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高抗硫水泥的抗侵蚀能力初探

2020-06-04 07:20 作者:唯彩会官网 点击:

  高抗硫水泥的抗侵蚀能力初探_能源/化工_工程科技_专业资料。高抗硫水泥的抗侵蚀能力初探 1 引言 长期以来,对处于硫酸盐侵蚀环境中的混凝土结构工程,工程技术人员往往习惯认为用 抗硫硅酸盐水泥配制的混凝土能够较好地解决硫酸盐的侵蚀问题。形成上述共识的主要原因 是

  高抗硫水泥的抗侵蚀能力初探 1 引言 长期以来,对处于硫酸盐侵蚀环境中的混凝土结构工程,工程技术人员往往习惯认为用 抗硫硅酸盐水泥配制的混凝土能够较好地解决硫酸盐的侵蚀问题。形成上述共识的主要原因 是在 GB748-1996《抗硫酸盐硅酸盐水泥》(以下简称“旧标准”)中,明确了抗硫硅酸盐水 泥适用于硫酸根离子浓度不超过 2500mg/L 纯硫酸盐的腐蚀;高抗硫硅酸盐水泥适用于硫酸 根离子浓度不超过 8000mg/L 纯硫酸盐的腐蚀。该标准已经使用了近十年时间,工程技术人 员已习惯于遵循用旧标准中的提示来解决任何混凝土侵蚀问题,而未对硫硅酸盐水泥抗侵蚀 性,特别是长期抗侵蚀性未提出任何异议。 2005 年,国家标准委员会重新修订了《抗硫酸盐硅酸盐水泥》标准,颁布了 GB748-2005 《抗硫酸盐硅酸盐水泥》(以下简称“新标准”)。新标准 GB748-2005 中取消了旧标准 GB748-1996 中中抗硫酸盐水泥和高抗硫酸盐水泥的适用范围,并明确提出抗硫硅酸盐水泥 的抗硫酸盐性须通过 GB749《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》测定。 新标准提示了我们抗硫酸盐水泥其抵抗硫酸盐侵蚀的能力有一定的局限性。为探究抗硫 酸盐水泥的抗侵蚀能力,现以高抗硫水泥为研究对象,在长期侵蚀过程中,揭示高抗硫水泥 在不同水灰比条件下的实际抗侵蚀能力。 1 材料与方法 1.1 材料 水泥为乌鲁木齐市天山水泥厂生产的 42.5 高抗硫酸盐硅酸盐水泥(其各项物理指标见 表 1,化学指标见表 2);砂:ISO 标准砂;减水剂:FDN 高效减水剂;水:自来水。 表 1 天山 42.5 高抗硫硅酸盐水泥物理性能指标 Table 1 Tianshan 42.5 high sulfate-resistant Portland cement physical performance indicators 水泥 密度 (g/cm3) 比表面积 (m2/kg) 标准 安 稠度 定 用水 性 量(%) 凝结时间(h: min) 初凝 终凝 抗压强度 (Mpa) 3d 28d 抗折强度 (Mpa) 3d 28d 天山 42.5 高抗硫 3.1 硅酸盐水泥 合 382 26.1 02:37 03:34 22.7 46.5 5.8 8.4 格 “GB748-2005” / 要求 ≥280 合≥ ≤ ≥ ≥ ≥≥ / 格 0:45 10:00 15 42.5 3 6.5 注:(1)标准稠度用水量采用调整水量法测定;(2)表中“/”表示没有数值 表 2 天山 42.5 高抗硫硅酸盐水泥化学成份 Table 2 Tianshan 42.5 high sulfur resistant Portland cement chemical composition 化学成分(%) loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 熟料中矿物成份(%) C3S C2S C3A C4AF 天山 42.5 高抗硫 0.45 22.4 3.97 5.27 62.83 1.99 2.05 46.82 28.93 1.58 16.02 硅酸盐水泥 “GB748-2005” ≤3.0 / / / / ≤5.0 ≤2.5 ≤50.0 / ≤3.0 / 要求 注:表中“/”表示没有数值 1.2 方法 依据新疆实际工程中混凝土常用的水灰比和新疆地区可能遇到的环境水中硫酸根离子 浓度,为模拟一些实际工程的基础混凝土浇筑完成不久就遭受硫酸盐侵蚀的特殊情况,将水 灰比分别为 0.35、0.4、0.45、0.5 