賈洪全，宮經(jīng)偉，王小龍，杜 晨，呂美軒，門 佳，劉晴晴

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引 言

受內(nèi)陸干旱區(qū)氣候影響，新疆地區(qū)鹽堿地普遍存在，約占全疆總面積的26%，其土壤與環(huán)境水中含有大量的硫酸鹽；另外，含石膏類硫酸鹽夾層或沉積層的山區(qū)巖層裂隙水或滲漏水中也含有豐富的硫酸鹽；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全疆硫酸鹽濃度最高可達(dá)30 000 mg/L左右[1]。這將造成混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕破壞，從而導(dǎo)致其耐久性退化和服役壽命縮短[2]。因此，研究不同濃度硫酸鹽對(duì)水泥基材料侵蝕的影響及機(jī)理是當(dāng)前新疆地區(qū)混凝土工程領(lǐng)域迫切需要解決的重要問(wèn)題。

表1 42.5R普通硅酸鹽水泥化學(xué)組成 %

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥。采用新疆阜康天山水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，比表面積389 m2/kg，安定性合格，混合材為粉煤灰和石灰石，化學(xué)組成見(jiàn)表1。

(2)砂。采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》要求的標(biāo)準(zhǔn)砂。

(3)水。拌和用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，配制溶液用水為蒸餾水。

(4)硫酸鈉。采用天津北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品公司的無(wú)水硫酸鈉(分析純)。

1.2 試驗(yàn)

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2試驗(yàn)方法

截取部分侵蝕8 m的混凝土膠砂用于微觀測(cè)試，采用QuantaFEG250型掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶能譜儀(EDS)觀測(cè)侵蝕產(chǎn)物微觀形貌，采用梅特勒-托利多TGA/DSC1型熱重分析儀分析侵蝕產(chǎn)物生成量。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗折抗蝕系數(shù)變化規(guī)律

混凝土膠砂試件的抗折抗蝕系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律如圖1所示，由圖1可知，混凝土膠砂的抗折抗蝕系數(shù)分為上升與下降兩個(gè)階段。這是因?yàn)樵谇治g過(guò)程中，侵蝕產(chǎn)物鈣礬石和石膏先起填充作用，不斷填充水泥石的孔隙，使得結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)，抗折抗蝕系數(shù)逐漸增加；當(dāng)孔隙被侵蝕產(chǎn)物完全填充后，鈣礬石與石膏吸水腫脹或結(jié)晶膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成混凝土膠砂開裂、剝落破壞，抗蝕系數(shù)逐漸減小。B、C、D、E溶液中混凝土膠砂的抗折抗蝕系數(shù)開始下降的時(shí)間分別為4個(gè)月、2個(gè)月、2個(gè)月、1個(gè)月，抗折抗蝕系數(shù)平均變化速率分別為2.03%、3.11%、4.31%、7.66%。高濃度E溶液的侵蝕速率分別是中等濃度D、C溶液的1.78倍和2.46倍，是低濃度B溶液的3.77倍。由此說(shuō)明，硫酸鹽濃度越高，侵蝕速率越快，破壞時(shí)間越早。這與前人的研究結(jié)果相吻合[13]。

圖1 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕下混凝土膠砂的抗折抗蝕系數(shù)

圖2 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個(gè)月混凝土膠砂的微觀形貌

圖3 不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個(gè)月混凝土膠砂的TG-DTA曲線

2.2 SEM觀察結(jié)果分析

混凝土膠砂試件在不同濃度硫酸鹽溶液中侵蝕8m后的微觀形貌如圖2所示。由圖2可知，低濃度B溶液侵蝕后，水泥石孔隙中生成了大量交錯(cuò)排列的針狀晶體，孔隙邊緣明顯脹裂，根據(jù)其形貌和元素成分可判定針狀晶體是侵蝕產(chǎn)物Aft(見(jiàn)圖2a、b)。中等濃度D溶液侵蝕后，孔洞中填充著大量針棒狀A(yù)ft晶體(見(jiàn)圖2c)；同時(shí)在水泥石與砂集料的界面過(guò)渡區(qū)有大量柱狀晶體存在，結(jié)合能譜圖的元素成分可斷定是CaSO4·2H2O晶體(見(jiàn)圖2d～e)。高濃度E溶液侵蝕后，水泥石孔隙中充滿了大量柱狀或塊狀的石膏晶體(見(jiàn)圖2f)。侵蝕產(chǎn)物Aft與CaSO4·2H2O在孔隙或界面過(guò)渡區(qū)結(jié)晶或吸水腫脹使其體積分別增加2.5倍和1.5倍以上，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂和剝落。

根據(jù)微觀觀察結(jié)果可知，硫酸鹽濃度嚴(yán)重影響侵蝕產(chǎn)物的種類。B溶液中侵蝕產(chǎn)物以Aft為主；D溶液中，Aft和CaSO4·2H2O并存；E溶液中，侵蝕產(chǎn)物以CaSO4·2H2O為主。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)侵蝕產(chǎn)物大都在水泥石開口孔隙與界面過(guò)渡區(qū)中生成，由此可見(jiàn)，水泥基材料的開口孔隙和界面過(guò)渡區(qū)既是侵蝕的首發(fā)地，也是侵蝕的重災(zāi)區(qū)[14]。侵蝕破壞是水泥基材料開口孔隙(毛細(xì)孔)內(nèi)和界面過(guò)渡區(qū)中侵蝕產(chǎn)物Aft與CaSO4·2H2O由量變到質(zhì)變的結(jié)果。

2.3 TG-DTA結(jié)果分析

研究表明：鈣礬石失水溫度在60～110 ℃之間[15-16]；二水石膏脫水溫度在110～170 ℃之間[17]。不同濃度硫酸鹽溶液侵蝕8個(gè)月混凝土膠砂的TG-DTA曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知，混凝土膠砂在B溶液中侵蝕后，只出現(xiàn)較強(qiáng)的鈣礬石脫水峰；在D溶液中侵蝕后，鈣礬石與石膏的脫水峰同時(shí)出現(xiàn)；在E溶液中侵蝕后，石膏脫水峰明顯大于鈣礬石脫水峰。由此說(shuō)明，低濃度B溶液中侵蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石；高濃度E溶液中主要侵蝕產(chǎn)物為石膏；中等濃度D溶液中侵蝕產(chǎn)物鈣礬石與石膏并存。這與電鏡觀察的結(jié)果相吻合。

表2 不同濃度硫酸鹽侵蝕下侵蝕產(chǎn)物半定量計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)混凝土膠砂在不同濃度硫酸鹽溶液中侵蝕時(shí)，高濃度E溶液的侵蝕速率分別是中等濃度D、C溶液的1.78倍、2.46倍，是低濃度B溶液的3.77倍。

(2)水泥基材料的開口孔隙和界面過(guò)渡區(qū)是侵蝕的首發(fā)地和重災(zāi)區(qū)，侵蝕破壞是開口孔隙內(nèi)和界面過(guò)渡區(qū)中侵蝕產(chǎn)物Aft和CaSO4·2H2O由量變到質(zhì)變的結(jié)果。