徐赫峰

(撫順海峰水利工程有限公司,遼寧 撫順 113300)

目前,鋼筋混凝土在隧道、橋梁、建筑、水利等工程領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛,其耐久性在很大程度上決定著水利工程的服役壽命[1]。其中,氯鹽和硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)失效破壞的重要因素之一,并且硫酸鹽屬于一種復(fù)雜的環(huán)境水侵蝕,極易導(dǎo)致水工混凝土鋼筋銹蝕、強(qiáng)度損失和膨脹開裂等問題,大大降低水工結(jié)構(gòu)的耐久性能及使用年限[2-4]。為改善混凝土防腐性能,主要使用抗硫酸鹽水泥、使用防腐蝕涂料涂覆結(jié)構(gòu)表面和減小水膠比增大混凝土強(qiáng)度這3種措施,但抗硫酸鹽水泥價(jià)格昂貴且生產(chǎn)廠家較少,涂覆防腐蝕涂料易受環(huán)境和其它條件限制,涂層易脫落且施工難度大,而減小水膠比會(huì)增加工程成本,實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)以上3種措施都存在一定的不足[5]。實(shí)踐表明,水工混凝土摻單一組分外加劑具有較大的局限性[6]。鑒于此,本研究擬將抗氯鹽與抗硫酸鹽侵蝕阻銹劑復(fù)合,通過水泥膠砂試驗(yàn)探討復(fù)合的防腐阻銹劑對鋼筋電極單位、膠砂強(qiáng)度、膨脹系數(shù)和抗蝕系數(shù)的影響,從微觀上利用EM-30 Plus掃描電鏡觀測水化產(chǎn)物形貌,并進(jìn)一步揭示其作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

用于試驗(yàn)研究的原材料有:①水泥:中國葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的PM 42.5級中熱硅酸鹽水泥,比表面積355m2/kg,標(biāo)稠用水量26.0%,細(xì)度(45μm方孔篩)4.6%,28d抗壓強(qiáng)度52.2MPa,水泥化學(xué)成分,見表1;②砂:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;③水:當(dāng)?shù)刈詠硭?④防腐阻銹劑:按照1∶9的比例將氨基醇類阻銹劑與GL-SSP型防腐劑復(fù)配,均勻混合后配制而成,防腐阻銹劑pH值11,細(xì)度(80μm)12.8%,含水率5.5%。

表1 水泥化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

參照《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》、《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》和《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》中的規(guī)定測試水泥膠砂膨脹系數(shù)、抗蝕系數(shù)及其強(qiáng)度,并按照“硬化砂漿法”進(jìn)行鋼筋銹蝕快速試驗(yàn),設(shè)計(jì)水膠比0.5,膠砂比1:3,配制3%的NaCl溶液作為拌合水,養(yǎng)護(hù)水pH值用5%的H2SO4溶液調(diào)節(jié)至中性,標(biāo)準(zhǔn)試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間14d。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

通過調(diào)整用水量促使摻防腐阻銹劑的膠砂流動(dòng)度值不超過基準(zhǔn)對照的±5mm,并依次測定養(yǎng)護(hù)齡期3d、28d、56d的強(qiáng)度值,水泥膠砂力學(xué)性能,見表2。

表2 水泥膠砂力學(xué)性能

由表2可知,水泥膠砂用水量隨著防腐阻銹劑摻量的增加而逐漸減少,如S-3組用水量相較于S-0基準(zhǔn)組減少20g,這表明復(fù)配的防腐阻銹劑存在一定減水效應(yīng)。水泥膠砂中摻入防腐阻銹劑會(huì)在一定程度上降低3d齡期的抗壓強(qiáng)度,如S-1組相較于S-0基準(zhǔn)組下降8.5%;隨著齡期的延長S-1組、S-2組和S-3組抗壓強(qiáng)度均快速增加,如28d、56d齡期時(shí)均高于S-0基準(zhǔn)組。

依據(jù)抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù),防腐阻銹劑的摻入可以在不同程度上提高水泥膠砂各齡期抗折強(qiáng)度,究其原因是復(fù)配的防腐阻銹劑存在一定的減水效應(yīng),這使得用水量較小的情況下試驗(yàn)組各齡期抗折強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組。另外,使用的防腐劑填料活性指數(shù)低于水泥,這種礦物摻合料無法直接參與水化,所以試驗(yàn)組均低于基準(zhǔn)組的早期(3d)抗壓強(qiáng)度。隨著齡期的延長礦物摻合料的活性逐漸釋放,通過與水化產(chǎn)物的二次水化使得水泥膠砂強(qiáng)度不斷增大,達(dá)到28d齡期時(shí)試驗(yàn)組均超過基準(zhǔn)組的膠砂強(qiáng)度。

2.2 抗蝕系數(shù)

通過調(diào)整用水量促使摻防腐阻銹劑的膠砂流動(dòng)度處于(180±10)mm之間,膠砂試件成型后放入50℃環(huán)境蒸汽養(yǎng)護(hù)7d,然后分兩組分別放入普通自來水和10%Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)至28d,并測定28d齡期抗折強(qiáng)度和抗蝕系數(shù),水泥膠砂力學(xué)性能,見表3。

