不同pH值硫酸钠腐蚀环境下水泥胶砂力学性能研究

不同pH值硫酸钠腐蚀环境下水泥胶砂力学性能研究
杨雄
【摘要】硫酸盐侵蚀作为水泥基材料耐久性损伤的一个重要方面,受到人们的普遍关注.本研究采用干湿循环加速腐蚀试验,研究不同pH值硫酸钠腐蚀环境下水泥胶
砂的力学性能,探讨不同pH值、粉煤灰掺量等因素对水泥胶砂力学性能的影响,并
借助SEM进行微观机理分析.研究结果表明:水泥胶砂的抗折强度和抗压强度随浸
泡时间的延长均有所增加,掺粉煤灰在碱性环境中能有效改善水泥石内部结构,且随
着掺量的增加,强度增长越大.
【期刊名称】《甘肃科技纵横》
【年(卷),期】2015(044)010
【总页数】2页(P41-42)
【关键词】水泥胶砂;硫酸盐侵蚀;pH值;力学性能
【作者】杨雄
【作者单位】陕西省交通规划设计研究院,陕西西安710075
【正文语种】中文
基于水泥基材料耐久性的重要性及硫酸盐侵蚀的复杂性，近年来，国内外对于水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能的研究越来越成熟。

但大多聚焦在水泥混凝土结构的耐久性上，忽略了水泥石的耐久性。

水泥胶砂强度是水泥的重要技术指标，研究水泥胶砂力学性能对于水泥石的耐久性具有重要意义。

在过去很多年以来，大多没有对侵蚀溶液的pH值给予足够的重视，导致对pH值这一侵蚀因素的研究成果为数不多。

但是，酸或碱环境是普遍存在的，越来越成为不可忽略的重要侵蚀介质，加之我国大气污染加剧，酸雨现象越来越普遍，出现的频率不断增加，涉及范围也不断扩大。

所以有必要在硫酸盐侵蚀的研究中加入pH值这一重要影响因素[1-3]。

针对上述问题，笔者立足于水泥基材料硫酸盐侵蚀退化机理，采用干湿循环快速试验方法，开展了硫酸钠侵蚀后水泥胶砂力学性能的试验研究，从材料学科的角度出发，探讨在不同pH值下水泥胶砂力学性能及水泥基材料抗腐蚀性能，从而进一步研究分析水泥石的耐久性。

水泥采用天水中材水泥有限责任公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，砂子采用天
然河沙，中砂，颗粒级配良好；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰；硫酸钠为工业纯无水硫酸钠；氢氧化钠采用天津市风船化学试剂科技有限公司生产的含量为96.0%的分析
纯片状化学药品；拌合水为实验室自来水。

本实验设计了5%质量分数的侵蚀溶液，来研究不同pH值、不同粉煤灰掺量的硫酸钠侵蚀环境下水泥胶砂力学性能的变化规律。

2.1干湿循环
干湿循环方法是长期浸泡方法的一种改良，比起长期浸泡的方法，干湿循环试验法更接近实际情况。

本试验将经设计要浸泡的标准试件浸泡于配制好的溶液中，在室温下浸泡16 h，取出擦干表面水分，晾干1 h，然后放入60℃烘箱中烘干6 h，
冷却1 h后继续放入溶液中浸泡。

一个循环为24 h，循环10次后称重并进行抗
折及抗压强度试验。

2.2掺粉煤灰的水泥胶砂受硫酸盐侵蚀研究
粉煤灰作为矿物掺合料，具有火山灰活性作用，能改善水泥浆体的和易性和耐久性，对水泥石的强度有一定影响。

本实验中选取了15%、20%、25%三种粉煤灰掺量。

2.3力学性能试验
2.3.1抗折强度变化率
式中：Kf为抗折强度变化率（正值表示抗折强度增加，负值表示抗折强度减少），%；Rf1为未进行浸泡试验的试件的基准抗折强度（28天龄期），MPa；
Rf2为经侵蚀溶液浸泡后试件的抗折强度，MPa。

