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        脫硫石膏現(xiàn)澆墻體材料對鋼筋銹蝕性研究

        2014-09-17 00:55:30鄧國志田穩(wěn)苓
        關(guān)鍵詞:熟石灰水泥砂漿抗折

        慕 儒,鄧國志,田穩(wěn)苓

        (河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,天津 300401)

        0 概述

        隨著環(huán)保意識的增強(qiáng),脫硫石膏作為一種新興材料被越來越廣泛的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域.我國是脫硫石膏的生產(chǎn)大國,每年約產(chǎn)出脫硫石膏8 750萬t(1億零300萬m3).這些脫硫石膏的囤積不僅占用土地資源,其不合理處理還會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞.鑒于此,我國在“十一五”規(guī)劃中將脫硫石膏的利用正式提上日程,由此開啟了我國脫硫石膏綜合利用的新篇章.

        脫硫石膏作為墻體材料也成為近年來脫硫石膏應(yīng)用方向的一個(gè)重點(diǎn)課題,如果能夠?qū)崿F(xiàn),將為我國脫硫石膏的消耗提供一條新途徑.濟(jì)南大學(xué)黃偉,王曉波等人將脫硫石膏在165℃下炒制得到的脫硫石膏粉作為主要材料,通過摻加一定量的水泥、粉煤灰等所得的復(fù)合材料墻體,不但強(qiáng)度得到保證,而且在防水性能,防止裂縫產(chǎn)生方面都有很好的效果[1].

        脫硫石膏含水量高(10%~15%),水化后內(nèi)部孔隙率大,且偏酸性[2-4],如用作現(xiàn)澆填充墻體材料,無可避免地直接或間接與鋼筋接觸,其酸性有可能導(dǎo)致鋼筋銹蝕.本文測試了脫硫石膏對鋼筋的銹蝕性,并通過一系列方法對脫硫石膏材料改性,防止對鋼筋的銹蝕.

        1 脫硫石膏對鋼筋的銹蝕

        鋼筋混凝土是當(dāng)前用量最大的建筑材料之一,水泥水化后的主要成分為水化硅酸鈣,呈堿性,對鋼筋不存在銹蝕作用,相反,鋼筋在堿性環(huán)境中表面形成鈍化膜,鈍化膜可有效防止銹蝕作用的發(fā)生[5].而脫硫石膏內(nèi)部環(huán)境偏酸性,其中的鋼筋表面無法形成鈍化膜,可能發(fā)生銹蝕.

        脫硫石膏對鋼筋的銹蝕作用,尚未見相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo).本文通過失重法對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

        1.1 鋼筋銹蝕試驗(yàn)方法

        鋼筋銹蝕檢測的方法分為電化學(xué)檢測與物理檢測兩類.電化學(xué)檢測方法有自然電位法、流阻抗普法、電流階躍法和線性極化法;物理方法有失重法、電阻棒法、射線法、沖擊回波法、超聲波檢測法等[6].失重法是最常用的鋼筋銹蝕測定方法之一,也是本試驗(yàn)采用的方法,這種方法具有操作方便、信息量大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn).

        試驗(yàn)材料:脫硫建筑石膏、熟石灰、直徑6mm的光圓鋼筋、鹽酸、飲用水.

        試驗(yàn)設(shè)備:pH值測定儀、天平、攪拌器.

        1.2 試驗(yàn)結(jié)果

        鋼筋在純石膏構(gòu)件與水泥砂漿試件中鋼筋的銹蝕量如表1所示.從表1可以看出,石膏中鋼筋的銹蝕程度隨齡期的增長有一個(gè)明顯的增長,且銹蝕程度大于水泥砂漿,銹蝕180d時(shí)石膏中鋼筋的銹蝕量是水泥砂漿的4倍多.

        表1 鋼筋在脫硫石膏與水泥砂漿銹蝕量Tab.1 Thecorrosion quantity of bar in desulfurization gypsum and cement mortar materials

        2 脫硫石膏的鋼筋銹蝕改性

        鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)危害巨大,逐漸降低結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的承載能力,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效破壞,而且結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)可能為脆性突然破壞,導(dǎo)致傷亡事故[7].若使用脫硫石膏作為墻體材料,必須采取有效措施改變其對鋼筋的銹蝕性能.

        2.1 脫硫石膏改性措施

        脫硫石膏對鋼筋的銹蝕主要是因?yàn)槠涑煞轂閺?qiáng)酸弱堿鹽,pH值較低,使鋼筋易發(fā)生銹蝕.研究表明,當(dāng)pH值達(dá)到12.5~13.2時(shí),鋼筋不易銹蝕,而低于11.5時(shí),銹蝕則會發(fā)生[6].實(shí)驗(yàn)測試表明,脫硫石膏溶液的pH值低于10.為此,擬通過添加一定比例的熟石灰(Ca(OH)2)調(diào)節(jié)脫硫石膏內(nèi)部酸堿環(huán)境.

