硅灰对水泥净浆抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用.doc

硅灰对水泥净浆抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用第28卷第3期2006年6月西南石油学院JournalofSouthwestPetroleumInstituteV01.28JunNo.320o6文章编号:10002634(2006)03010303硅灰对水泥净浆抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用肖佳,邓德华,元强,潘武略,陈烽(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:将水泥净浆试件在5%Na2SO溶液中长期浸泡,用试件强度随浸泡时间的变化和试件中物相的XRD分析,研究了硅灰对水泥净浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响.在Na:SO溶液侵蚀下,普通硅酸盐水泥净浆试件强度随浸泡时间先增长,然后急剧降低;外观和XRD相分析表明,其原因是由于形成了膨胀性钙矾石,造成试件开裂破坏;加入硅灰的水泥净浆试件强度损失明显减小,尤其是抗折强度没有降低,其抵抗强度下降系数还略有增加;原因是由于硅灰的稀释作用和火山灰效应减少了水泥净浆中Ca(OH)2的量,从而降低了水泥净浆试件在硫酸盐溶液侵蚀下形成的膨胀性钙矾石的量.因而,硅灰对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能有改善作用.关键词:水泥净浆;硫酸盐侵蚀;硅灰;钙矾石中图分类号:TE256.9;TE258文献标识码:A引言从对工程混凝土结构侵蚀作用来看,在自然界所有化合物中,硫酸盐是最主要的化合物.混凝土遭受硫酸盐侵蚀后,将导致其性能和外观的严重劣化,危及构筑物的使用寿命和安全.因此,混凝土的硫酸盐侵蚀几乎是全球所有国家都面临的严重问题之一2.正如M.Santhanam等人指出,硫酸盐侵蚀的研究已到了关键时期.尽管过去取得一些有意义的进展,但该问题仍未很好解决,仍需进一步研究.现场观测到混凝土受到硫酸盐介质侵蚀后,混凝土外观和性能的劣化现象主要有3种形式:酸性类型,膨胀开裂类型和剥蚀破坏类型.造成这些劣化现象的原因,一般认为是由于硫酸盐溶液与混凝土中水泥水化产物之间化学反应形成的有害化合物.其中主要化合物是钙矾石和石膏,它们导致混凝土膨胀开裂,结构破坏.在5%Na2SO溶液浸泡下,普通硅酸盐水泥净浆试件因形成膨胀性产物而开裂破坏,究竟是石膏膨胀还是钙矾石膨胀造成的破坏是值得我们去研究的.在研究混凝土遭受硫酸盐侵蚀劣化机理的基础上进一步探讨改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能是一项很有意义的工作.因此,本文旨在水泥净浆中加入硅灰,研究硅灰对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用.1试验材料与试验方法1.1试验材料水泥:湖南韶峰集团产42.5级普通硅酸盐水泥;硅灰:埃肯微硅粉,920U等级;硫酸钠:市售,工业Na2SO4;硫酸(HSO):市售,化学分析纯;水:普通自来水.1.2试件制备用硅灰等量取代水泥,试验配合比见表1.制作尺寸为14mm70mm的水泥净浆圆柱体试件,24根试模捆成一捆.制作试件时,首先将硅灰倒入搅拌锅,加一半水慢搅1min,再加水泥和余下的水,慢搅2min.净浆装入试模后用玻璃棒插捣,密实后再机振3o次.试件在标准养护条件下成型14d后拆模.1.3硫酸盐侵蚀试验试件标养14d后,分别在5%NaESO溶液和清表1水泥净浆配合比试件水泥/g硅灰/gv,/g水胶比SFI250o-12500.5OSF2237512512500.5OSF3225025012500.50收稿日期:20051202基金项目:国家自然科学基金项目(编号:50378092).作者简介:肖佳(1964一),女(汉族),湖南衡阳人,副教授,博士,从事建筑材料研究.104西南石油学院2006正水中长期浸泡,温度,湿度以室内为准.每周调整一次NaSO浸泡溶液,使溶液pH值降至8.5左右,稀硫酸与硫酸钠溶液的SO一浓度保持一致.1.4抗压和抗折强度测试测试试件标养14d,在溶液和清水中分别浸泡4周,12周,16周和加周的抗压和抗折强度.取5根试件为1组,测其抗折强度.把水泥电动抗折试验机改装,原两支撑圆柱间距离L=100mltl调整为66mltl.=8PL/3.14d其中,辟一抗折强度,MPa;P一抗折破坏荷载,N;L一试件两端之间支撑距离,66mm;d一试件直径,14mltl.取折断后的7个半根为1组,首先对其一面打磨,后切割另一面成为直径为14mm,高为24mm的圆柱体并测试其抗压强度.1.5微观分析毛40岳苦30兰2o量10取烘干试样磨细并过80IJ,n的筛,进行XRD分析.1.6抗蚀评价指标抵抗强度下降系数K用同龄期的水泥净浆分别在5%Na2SO4溶液和清水中浸泡后的抗折强度之比为K:N,1,式中,抵抗强度下降系数;.