的高抗试件(各试件的配合比见表 4),标准养护 3 天后, 直接浸泡在硫酸根离子浓度为 0mg/L、1000mg/L、4000mg/L、10000mg/L 的硫酸钠侵蚀溶 液中,并参考规范 GB749-2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》中的 K 法,并按以下公式计 算各组试件的抗蚀系数: K 蚀=R 液/R 水 式中 K 蚀为抗蚀系数;R 液为试件浸泡在侵蚀溶液中一定龄期时的抗折强度,MPa; R 水为试件浸泡在淡水中一定龄期时的抗折强度,MPa; 当 K 蚀≤0.8 认为试件抗侵蚀不合格[4],即试件遭受侵蚀破坏。 表 4 养护 3 天的胶砂试件配合比 编号 水灰比 Table 3 Maintenance of mortar specimen of 3 days 胶砂比 水泥(g) 胶砂试件各项材料用量 水(ml) 标准砂(g) 减水剂(%) B1 0.35 1:2.5 300 105 750 1.2 B2 0.4 1:2.5 300 120 750 1.2 B3 0.45 1:2.5 300 135 750 0 B4 0.5 1:2.5 300 150 750 0 注:采用标准砂是为了消除天然砂的不均匀性,B1、B2 各组试件在拌合时掺入 1.2%的格辉 FDN 高效减水剂。 2.结果与分析 2.1 试件的抗侵蚀性能 养护 3 天的各组高抗试件,在不同溶液中的抗蚀系数随浸泡时间的变化情况见图 1~图 3。由图 1~图 3 可知: 养护 3 天的各组高抗试件在硫酸根离子浓度为 1000mg/L 的侵蚀溶液中经历 15 个月浸 泡后仍然维持较高的抗蚀系数;但在硫酸根离子浓度为 4000mg/L 的侵蚀溶液中,除了水灰 比为 0.35 的试件仍具有较大的抗蚀系数外,其余水灰比大于 0.35 的各试件在浸泡 10 个月 以后,便陆续丧失抵抗侵蚀的能力;在浓度为 10000mg/L 侵蚀溶液中,各组试件在浸泡 6 个月之后,均发生破坏。 对于养护 3 天高抗试件,降低水灰比虽然可在一定程度上提高试件的抗侵蚀能力,但是, 提高的幅度有限。因此,当遇到基础混凝土浇筑完成不久就会遭受硫酸盐侵蚀的特殊情况, 若环境水中硫酸根离子浓度≥4000mg/L 时,直接采用高抗硫水泥配制的混凝土就有遭受侵 蚀破坏的危险,为避免给工程留下安全隐患,宜采用其他更为稳妥的抗侵蚀措施。 图 1 在硫酸根离子浓度为 1000mg/L 的侵蚀溶液中 各组试抗蚀系数随浸泡时间变化曲线 In the corrosion solution concentration 图 2 在硫酸根离子浓度为 4000mg/L 的侵蚀溶液中 各组试件抗蚀系数随浸泡时间变化曲线 In the corrosion solution concentration of 1000 mg/L of each specimen corrosion resistance coefficient change with immersion time curve of 4000 mg/L of each specimen corrosion resistance coefficient change with immersion time curve 图 3 在硫酸根离子浓度为 10000mg/L 的侵蚀溶液中各组试件抗蚀系数随浸泡时间变化曲线 In the corrosion solution concentration of 10000 mg/L of each specimen corrosion resistance coefficient change with immersion time curve 2.2 试件的外观情况 图 4 水灰比 0.35,在 10000mg/L 溶液当中,图 5 水灰比 0.4,在 10000mg/L 溶液当中,侵 侵蚀 7 个月,试件表面平滑,结构完整。 蚀 7 个月,试件表层起砂、试件掉角、两端磨圆。 图 6 水灰比 0.45,在 10000mg/L 溶液当中, 侵蚀 7 个月,试件表层起砂、两端磨圆、 肿胀松散。 