        2.2 熟石灰用量的確定

        在脫硫石膏中添加熟石灰可以顯著提高pH值,熟石灰用量以控制pH值達(dá)到12.5、對鋼筋無銹蝕性為準(zhǔn).試驗(yàn)中,按照按照水∶灰(石膏+熟石灰)=10∶1的比例,將脫硫石膏和熟石灰配制成漿液,攪拌15min,使脫硫石膏和熟石灰溶解,之后用濾紙過濾后得到試驗(yàn)用的漿液,漿液靜置2 d后進(jìn)行pH值測定,pH值采用pH值測定儀進(jìn)行.調(diào)整石灰的摻入量,得到不同石灰添加量下的漿液pH值,共計(jì)20組,結(jié)果如圖1所示,并進(jìn)行pH值-熟石灰摻量關(guān)系二次曲線擬合(式 (1)、圖1).之后根據(jù)擬合曲線確定石灰添加量.

        式中:Y為pH值;X為灰膏比.

        從圖1可以看出,漿液的pH值隨著石灰添加量的增大而增大,灰膏比2%~7%時(shí)pH值增速快,當(dāng)灰膏比大于7%時(shí),增速有所減緩;當(dāng)灰膏比達(dá)到11.5%時(shí),漿液的pH值已經(jīng)基本停止增長,原因可能是此時(shí)熟石灰達(dá)到飽和.

        圖1 石膏-石灰溶液pH值測定Fig.1 pH valuedetermination of gypsum-limesolution

        2.3 銹蝕實(shí)驗(yàn)

        根據(jù)確定的灰膏比( /)進(jìn)行銹蝕實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)中,選用直徑6 mm的光圓鋼筋,用砂紙打磨除掉鋼筋表面的雜質(zhì),再放在濃度12%的鹽酸溶液中進(jìn)行酸洗,而后浸泡在石灰水中中和,之后在烘箱中烘烤4h后取出,預(yù)埋在100 mm×100 mm×400 mm的立方體試塊中,預(yù)埋前記錄鋼筋質(zhì)量,預(yù)埋位置如圖2所示.

        試塊經(jīng)指定天數(shù)(30 d,60 d,90 d,180 d)的自然養(yǎng)護(hù)后破型,取出鋼筋進(jìn)行打磨、酸洗、中和、烘烤處理后稱取質(zhì)量,前后質(zhì)量的差值即為鋼筋銹蝕量.每個(gè)試件中3根鋼筋銹蝕量的平均值為該構(gòu)建對鋼筋的銹蝕量(舍去誤差超過平均值10%的數(shù)據(jù)).試件灰膏比為4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%,以純脫硫石膏( /=0)試件與水泥砂漿(POM)試件作為對比試件,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

        從圖3可以看出:1)鋼筋的銹蝕量隨灰膏比的增大而減小;2)鋼筋銹量蝕隨時(shí)間推移而增大;3)灰膏比達(dá)到9.7%與11.5%的試件和水泥砂漿試件中鋼筋的銹蝕量接近.另外,灰膏比為11.5%試件對鋼筋的銹蝕程度甚至還小于水泥砂漿試件.從pH值的角度分析,添加石灰至pH值達(dá)到12.5~13的范圍時(shí)可有效防止鋼筋銹蝕的發(fā)生,這也印證了之前的結(jié)論.

        圖2 試件鋼筋位置示意圖Fig.2 Sketch map of bar

        3 石灰對石膏其它性能的影響

        3.1 力學(xué)試驗(yàn)

        分別對石灰/石膏( /)為4.6%、5.7%、7.0%、9.7%、11.5%配比的試件進(jìn)行力學(xué)性能測試,并與純石膏的力學(xué)性能進(jìn)行對比.試驗(yàn)方法參照《建筑石膏力學(xué)性能的測定》GB/T 17669.3-1999,試件水固比為55%,溫度20±2℃,自然養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

        石膏抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化,當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí)無論是抗壓強(qiáng)度還是抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值,較純石膏分別提高了20%~30%;而隨著石灰添加量的增大,抗壓抗折強(qiáng)度大幅下降,當(dāng)達(dá)到9.7%時(shí),強(qiáng)度基本與純石膏強(qiáng)度相當(dāng);達(dá)到11.5%時(shí),強(qiáng)度普遍低于純石膏試件.

        隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,石膏的強(qiáng)度隨之增大,一般情況下28 d強(qiáng)度較7 d強(qiáng)度提高30%~60%.當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí),與7 d時(shí)的強(qiáng)度相比,28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度提高38.5%,抗折強(qiáng)度提高50.7%.

        抗折試驗(yàn)中還觀察到,當(dāng)設(shè)定加載速度為5 N/s時(shí),試塊破壞后斷面平滑,當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)突然斷裂,屬于脆性破壞,如圖5.抗壓試驗(yàn)中,當(dāng)加載速度為7N/s時(shí),試塊受壓區(qū)邊緣表面的石膏先行脫落,裂縫向內(nèi)側(cè)發(fā)展,后來逐漸發(fā)展直至形成通縫,試塊完全破壞,裂縫發(fā)展情況如圖6.

