耐腐蚀砂浆在浓盐水中性能研究

来源:灌浆料 2016-11-28 16:02:18      点击:

      钢筋混凝土建筑物由于环境中各种盐类的侵入,导致混凝土发生物理、化学腐蚀或其中钢筋发生电化学腐蚀而过早破坏。如处于氯盐污染环境中的沿海码头、涵闸、滨海电厂等港口水工建筑物往往 10 多年时间就因钢筋腐蚀而胀裂破坏。近年来,随着海洋资源的进一步开发利用,耐盐碱腐蚀高速公路桥的开发建设,以及西部盐碱地的开发,我国将面临着更多处于高浓度盐水环境中的钢筋混凝土建筑物,依次发生的各种病害将更为严峻。因此了解混凝土材料耐盐水腐蚀性能和环境适应性,对于延长建筑物寿命、降低经济损失具有十分重要的意义。

   丙乳砂浆 ( 或混凝土 ) 具有优异的粘结、防渗、抗氯离子渗透等性能,能有效阻止水、氯离子的侵入,目前在港工、水工等钢筋混凝土建筑物上得到广泛应用。本课题通过对丙乳砂浆等材料在浓盐水干湿交替条件腐蚀性能的试验研究,为其在高浓度盐水环境巾的应用提供技术依据。

1 、试件制作
1.1 原材料
P · O32.5 普通硅酸盐水泥;河砂;丙烯酸共聚乳液 ( 丙乳 ) ;硅粉; FDN 减水剂。

1.2 试件成型
  试验设计了普通水泥砂浆 ( 对比组 ) 、丙乳砂浆和硅粉高密度砂浆 3 种技术条件的砂浆试件,配合比见表 1 。
   试件成型和养护按《水运工程混凝土试验规程》 (JTJ 270 — 98) 和《聚合物改性水泥砂浆试验规程》 (DL / T 5126 — 2001) 进行。测量氯离子渗入量的试件尺寸为 10cm × 10cm × 10cm ,粘结强度试件为 5cm × l 0cm × l 0cm 块石和 5cm × l 0cm × l 0cm 的砂浆组成,其余试验项目试件的尺寸为 4cm × 4cm × 16cm ,采用人工拌和,试件成型后,放置 24h ,然后放入标准养护室养护 28d ,取出测量砂浆试件抗压、抗折及与块石粘结强度 ( 如表 1) ,并进行各项防腐蚀性能试验。

2 、试验条件和方法
2.1 试验条件
   腐蚀介质:浓度为 3 倍人造海水 ( 含盐量 10.5 % ) 的高浓度盐水;试验条件:试件浸泡在 (50 ± 1) ℃的盐水中,水分全部蒸发盐结晶析出为 1 个周期 ( 约为 20d) ,铲掉结晶盐重新换上新盐水,如此反复。

 1 砂浆的配合比

Table 1 Mortar mix

技术条件

水泥

丙乳

28d 强度 /MPa

抗压

抗折

粘结

普通组

0.45

1

0

2

49.4

10.5

1.89

丙乳组

0.07

1

0.3

2

52.5

13.6

2.55

硅粉组

0.38

1

0

2

60.2

11.3

2.19

注:硅粉组高效减水剂( FDN )为 0.01 ,硅粉为 0.04

2.2 试验方法
   在含盐腐蚀环境中,盐水中有害离子渗入,并在砂浆内部结晶或与砂浆某些组分反应生成膨胀性或无凝性产物是砂浆试件破坏的主要原因。伴随着砂浆与环境介质的物理或化学反应,砂浆强度、质量、体积、吸水率等性能将发生改变,测量试验过程中的这些性能变化,就能了解各技术条件砂浆抗腐蚀性能的状况。

2.2.1 氯离子渗透量
   在氯盐环境中,氯离子侵入导致钢筋锈蚀是钢筋混凝土破坏的主要原因。所以测量渗入到砂浆中游离氯离子含量及渗透深度直接反映砂浆的防腐蚀能力。
   试件养护完毕晾干后,留一面作为氯离子渗透面,其余五面用混凝土底漆加环氧树脂封闭,固化 1 周后投入加速腐蚀试验。一定试验周期时,钻取 5 个深度层 ( 每层 10cm ) 的砂浆粉样,按“规程” (JTJ270 — 98)7.16 方法测定粉样中游离氯离子含量。

2.2.2 吸水率
   吸水率的大小可以反映砂浆密实性和抗渗性的好坏。在腐蚀试验过程中,盐水中有害离子的渗入,在砂浆内发生物理、化学反应后,会导致孔结构的变化而使砂浆吸水率发生改变,在试验前和一定试验周期时,按“规程” (JTJ 270 — 98) 规定方法,测定砂浆试件吸水率,并将结果与同条件淡水中的试件进行对比。