图 7 水灰比 0.5,在 10000mg/L 溶液当中, 侵蚀 7 个月,试件表层起砂、两端磨圆。 2.3 试件微观结构观测 图 8 水灰比 0.35,在 10000mg/L 溶液当中,侵蚀 7 个月时的试件的试件,表层疏松层厚度为 27.54μm,疏 松层主要生成物质为石膏 Figure 8 water cement ratio of 0.35, among the 10000 mg/L solution, erode the specimen of the specimen when seven months, surface layer of loose layer thickness of 27.54 microns, loose layer mainly produce material for gypsum 图 9 水灰比 0.4,在 10000mg/L 溶液当中,侵蚀 7 个月时的试件的试件,表层疏松层最大厚度为 354.8μm, 疏松层主要生成物质为石膏 Figure 9 water cement ratio of 0.4, among the 10000 mg/L solution, erode the specimen of the specimen when seven months, surface layer of loose layer thickness of 354.8 microns, loose layer mainly produce material for gypsum 图 10 水灰比 0.45,在 10000mg/L 溶液当中,侵蚀 7 个月时的试件的试件表层疏松层厚度为 445.7μm,疏松 层主要生成物质为石膏 Figure 10 water cement ratio of 0.45, among the 10000 mg/L solution, 7 months when the specimen of the specimen surface erosion loose layer thickness of 445.7 microns, loose layer mainly produce material for gypsum 图 11 水灰比 0.5,在 10000mg/L 溶液当中,侵蚀 7 个月时的试件的试件,表层疏松层厚度在 500μm~600μm 之间,疏松层主要生成物质为石膏 Figure 11 water cement ratio of 0.5, among the 10000 mg/L solution, erosion seven months when the specimen of the specimen, the surface thickness of porous layer between 500 microns to 600 microns, and loose layer mainly produce material for gypsum 2.4 侵蚀破坏机理分析 根据混凝土中侵蚀产物和破坏型式的不同,把硫酸盐侵蚀分为钙矾石结晶型和石膏结晶 型两种类型。通过本文微观观测的结果表明,试件受到侵蚀破坏主要以石膏结晶型破坏为主, 其侵蚀原理如下: 已有研究表明,在一般情况下,侵蚀产物石膏和钙钒石主要产生在试件内部孔隙和水泥 石界面处。本试验通过微观电镜与能谱分析,在受侵蚀破坏的试件表面疏松层的砂石界面处 和孔隙当中发现大量的石膏,并未看到钙矾石,而在试件内部孔隙当中只看到少量的钙矾石 并未填满孔隙,在试件内部的水泥石界面处结合较为密实。因此试件受到侵蚀破坏主要在表 层以石膏结晶型破坏为主,因为试件表面直接与侵蚀溶液接触,试件表面的水泥石界面处与 孔隙容易给侵蚀物质提供生成场所,具有膨胀性的侵蚀产物石膏,容易在试件表面的水泥石 界面处和孔隙中富集,侵蚀产物达到一定量以后就会使砂石与水泥水化产物分离开,导致砂 石颗粒从试件表面脱落;另一方面,根据《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB749-2008)的 要求,在试验过程中不断地用稀硫酸中和侵蚀溶液,导致试件表层所处的碱性环境遭到破坏, 为了维持碱性环境,试件表层的正常水化产物水化硅酸钙会不断分解氧化钙提供给溶液,最 后生成硅胶,此过程会使水化硅酸钙与砂石颗粒之间的胶结能力降低,致使砂石颗粒容易掉 落。