卤水侵蚀下水泥基灌浆料耐蚀性能试验研究

作者：寇佳亮任慧超张浩博

单位：西安理工大学土木建筑工程学院西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室中建西部建设北方有限公司

摘要：通过卤水侵蚀下的水泥基灌浆料抗压性能试验, 研究了水泥种类、水、水胶比、胶砂比、粉煤灰掺量、减水剂含量以及膨胀剂对水泥基灌浆料抗压强度的影响, 以及不同情况下耐蚀系数的差异性。试验研究表明, 在大量试验基础上配制的水泥基灌浆料初始流动度基本上都在300mm以上;在合适的配合比情况下, 以普通硅酸盐水泥为主要成分的新型水泥基灌浆料在耐蚀性能上优于硫铝酸盐水泥;水胶比0.35、粉煤灰掺量15%、聚羧酸减水剂含量1.3%、胶砂比控制在1:1的情况下, 配制出的水泥基灌浆料初始流动度为345mm, 3d抗压强度接近43MPa, 28d抗压强度接近69MPa, 各龄期耐蚀系数均在0.9以上, 且具有良好抗卤水侵蚀性能。

关键词：水泥基灌浆料卤水侵蚀正交试验抗压性能耐蚀性能

作者简介：寇佳亮,博士,副教授, Email:jialiangkou0918@163.com｡
基金：国家自然科学基金资助项目(51408487);中国住建部科学技术资助项目(2014-K2-037);中国博士后科学基(14JK1516);陕西省博士后科学基金资助项目;西安市建设科技项目(SJW201金第56 批面上资助项目(2014M562437);陕西省自然科学基金资助项目(2014JQ7292);陕西省教育厅专项科学研究计划资助项目5-09);西安理工大学科学研究计划资助项目(118-211403)｡ -页码-：90-94

0 引言

　　在西北盐湖地区, 富含卤水的盐渍土分布范围极广。而且, 这些盐湖地处高原内陆及寒冷多风、冰冻期长、降雨量小、气候干燥、昼夜温差大等特定自然条件中。不仅盐湖卤水和盐渍土对混凝土有强烈的化学腐蚀和物理结晶腐蚀^[1], 卤水、盐渍土和盐雾大气中大量的氯离子对混凝土中的钢筋还有强烈的锈蚀作用^[2]。混凝土中的高碱性溶液本可以使钢筋发生钝化, 能够很好地抵抗锈蚀。但是, 当混凝土中钢筋的钝化由于氯离子的存在而被部分或全部破坏时, 钢筋便开始锈蚀, 也就是说, 钢筋局部由于电化学原因在钢筋上会形成原电池, 原电池中的电流强度大小则决定了钢筋的腐蚀速率。盐湖地区中的钢筋混凝土结构受氯离子的严酷侵蚀, 即使混凝土质量良好并且保护层较厚, 氯离子通过保护层到达内部造成钢筋锈蚀也仅是时间问题^[3]。同时在含有硫酸盐的情况下, 由于高浓度氯盐与硫酸盐的叠加作用, 水泥中的铝酸三钙在一定条件下与氯离子作用生成的不溶性“复盐”会发生分解, 释放出氯离子, 从而大大加速钢筋锈蚀和混凝土的破坏^[4]。所以, 盐湖地区卤水腐蚀成为影响混凝土构件耐久性问题的首要因素。

　　 Hobbs等^[5]研究发现水胶比的大小反映了混凝土的密实度和抗氯离子侵入的能力;Arya^[6]的试验结果表明混凝土中掺入粉煤灰后氯离子吸附能力明显大于常规混凝土;Dhir等^[7]指出氯离子运动速度随着温度升高而加快, 侵蚀也会加剧;Chindaprasirt等^[8]研究表明, 普通混凝土碳化后对氯离子的抵抗能力略有提高。在国内, 余红发等^[9]分析了粉煤灰等矿物掺合料的氯离子结合能力;许晨等^[10]研究了碳化和氯离子侵蚀的相互影响, 指出碳化能使氯离子扩散系数有所降低;陆春华等^[11]指出氯离子扩散系数的时间衰减指数m与水灰比有关, 且随水灰比的减小而减小;郑永来等^[12]认为碳化使混凝土的孔隙率降低、密实度提高, 氯离子扩散系数降低。

　　为了阻止混凝土基体的物理、化学腐蚀, 在混凝土表面涂抹防腐涂料是应用较为广泛的一种手段。水泥基灌浆材料一般是以水泥、外加剂和掺合料及一部分细骨料为原料, 经工厂化配制生产而成的具有合理级配的干混料, 加水拌和均匀后具有可灌注的流动性、微膨胀、早期和后期强度高、不泌水等性能。当将水泥基灌浆材料涂覆于湿润的混凝土表面时, 它能够向混凝土内部渗透, 与混凝土内部未经水化作用的钙离子发生反应, 形成结晶体, 堵塞混凝土内部的毛细孔, 防止有害物质向混凝土内部侵蚀, 并有效阻止或延迟氯离子进入混凝土内部造成钢筋腐蚀, 并且该材料在桥梁工程中己经显示出良好的效果。

　　本次试验结合青海到新疆的铁路项目, 在铁路与公路桥桩桩体混凝土中间管道中进行压力灌浆, 在压力作用下使浆体从下而上覆盖于桩体混凝土表面, 从而起到保护混凝土、削弱卤水环境对混凝土的侵蚀作用。试验结合正交试验来选取材料配合比, 以此来研究卤水侵蚀下水泥基灌浆料的力学性能。