表3 水泥膠砂力學(xué)性能

從表3可以看出,各組膠砂流動(dòng)度相差不大,在10%Na2SO4溶液和普通自來水中養(yǎng)護(hù)的摻防腐阻銹劑膠砂組抗折強(qiáng)度均高于T-0基準(zhǔn)組,并且普通自來水中養(yǎng)護(hù)的各組膠砂試件抗折強(qiáng)度均高于10%Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)的試件,這表明10%Na2SO4溶液會(huì)產(chǎn)生一定的侵蝕作用。T-0基準(zhǔn)組的抗蝕系數(shù)明顯低于摻防腐阻銹劑的膠砂試組,這說明防腐阻銹劑的摻入明顯增強(qiáng)了水泥膠砂的抗侵蝕性能。

2.3 膨脹性能

設(shè)計(jì)配合比用水量為膠凝材料的標(biāo)稠用水量,水泥凈漿終凝120min后拆模,擦拭干凈銅端頭后立即測定初始長度,隨后浸入水中養(yǎng)護(hù)7d。然后分兩組分別浸入10%Na2SO4溶液和水中養(yǎng)護(hù),依次測定7d、14d、21d、28d齡期長度值和膨脹系數(shù),水泥凈漿膨脹系數(shù),見表4。其中,膨脹系數(shù)E等于侵蝕溶液和水溶液中養(yǎng)護(hù)28d時(shí)凈漿試件的膨脹率之比,以試件放入10%Na2SO4溶液作為試驗(yàn)齡期的起始時(shí)間。

表4 水泥凈漿膨脹系數(shù)

結(jié)果表明,各齡期水泥凈漿試件的膨脹率均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而有所增大,水泥凈漿摻防腐阻銹劑P-1阻、P-2組、P-3組各齡期膨脹率均明顯高于P-0基準(zhǔn)組,膨脹率在7～21d齡期時(shí)快速增長,而21d后逐漸趨于穩(wěn)定。普通自來水中養(yǎng)護(hù)的水泥凈漿試件各齡期膨脹率均明顯低于10%Na2SO4溶液養(yǎng)護(hù),水泥凈漿摻防腐阻銹劑組的28d齡期膨脹系數(shù)明顯低于P-0組1.84和國標(biāo)規(guī)定的限值1.50,這表明摻入的防腐阻銹劑抗侵蝕性能良好。

2.4 鋼筋電極電位

為進(jìn)一步表征復(fù)配的防腐阻銹劑性能,從市場上購買DC-C5型阻銹劑(編號D-4)進(jìn)行對比,測試硬化砂漿14d齡期的鋼筋電極電位,鋼筋電極電位試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表5。

表5 鋼筋電極電位試驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)果表明,通電后未摻防腐阻銹劑的D-0組鋼筋極化電位快速增大,2min后逐漸減小,通電10min后表現(xiàn)出明顯減小趨勢,表明鈍化膜已經(jīng)被氯離子破壞,鋼筋失去保護(hù)作用正發(fā)生銹蝕;通電0～30min時(shí)摻防腐阻銹劑的D-1、D-2、D-3組鋼筋極化電位達(dá)到最值大并維持穩(wěn)定,表明復(fù)配的防腐阻銹劑有效增強(qiáng)了鈍化膜的穩(wěn)定性,降低了鋼筋表面鈍化膜受高濃度氯離子的破壞作用。對于摻DC-C5型阻銹劑的D-4組,鋼筋電位在通電15min后逐漸下降,但降幅明顯

2.5 掃描觀測

采用EM-30 Plus掃描電鏡觀測內(nèi)摻8%防腐阻銹劑和基準(zhǔn)水泥膠砂試件的3d、7d、28d水化產(chǎn)物形貌,從而揭示其作用機(jī)理。結(jié)果顯示,水泥膠砂水化產(chǎn)物隨著水化齡期的延長不斷增多,不同膠凝材料類型同齡期水泥膠砂水化程度存在明顯差異。齡期3d時(shí),摻防腐阻銹劑組的水化程度、水化產(chǎn)物相較于基準(zhǔn)組偏少,主要是棱柱狀Ca(OH)2和細(xì)小棒狀鈣礬石晶體、纖維狀C-S-H凝膠;齡期7d時(shí),水泥石結(jié)構(gòu)密實(shí)且水化產(chǎn)物增多,主要是少量棱柱狀Ca(OH)2、交錯(cuò)生長的棒針狀鈣礬石晶體和塊狀C-S-H凝膠,摻防腐阻銹劑組相較于基準(zhǔn)組的水化產(chǎn)物較多;齡期28d時(shí),水化產(chǎn)物持續(xù)增加,以針狀鈣礬石晶體和搭接生長的塊狀C-S-H凝膠為主。防腐阻銹劑的摻入能夠消耗多余的Ca(OH)2晶體,參與二次水化更多的鈣礬石和C-S-H凝膠,從而提高水泥膠砂的強(qiáng)度、致密性和抗侵蝕性能[11]。

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)復(fù)配的防腐阻銹劑能夠有效改善水泥膠砂的強(qiáng)度和工作性能,實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)揮著一定的減水效應(yīng);水泥膠砂摻防腐阻銹劑組的28d膨脹系數(shù)<國標(biāo)規(guī)定的限值1.50,1.50,抗蝕系數(shù)>0.85,說明其抗侵蝕性能良好。

2)防腐阻銹劑可以有效增強(qiáng)鈍化膜的穩(wěn)定性,降低鋼筋表面鈍化膜受高濃度氯離子的破壞作用,其阻銹效果優(yōu)于從市場上購買的DC-C型阻銹劑。從作用機(jī)理上,防腐阻銹劑的摻入可以消耗多余的Ca(OH)2晶體,促進(jìn)水化生成更多的鈣礬石和C-S-H凝膠,從而提高水泥膠砂的強(qiáng)度、致密性和抗侵蝕性能。