清水中分別浸泡4周,12周,16周和加周的抗壓和抗折強(qiáng)度.取5根試件為1組,測其抗折強(qiáng)度.把水泥電動抗折試驗機(jī)改裝,原兩支撐圓柱間距離L=100mltl調(diào)整為66mltl.=8PL/3.14d其中,辟一抗折強(qiáng)度,MPa;P一抗折破壞荷載,N;L一試件兩端之間支撐距離,66mm;d一試件直徑,14mltl.取折斷后的7個半根為1組,首先對其一面打磨,后切割另一面成為直徑為14mm,高為24mm的圓柱體并測試其抗壓強(qiáng)度.1.5微觀分析毛40岳苦30蘭2o量10取烘干試樣磨細(xì)并過80IJ,n的篩,進(jìn)行XRD分析.1.6抗蝕評價指標(biāo)抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)K用同齡期的水泥凈漿分別在5%Na2SO4溶液和清水中浸泡后的抗折強(qiáng)度之比為K:N,1,式中,抵抗強(qiáng)度下降系數(shù);.一試件在5%NaSO溶液中浸泡后抗折強(qiáng)度,MPa;一試件在清水中養(yǎng)護(hù)同齡期抗折強(qiáng)度,MPa.2試驗結(jié)果及討論為了研究水泥凈漿的硫酸鹽侵蝕生成產(chǎn)物對其性能的影響,試驗測試了硅灰摻量(質(zhì)量比)為0,5%,10%,水膠比為W/B=0.5時水泥凈漿試件的抗壓和抗折強(qiáng)度,試驗結(jié)果見圖1;并得出了不同硅灰摻量水泥凈漿試件抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)(圖2).圖1溶液浸泡下不同硅灰摻量水泥凈漿試件強(qiáng)度隨時問的變化圖2試件抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)隨時間的變化從圖1和圖2可知,在5%NaSO溶液中浸泡,水泥凈漿試件抗壓強(qiáng)度在浸泡4周以前沒有下降,反而在增加,摻有硅灰試件比未摻硅灰試件其抗壓強(qiáng)度增長得快一些.隨后試件抗壓強(qiáng)度開始隨時間不斷下降,未摻硅灰的SF1試件抗壓強(qiáng)度較摻5%,10%硅灰的SF2,SF3試件抗壓強(qiáng)度下降得快;摻硅灰試件抗折強(qiáng)度直到浸泡16周時才開始下降,且下降幅度不大,而未摻硅灰的SF1試件抗折強(qiáng)度在浸泡12周時就開始下降,且下降迅速.浸泡16周到20周之間,SF1,SF2,SF3試件抗折強(qiáng)度分別下降了58.8%,3.4%,5.04%.特別是在浸泡12周后,SF1試件抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)大幅下降,浸泡20周時,其值僅為0.35,而SF2,SF3試件的抵抗強(qiáng)度下降系數(shù)下降緩慢,浸泡20周時其值均高于1.由此可見,硫酸鹽侵蝕下普通硅酸鹽水泥凈漿試件強(qiáng)度下降明顯,而在水泥凈漿中摻人硅灰能有效的阻止其強(qiáng)度的下降,減緩其劣化的速度:觀察外觀,普通硅酸鹽水泥凈漿試件SF1表面及兩端均出現(xiàn)了裂紋,兩端裂紋較中間多.而摻有硅灰的SF2,SF3試件表面完好,未見可見裂紋.觀察折斷后的斷面,SF1試件斷面可見被侵蝕痕跡,而SF2,SF3試件斷面卻無明顯的侵蝕痕跡,外觀保持較好.外觀變化也反映出試件受侵蝕后劣化的程度.在硫酸鹽侵蝕下生成產(chǎn)物鈣礬石和石膏均會導(dǎo)致試件膨脹開裂,強(qiáng)度下降而破壞.