2.2.3 质 量
   试件养护完毕后,洗净、烘干、冷却称重,进行加速腐蚀试验,一定试验周期后,取出、冲洗干净烘干,、冷却称重,计算质量变化率。

2.2.4 强 度
   在试验前和一定试验周期后,按“规程” (JTJ 270 — 98) 测定试件的抗压、抗折及与块石粘结强度,结果与同条件淡水中的试件进行对比,计算强度腐蚀耐腐蚀系数。

2.2.5 体积膨胀
  在试件长、宽两个方向四个侧面的中心处,用环氧树脂粘贴不锈钢测头,在每一试验周期用精度为 0.01mm 的电子数显卡尺测量试件两个方向上的长度变化,计算试件长度变化率。

2.2.6 微观结构和矿物组成
   腐蚀试验结束后,将试件烘干,取其浆体,制成约 1cm 2 的样品,用扫描电镜/能谱仪 (SEM / EDS) 观察其显微结构,分析水泥浆体中矿物组成,以研究试件性能劣化原因。

3 、试验结果与分析
3.1 氯离子渗透量


  结果表明,在 3 次测量中,氯离子在丙乳砂浆和硅粉砂浆中渗透量和渗透深度均明显小于普通砂浆。其中丙乳砂浆各层氯离子含量均小于普通砂浆,如 10 个周期 (169d) 时,第一层和第二层中氯离子含量仅为同层普通砂浆的 24 %和 7 %;硅粉砂浆虽然第一层的氯离子含量随着试验时间的延长逐渐超过了普通砂浆,但内部氯离子含量要低得多,如 169d 时,第二层中氯离子含量仅为同层普通砂浆的 10 %。
   氯离子渗透及分布规律表明,两种改进砂浆特别是丙乳砂浆具有优越的抵抗氯离子侵入的能力。

3.2 吸水率
   在试验过程中砂浆试件吸水率的变化如图 2 。由图 2 可见,丙乳砂浆的吸水率显著低于另外 2 组砂浆的吸水率,试验前 (28d 龄期 ) 丙乳砂浆吸水率是 0.44 %,仅为普通砂浆吸水率 (8.06 % ) 的 5 %,并且在以后的试验期间,一直保持非常低的水平。这表明,丙乳砂浆具有较高的密实度和优越的抗渗性能。

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  从 3 种试件在试验过程中吸水率的发展来看,在淡水中,由于水化作用的继续,吸水率均有不同程度的下降,但在盐水中吸水率下降更多。两者之间的差是由于盐水中离子的渗入,在孔隙内的物理结晶或与水化产物反应生成新的物质填充了部分孔隙的原因。普通砂浆吸水率在两种水中差距最大,试验 104d 时,两者差距达到 2.89 %,分别是硅粉砂浆 (0.57 % ) 和丙乳砂浆 (0.03 % ) 的 5 倍和 96 倍,说明普通砂浆中的离子渗入量最多。丙乳砂浆的吸水率在盐、淡水中随试验时间变化曲线几乎重叠,即两者保持基本一致的发展趋势,表明丙乳砂浆的吸水率基本不受盐水的影响,盐水中各种离子难以渗入丙乳砂浆
   吸水率结果表明,在试验期间内,普通砂浆在盐水的侵蚀下离子渗入量最多,而丙乳砂浆的密实度高,盐水中有害物质基本没有渗入。

3.3 质量变化
3 种砂浆试件在盐水及淡水中试验 10 个周期后的质量变化率如表 2 所示。由表 2 可见,普通砂浆试件在经过热盐水干湿交替 10 个周期后,质量有了明显的增加,平均增加率达到 5.70 %,比相应淡水条件下试件 (1.03 % ) 增加了 4.5 倍。而其他两种改进砂浆在盐水中质量变化很小,且与淡水中对应试件变化情况相近。因此,同样可以认为由盐水中渗入普通砂浆试件的物质较多。