        脫硫石膏抗折試驗(yàn)時(shí)所表現(xiàn)出的脆性破壞,是因?yàn)槊摿蚴嘧陨泶嘈耘c強(qiáng)度低造成的;抗壓試驗(yàn)時(shí),試件受上下方壓力作用,側(cè)面自由,受壓處材料向下移動,受壓面處材料產(chǎn)生側(cè)向膨脹,材料內(nèi)部的不均勻位移導(dǎo)致微裂縫的產(chǎn)生,而裂縫的發(fā)展方向是偏向受壓區(qū)內(nèi)側(cè)的,隨壓力增大,裂縫繼續(xù)發(fā)展直到試件破壞.

        3.2 原理分析

        脫硫石膏水化后的晶格呈短柱狀或針狀,這類晶格不利于抵抗外力,且晶格間存在大量孔隙,進(jìn)而導(dǎo)致脫硫石膏力學(xué)性能不理想.在石膏中加入適量的熟石灰,熟石灰容易與空氣中二氧化碳反應(yīng)生成難容物碳酸鈣,碳酸鈣析出后填補(bǔ)了脫硫石膏中的孔隙,包絡(luò)住脫硫石膏柱狀晶格,使晶格直徑增大,從而導(dǎo)致脫硫石膏強(qiáng)度增大;而當(dāng)過多石灰晶體析出時(shí),石膏內(nèi)部的鏈接形式由石膏晶格連接為主轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}晶體連接為主,而析出物碳酸鈣粘結(jié)能力較弱,這便導(dǎo)致了脫硫石膏試件強(qiáng)度的下降.

        表2 脫硫石膏試件抗壓、抗折強(qiáng)度Tab.2 Compressive and flexural strength of desulfurization gypsum specimen

        圖3 石灰-石膏試件中鋼筋銹蝕量Fig.3 Lime-gypsum specimen of reinforcement corrosion

        圖4 脫硫石膏試件抗壓、抗折強(qiáng)度Fig.4 Compressiveand flexural strength of desulfurization gypsum specimen

        4 銹蝕機(jī)理的探討

        與混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理相似,脫硫石膏中鋼筋的銹蝕也屬于電化學(xué)腐蝕,徐慧珠等指出當(dāng)pH值在4~11.5范圍內(nèi)發(fā)生吸氧腐蝕,大于11.5發(fā)生析氫腐蝕,鋼筋發(fā)生銹蝕應(yīng)當(dāng)具備3個(gè)條件:1)鋼筋表面存在電位差;2)鋼筋表面鈍化膜破壞;3)鋼筋表面存在銹蝕所需的水和溶解氧[5].

        脫硫石膏的pH值約為6.8,鋼筋在石膏中不會生成鈍化膜;脫硫石膏粒徑分布集中在40~110 m之間,顆粒呈短柱狀[8],水化后內(nèi)部存在較多孔隙,利于水分和空氣存留,也為鋼筋的銹蝕提供了條件.

        石灰主要成分為Ca(OH)2,呈強(qiáng)堿性,加入石膏中主要是改變了石膏內(nèi)部的酸堿環(huán)境,為鋼筋提供了較好的堿性環(huán)境,使之生成鈍化膜,進(jìn)而防止了銹蝕的發(fā)生.另一方面,石灰粉粒徑較細(xì),一般在10 m以內(nèi)[9],在石膏水化過程中石灰充分填充石膏中的孔隙,使之更加密實(shí),有效減少了導(dǎo)致鋼筋銹蝕的水分和氧氣.因此,添加一定量的石灰有助于防止脫硫石膏內(nèi)鋼筋的銹蝕.

        5 結(jié)論

        1)脫硫石膏作為現(xiàn)澆墻體對鋼筋存在銹蝕作用,銹蝕程度為重度銹蝕.

        2)在脫硫石膏中添加熟石灰,可有效減小鋼筋銹蝕程度,灰膏比達(dá)到9.7%與11.5%時(shí),對鋼筋銹蝕程度與水泥砂漿銹蝕程度相當(dāng),可認(rèn)為不銹蝕.

        3)適量的熟石灰可增加脫硫建筑石膏強(qiáng)度,當(dāng)灰膏比為5.7%時(shí),石膏-石灰混合材料強(qiáng)度達(dá)到最大值,比純脫硫石膏強(qiáng)度提高20%~30%.

        4)脫硫石膏做現(xiàn)澆墻體仍存在一些問題,如:強(qiáng)度低,防水性差,這些問題還需進(jìn)一步深入研究.

        圖5 抗折試驗(yàn)破壞示意圖Fig.5 Bending test schematic diagram

        圖6 抗壓試驗(yàn)破壞示意圖Fig.6 Compression test schematic diagram

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