2.3.2抗压强度变化率
式中：Kc为抗压强度变化率（正值表示抗压强度增加，负值表示抗压强度减少），%；Rc1为未进行浸泡试验的试件的基准抗压强度（28天龄期），kN；
Rc2为经侵蚀溶液浸泡后试件的抗折强度，kN。

2.3.3质量变化率
式中：k为质量变化率（正值表示质量增加，负值表示质量减少），%；M1为未
进行浸泡试验的试件的基准质量（28天龄期），g；M2为经侵蚀溶液浸泡后试件的质量，g。

3.1不同PH值下水泥胶砂试件力学性能变化
经过十次干湿循环后试件质量均没有损失；抗折强度增长率随着pH值的升高而减小；抗压强度在pH= 7时增长最大。

当pH=2时，发生H+和SO42-的共同腐蚀，H+将溶解硬化水泥石中的Ca（OH）2，SO42-将与硬化水泥石作用生成膨胀性
的物质CaSO4·2H2O[4-6]。

3.2不同粉煤灰掺量下水泥胶砂试件力学性能的变化
当pH=2时，试件质量几乎没有损失，抗折及抗压强度增长率均随着粉煤灰掺量
的增加而增大；当pH=7时，试件质量随着粉煤灰掺量的增加而减小，抗折强度
增长率随着粉煤灰掺量的增加而增大，抗压强度增长较多，在掺粉煤灰20%时最高；当pH=12时，试件质量变化不明显，抗折及抗压强度增长率均随着粉煤灰掺量的增加而增加，试件的抗折及抗压强度均有所增长。

说明硫酸盐的存在不会导致水泥胶砂试件的抗压强度或抗折强度损失，起到粉煤灰与Ca（OH）2反应的激发剂作用效果，使其抗压强度或抗折强度增大。

当掺粉煤灰为15%时，水泥石内部结构较为密实，当pH=2时，能明显看到裂缝的存在，而pH=12时，产生大量絮凝状的C-S-H凝胶，几乎看不到裂缝和孔隙
的存在。

由以上分析可知，酸性环境下，侵蚀介质更容易随着环境水进入水泥石内部，形成膨胀性产物造成开裂现象。

在相同的pH值下，粉煤灰掺量为15%时，虽然内部结构较为密实，但有明显的
裂缝存在；粉煤灰掺量为20%时，大量的水化产物与硫酸钠溶液反应，形成密实
结构，有效地填充了内部孔隙；当粉煤灰掺量到25%时，在较高的硫酸钠浓度下，大量粉煤灰掺入造成水化及结晶产物较多，使内部结构重新变化，絮凝状凝胶有所减少，能看到结构改变后形成明显的孔隙[7，8]。

由以上分析可知，粉煤灰的掺入能一定程度地改善水泥石内部结构，随着掺量的不同，形成凝胶的结构也不同。

（1）水泥胶砂的抗折强度和抗压强度随浸泡时间的延长均有所增加，水泥胶砂试件的强度并未出现下降的趋势，这是由于试验早期生成了钙矾石和石膏等膨胀性产物。

（2）经过浸泡和干湿循环侵蚀条件，从整体外观来看，试件均受到明显侵蚀，出现不同程度的侵蚀坑槽、裂纹、掉角和起鼓现象，随着侵蚀时间的延长，试件表面发白，生成一层白色糊状物质；当pH值增大时，试件表面呈黄褐色。

（3）在pH值较低的硫酸盐侵蚀下，H+导致生成膨胀产物石膏，强度增长很大，相对在碱性条件下强度增加较小。

（4）掺入粉煤灰后，在粉煤灰活性效应的作用下，试件的强度增长很快，尤其是试件处于碱性环境中，且随着掺量的增加，强度增长越大。

【相关文献】
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［3］黄战，邢锋，邢媛媛．硫酸盐侵蚀对混凝土结构耐久性的损伤研究［J］．混凝土，2008（8）：45-49．
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［7］方祥位，申春妮，杨德斌，等．混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究［J］．建筑材料学报，2007，10（1）：89-96．
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