 2 试验 10 个周期后试件质量变化率

Table 2 The mass change rate of specimen

after testing for 10 cycles 

试验

普通组

丙乳组

硅粉组

盐水

5.70

-0.18

0.54

淡水

1.03

-0.51

0.34

  10 个周期热盐水干湿交替腐蚀试验后,砂浆的抗折强度腐蚀系数、抗压强度腐蚀系数、粘结强度腐蚀系数如表 3 所列。

 3 砂浆强度腐蚀系数

Table 3 Corrosion coefficient Of mortar Strength

试件

抗压强度腐蚀系数

抗折强度腐蚀系数

粘结强度腐蚀系数

6 个周期

10 个周期

6 个周期

10 个周期

10 个周期

普通组

1.05

0.90

1.27

1.31

0.58

丙乳组

1.00

0.99

1.06

1.02

0.95

硅粉组

1.00

1.03

1.17

0.96

1.00

  由表 3 可看到, 3 种试件的 3 类强度腐蚀系数随时间的发展趋势有所不同;在 169d 试验时间内,丙乳砂浆的 3 类强度腐蚀系数一直保持在 1 左右,即盐水试件的强度发展基本与淡水试件一致,表示强度基本不受盐水影响,抗盐水腐蚀能力强。硅粉组抗折强度腐蚀系数有一定程度变化,抗压强度腐蚀系数和粘结强度腐蚀系数也为 1 左右。而普通砂浆组的 3 类强度腐蚀系数均有显著改变,在盐水干湿 169d 时,抗折强度腐蚀系数为 1.31 ,但抗压强度腐蚀系数已降为 0.90 ,粘结强度腐蚀系数已降为 0.58 ,说明试件由于盐水中离子的渗入,并在试件内部物理堆积或生成产物,虽尚未出现膨胀开裂,但抗压强度和粘结强度已显著低于淡水试件,砂浆由于盐水侵蚀而遭到了腐蚀破坏。

3.5 长度变化率

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   3 种砂浆试件在热淡、盐水干湿交替腐蚀过程中的长度变化率试验结果表明,在整个试验期间,丙乳砂浆和硅粉砂浆试件两个方向的长度变化率在盐水和淡水中基本一致,盐水侵蚀尚没有引起这两类砂浆发生膨胀变化。而普通砂浆试件的纵向长度在整个试验期内虽没有变化,但横向长度在盐水中试验约 8 个周期 (140d) 后己开始增加,横向发生了轻微的膨胀 ( 图 3) 。

  以上各项性能试验结果表明,与普通砂浆相比,丙乳砂浆由于密实度高,显著降低环境介质中有害物质的渗透,提高了抗盐水侵蚀能力,适合于浓盐水侵蚀环境使用。

3.6 微观结构分析
   由普通砂浆在淡水中干湿交替 10 个周期后水泥浆体的形貌及成分分析结果看出,在该浆体中只存在 C — S — H 凝和少量 Ca(OH) 2 晶体两种水化产物。在普通砂浆在盐水中浸泡 10 个周期后水泥浆体的 SEM 照片 ( 图 4) 发现,除 C — S — H 凝和 Ca(OH) 2 晶体外,还有另一种 6 方片状晶体物质存在。其 EDS( 图 5) 表明,该物质主要由 Ca 、 Al 、 Cl 等元素组成,根据形貌和成分可推测该物质是水化铝酸钙与渗入的氯离子反应生成的氯铝酸钙。

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  对于硅粉砂浆而言,淡水试件浆体中存在 C-S-H 凝、少量片状 Ca ( OH ) 2 晶体及微量针状钙钒石晶体,而盐水试件浆体中发现含有氯离子的 C — S — H 凝、少量片状, Ca(OH) 2 晶体及氯铝酸钙晶体,这表明盐水中的氯离子已渗入砂浆,并取代了原来钙钒石中的硫离子以及与浆体中的水化铝酸钙发生化学反应生成了氯铝酸钙晶体,从而导致了其性能的改变。而丙乳砂浆在淡水和盐水两种介质中干湿交替试验后,均只有 C — S — H 凝和少量 Ca(OH) 2 晶体两种水化产物,表明盐水尚没有对丙乳试件产生影响。  微观结构检测结果表明,在浓盐水侵蚀作用下,普通砂浆试件性能发生变化是由于盐水中氯离子、钠离子渗入,在内部物理堆积及氯离子与水化产物发生化学反应所致。

4 、结 论
1) 在热盐水干湿交替的腐蚀过程中,普通混凝土由于盐水中氯离子和钠离子的渗入,并在混凝土内发生物理或化学反应生成新的物质,使普通砂浆吸水率、质量发生明显变化;其抗压强度、粘结强度明显下降,体积也出现了轻微的膨胀,表明在盐水作用下普通砂浆混凝土发生了腐蚀。
2) 丙乳砂浆密实度高,具有优异的阻止环境介质中氯离子的渗透能力,吸水率仅为普通砂浆的 5 %,氯离子侵入量仅为普通砂浆的 10 %左右。因而具有优异的抗浓盐水腐蚀能力。