因此试件主要破坏类型为石膏型破坏。 本试验所用水泥熟料中铝酸三钙(C3A)的含量为 1.58%、硅酸二钙(C2S)的含量为 28.93%、硅酸三钙(C3S)的含量为 46.82%、铁铝酸四钙(C4AF)的含量为 16.02%。由于 C3A 和 C4AF 含量较低,水化生成的水化铝酸钙(3CaO·Al2O3·6H2O)含量有限,尽一步反 应生成的钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)含量就会少,虽然钙矾石具有膨胀性能,但 是通过电镜试验发现钙矾石主要在混凝土内部孔隙当中,而且钙矾石含量很少不足以填满孔 隙,孔隙会有一定的空间能使钙矾石自由膨胀而不足以破坏混凝土结构。铝酸三钙和铁铝酸 四钙反应方程式如下: 3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O CAH(水化铝酸钙) 4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O CAH(水化铝酸钙) 3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O Aft(钙矾石) 虽然高抗硫水泥限制 C3A 和 C3S 的含量。但是 C3S 含量依然很高占水泥熟料 40%以上, C2S 含量也占水泥熟料 25%以上。C2S 和 C3S 会反应生成大量的氢氧化钙,在试件表面生成 的氢氧化钙容易与侵蚀物质进一步反应生成具有膨胀性能的二水石膏(CaSO4·2H2O),由于 生成的二水石膏的含量较大,二水石膏会在水泥石界面处和孔隙当中富集一定量以后,混凝 土结构就会遭到破坏。硅酸二钙和硅酸三钙反应方程式如下: 2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2 CH(氢氧化钙) 2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2 CH(氢氧化钙) Ca(OH)2 + Na2SO4 +2H2O → CaSO4·2H2O + 2Na(OH) CSH2(二水石膏) 3 小结 综合以上分析可得出,要必须在不同侵蚀环境中监测其损失特征变化的基础 上,研究长期侵蚀过程,才能揭示高抗硫硅酸盐水泥混凝土抗侵蚀的机制。在此 基础上,申请人认为:水泥品种对混凝土的抗侵蚀能力影响不大,主要跟水胶比、 掺合料品种及掺量有关系,特别是水泥混凝土中胶凝材料的组分对混凝土抗侵蚀 影响较大。因此,申请人提出以下假设:水泥混凝土的抗侵蚀能力都可以用“水 灰比/水胶比”和混凝土中胶凝材料的“组分”来表征,这里的“组分”即是混 凝土中水泥与掺合料混合后胶凝材料中矿物成分的改变;混凝土“水灰比/水胶 比”即是提高混凝土密实度。 总之,本项目以高抗硫硅酸盐水泥为试材,以混凝土水胶比和胶凝材料组分 为研究对象,采用高性能混凝土配制技术,通过室内试验和现场环境定位检测试 验,重点研究改变水灰比/水胶比和胶凝材料组分后对混凝土在不同浓度侵蚀溶 液中抗侵蚀能力的影响,阐明混凝土水灰比/水胶比、胶凝材料组分与侵蚀浓度 及龄期的规律特征,为混凝土使用寿命预测提供科学的理论依据。 对处于硫酸盐侵蚀环境中的混凝土结构工程技术人员往往习惯采用抗硫酸 盐水泥配制的混凝土来抵抗硫酸盐的侵蚀 但是近期的研究表明抗硫酸盐水泥混 凝土其抵抗硫酸盐侵蚀的能力有一定的局限性并受多种因素的影响除受抗硫酸 盐水泥本身的抗侵蚀能力所限外水灰比是否掺入掺合料等因素也会对抗硫酸盐 水泥混凝土的抗侵蚀能力产生影响 为探究水灰比对抗硫酸盐水泥混凝土抗侵蚀 能力的影响规律现以高抗硫水泥配制的不同水灰比的胶砂试件为研究对象以下 简称高抗试件 通过将高抗试件在不同硫酸根离子浓度溶液中浸泡不同时间后测 试其抗蚀系数分析水灰比变化对高抗试件抗侵蚀能力的影响

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