一试件在5%NaSO溶液中浸泡后抗折强度,MPa;一试件在清水中养护同龄期抗折强度,MPa.2试验结果及讨论为了研究水泥净浆的硫酸盐侵蚀生成产物对其性能的影响,试验测试了硅灰掺量(质量比)为0,5%,10%,水胶比为W/B=0.5时水泥净浆试件的抗压和抗折强度,试验结果见图1;并得出了不同硅灰掺量水泥净浆试件抵抗强度下降系数(图2).图1溶液浸泡下不同硅灰掺量水泥净浆试件强度随时问的变化图2试件抵抗强度下降系数随时间的变化从图1和图2可知,在5%NaSO溶液中浸泡,水泥净浆试件抗压强度在浸泡4周以前没有下降,反而在增加,掺有硅灰试件比未掺硅灰试件其抗压强度增长得快一些.随后试件抗压强度开始随时间不断下降,未掺硅灰的SF1试件抗压强度较掺5%,10%硅灰的SF2,SF3试件抗压强度下降得快;掺硅灰试件抗折强度直到浸泡16周时才开始下降,且下降幅度不大,而未掺硅灰的SF1试件抗折强度在浸泡12周时就开始下降,且下降迅速.浸泡16周到20周之间,SF1,SF2,SF3试件抗折强度分别下降了58.8%,3.4%,5.04%.特别是在浸泡12周后,SF1试件抵抗强度下降系数大幅下降,浸泡20周时,其值仅为0.35,而SF2,SF3试件的抵抗强度下降系数下降缓慢,浸泡20周时其值均高于1.由此可见,硫酸盐侵蚀下普通硅酸盐水泥净浆试件强度下降明显,而在水泥净浆中掺人硅灰能有效的阻止其强度的下降,减缓其劣化的速度:观察外观,普通硅酸盐水泥净浆试件SF1表面及两端均出现了裂纹,两端裂纹较中间多.而掺有硅灰的SF2,SF3试件表面完好,未见可见裂纹.观察折断后的断面,SF1试件断面可见被侵蚀痕迹,而SF2,SF3试件断面却无明显的侵蚀痕迹,外观保持较好.外观变化也反映出试件受侵蚀后劣化的程度.在硫酸盐侵蚀下生成产物钙矾石和石膏均会导致试件膨胀开裂,强度下降而破坏.在5%NaSO溶液浸泡下,为了弄清普通硅酸盐水泥净浆试件破黻I二第3期肖佳等:硅灰对水泥净浆抗硫酸盐侵蚀性能的改善作用105坏的有害化合物是钙矾石还是石膏,对SF1和SF3试件进行了XRD分析,分析结果如图3所示.lO2O3O405020/.(a)清水1O2O3O405020/.(b)596Na!SO溶液图3水泥净浆试件浸泡18周后XRD图由图3可见,在清水中浸泡,掺硅灰试件生成的钙矾石与未掺硅灰的试件相差不大,但Ca(OH)的生成量却大大低于未掺硅灰的试件.这是因为掺人硅灰后减少了水泥用量,也相应降低了水泥水化形成的Ca(OH)的量;在硅酸盐水泥水化过程中,硅灰中的SiO与Ca(OH)反应生成CSH凝胶,即所谓火山灰效应,该反应增加了水泥石中C.SH凝胶的体积,减少了Ca(OH)的量.经5%NaSO溶液浸泡后,掺硅灰的SF3试件生成的钙矾石低于未掺硅灰的SF1试件.这是因为在硫酸盐侵蚀下,普通硅酸盐水泥净浆试件有较多的ca(OH)与sO;一反应生产石膏,石膏与CA继续反应生成钙矾石,而钙矾石量的大幅增加,造成普通硅酸盐水泥净浆试件膨胀,开裂,强度下降,最终导致破坏.硅灰独特的特性是其细度大,高度的无定形性质以及高的SiO含量.小的球状硅灰填充于水泥颗粒之间,使胶凝材料具有良好的级配,加水拌和后填充于水泥浆体的孔隙间,从微观尺度上增加了水泥石的密实度.有研究表明J,在水泥石中含硅灰的大孔体积降低,小孔增多,连通孔减少,随着硅灰的掺量增加,Ca(OH)含量降低.许多研究6也表明:在有硅灰存在的情况下,水泥水化早期的水化产物中有大量ca(OH),随着龄期的延长,Ca(OH)的量越来越少,甚至完全测不到.说明硅灰的火山灰效应能将ca(OH)转化成Cs_H凝胶,并填充在水泥水化产物之间,降低了孔隙率,改善了孔结构.大多数造成混凝土劣化的物理的或化学的侵蚀都是有害介质通过水的浸入而发生的,由于掺人硅灰后增加了水泥净浆试件的密实度,提高了水泥石抵抗有害介质的侵蚀作用,减少了SO一的侵入量,同时还因为硅灰的稀释作用和火山灰反应,减少了水泥净浆中的Ca(OH)含量,从而降低了水泥净浆在硫酸盐侵蚀下形成钙矾石的量,这与XRD分析结果一致.因此,硅灰能有效提高水泥净浆抗硫酸盐侵蚀的性能.3结论(1)在5%NaSO溶液长期浸泡条件下,普通硅酸盐水泥净浆试件会因钙矾石膨胀造成开裂而破坏.硅灰的稀释作用和火山灰效应减少了水泥净浆中Ca(OH)的量.(2)由于硅灰对水泥石孔隙率和孔隙结构的改善作用,增加了水泥石的密实度,降低了渗透性.因此,硅灰的掺人抑制了水泥净浆试件在硫酸盐溶液侵蚀下膨胀性钙矾石的形成,并对水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀性能有改善作用.参考文献:1施惠生,UrbonasL,LudwingU.影响水泥.粉煤灰抗硫酸盐性能的若干因素J.建筑材料,1998,(2):123128.2施惠生,LudwigU.水泥.粉煤灰砂浆渗透性及抗硫酸盐性能研究J.水泥,1999(7):69.3SanthanarnM,CohenDM,OlekJ.Sulfateattackresearchwithernow?J.CemConcrRes,2001,31:845.4OmarS.Baghabra,A1-Amoudi.Att