在5%NaSO溶液浸泡下,為了弄清普通硅酸鹽水泥凈漿試件破黻I二第3期肖佳等:硅灰對水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕性能的改善作用105壞的有害化合物是鈣礬石還是石膏,對SF1和SF3試件進(jìn)行了XRD分析,分析結(jié)果如圖3所示.lO2O3O405020/.(a)清水1O2O3O405020/.(b)596Na!SO溶液圖3水泥凈漿試件浸泡18周后XRD圖由圖3可見,在清水中浸泡,摻硅灰試件生成的鈣礬石與未摻硅灰的試件相差不大,但Ca(OH)的生成量卻大大低于未摻硅灰的試件.這是因為摻人硅灰后減少了水泥用量,也相應(yīng)降低了水泥水化形成的Ca(OH)的量;在硅酸鹽水泥水化過程中,硅灰中的SiO與Ca(OH)反應(yīng)生成CSH凝膠,即所謂火山灰效應(yīng),該反應(yīng)增加了水泥石中C.SH凝膠的體積,減少了Ca(OH)的量.經(jīng)5%NaSO溶液浸泡后,摻硅灰的SF3試件生成的鈣礬石低于未摻硅灰的SF1試件.這是因為在硫酸鹽侵蝕下,普通硅酸鹽水泥凈漿試件有較多的ca(OH)與sO;一反應(yīng)生產(chǎn)石膏,石膏與CA繼續(xù)反應(yīng)生成鈣礬石,而鈣礬石量的大幅增加,造成普通硅酸鹽水泥凈漿試件膨脹,開裂,強(qiáng)度下降,最終導(dǎo)致破壞.硅灰獨(dú)特的特性是其細(xì)度大,高度的無定形性質(zhì)以及高的SiO含量.小的球狀硅灰填充于水泥顆粒之間,使膠凝材料具有良好的級配,加水拌和后填充于水泥漿體的孔隙間,從微觀尺度上增加了水泥石的密實(shí)度.有研究表明J,在水泥石中含硅灰的大孔體積降低,小孔增多,連通孔減少,隨著硅灰的摻量增加,Ca(OH)含量降低.許多研究6也表明:在有硅灰存在的情況下,水泥水化早期的水化產(chǎn)物中有大量ca(OH),隨著齡期的延長,Ca(OH)的量越來越少,甚至完全測不到.說明硅灰的火山灰效應(yīng)能將ca(OH)轉(zhuǎn)化成Cs_H凝膠,并填充在水泥水化產(chǎn)物之間,降低了孔隙率,改善了孔結(jié)構(gòu).大多數(shù)造成混凝土劣化的物理的或化學(xué)的侵蝕都是有害介質(zhì)通過水的浸入而發(fā)生的,由于摻人硅灰后增加了水泥凈漿試件的密實(shí)度,提高了水泥石抵抗有害介質(zhì)的侵蝕作用,減少了SO一的侵入量,同時還因為硅灰的稀釋作用和火山灰反應(yīng),減少了水泥凈漿中的Ca(OH)含量,從而降低了水泥凈漿在硫酸鹽侵蝕下形成鈣礬石的量,這與XRD分析結(jié)果一致.因此,硅灰能有效提高水泥凈漿抗硫酸鹽侵蝕的性能.3結(jié)論(1)在5%NaSO溶液長期浸泡條件下,普通硅酸鹽水泥凈漿試件會因鈣礬石膨脹造成開裂而破壞.硅灰的稀釋作用和火山灰效應(yīng)減少了水泥凈漿中Ca(OH)的量.(2)由于硅灰對水泥石孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用,增加了水泥石的密實(shí)度,降低了滲透性.因此,硅灰的摻人抑制了水泥凈漿試件在硫酸鹽溶液侵蝕下膨脹性鈣礬石的形成,并對水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能有改善作用.參考文獻(xiàn):1施惠生,UrbonasL,LudwingU.影響水泥.粉煤灰抗硫酸鹽性能的若干因素J.建筑材料,1998,(2):123128.2施惠生,LudwigU.水泥.粉煤灰砂漿滲透性及抗硫酸鹽性能研究J.水泥,1999(7):69.3SanthanarnM,CohenDM,OlekJ.Sulfateattackresearchwithernow?J.CemConcrRes,2001,31:845.4OmarS.Baghabra,A1-Amoudi.Att