1 试验原材料及正交方案选取

1.1 试验原材料

　　水泥分别采用陕西某公司P.O.42.5水泥和郑州某公司42.5快硬硫铝酸盐水泥两种;粉煤灰采用铜川某电厂二级粉煤灰, 45μm筛余为13.5%, 需水量比为99%, 烧失量为4.3%;细集料采用灞河河砂, 用筛子去除粒径2.5mm以上颗粒, 细度模数为2.1, 属于二区细砂, 级配良好;膨胀剂为西安某外加剂厂UEA-S型高效混凝土膨胀剂;减水剂由西安某公司提供的聚羧酸减水剂, 固含量为20%;水采用自来水和青海卤水, 卤水成分如表1所示。

　　 青海某地1L卤水主要化学成分含量表1

成分	KCl	NaCl	CaCl₂	MgCl₂	Na₂SO₄
含量/g	0.97	10.23	26.28	2.80	1.5

1.2 正交方案选取

　　为了解每个因素的影响大小, 拟采用三个水平位级。水泥采用硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥;胶砂比选取1∶1, 1∶1.2, 1∶1.4三种;水分别采用自来水和青海卤水, 水胶比采用0.35, 0.36, 0.37三种;减水剂 (聚羧酸高效减水剂) 采用1.2%, 1.3%, 1.4%三种;膨胀剂掺量控制在10%;粉煤灰 (Ⅱ级) 掺量采用10%, 15%, 20%三种;胶体采用定量850g, 以上均指胶凝体质量百分比。其中水、粉煤灰、减水剂、砂试验时采用正交试验设计方法, 试验设计方案如表2所示。试验中每种方案均采用相同的正交试验设计方法, 其中方案一正交试验表格如表3所示, 其他三种方案均参照表3, 方案三、方案四中均不掺入膨胀剂。

　　 正交试验设计方案表2

方案	水泥	试验用水	养护用水	膨胀剂
方案一 (PO)	普通硅酸盐	自来水	自来水	UEA-S
方案二 (PL)	普通硅酸盐	卤水	卤水	UEA-S
方案三 (S)	快硬硫铝酸盐	自来水	自来水
方案四 (SL)	快硬硫铝酸盐	卤水	卤水

　　 方案一各材料选取质量/g 表3

配合比编号	水	粉煤灰	减水剂	砂	膨胀剂	水泥
1	297.5	85	12.0	1 020	85	765
2	306	85	10.2	850	85	765
3	314.5	85	11.1	1 190	85	765
4	297.5	127.5	11.1	850	85	722.5
5	306	127.5	12.0	1 190	85	722.5
6	314.5	127.5	10.2	1 020	85	722.5
7	297.5	170	10.2	1 190	85	680
8	306	170	11.1	1 020	85	680
9	314.5	170	12.0	850	85	680

2 试验内容

2.1 水泥基灌浆料流动性研究

　　流动度试验采用上端直径为70mm、下端直径为100mm、高为60mm的圆台体试模, 实验室温度为 (20±2) ℃, 按照《水泥胶砂流动度测定方法》 (GB/T 2419—2005) (2014年版) ^[13]进行试验, 在搅拌结束后应立即进行测试。

2.2 抗压试验研究

　　水泥基灌浆料抗压试验以抗折强度测定后的两个断块进行抗压强度测定, 试验时须用抗压夹具固定, 使试件受压面积为40mm×40mm。

　　抗硫酸盐侵蚀灌浆料抗压试验所用仪器为华龙WAW-1000C微机电液伺服万能试验机, 最大试验力为1 000kN, 试验力测试范围为50～1 000kN。设定一组试件为6个, 考虑到试件受压面积为40mm×40mm, 接触面较小, 试验机加荷速率设为2.5kN/s。试验前取出试件, 将表面浮浆去除, 以侧面作为受压面, 将试件放置在夹具中间。开动试验机, 试验采用均匀加载方式, 加载至试件破坏并记录其数据。

　　按《水泥胶砂强度检验方法》 (GB/T 17671—1999) ^[14]对试验结果进行计算分析。抗压强度结果为6个试件抗压强度的平均值, 精确至0.01MPa, 如果6个强度值中有一个超过平均值的±10%的, 应剔除后以剩下的5个强度值的算术平均值作为最后结果, 如果5个强度值中再有超过剩余5个强度值平均值±10%的, 则该组试件抗压强度结果无效。

3 试验结果与分析

3.1 流动度测试结果

　　经过测试, 各方案在各配合比下的流动度指标如表4所示。由表4可知, 各方案下初始流动度除少数几个配合比外, 均在300mm以上;在水泥选用普通硅酸盐水泥的情况下, 试验过程中发现试验用水由自来水变为卤水时, 灌浆料本身变得具有黏聚性, 各配比下初始流动度均出现了不同程度的减小, 卤水对流动度产生了不利影响;而水泥为快硬硫铝酸盐水泥时, 灌浆料本身流动度出现不规律性变化, 并没有因为试验用水的变化出现类似的减小现象。

　　 流动度测试结果/mm 表4

方案	配合比编号
方案	1	2	3	4	5	6	7	8	9
一	320	350	325	345	305	335	310	360	370
二	305	335	295	335	290	295	285	300	335
三	340	350	340	340	300	330	310	330	365
四	320	330	370	355	305	300	320	295	375

3.2 力学性能试验结果

　　试件养护到达相应龄期时取出擦拭晾干, 四种方案在各配合比及不同龄期下的抗压强度试验结果如表5所示。

3.3 抗压强度对比

　　为探讨卤水对试件的侵蚀程度, 需计算两种水泥分别在卤水及自来水中的抗压强度比 (耐蚀系数) , 通过抗压强度比可以得出哪种配合比情况下耐蚀系数最高, 在卤水侵蚀条件下能更好地保持抗压强度、减缓侵蚀。

　　 抗压强度试验结果/MPa 表5

配合比编号	方案一			方案二			方案三			方案四
配合比编号	3d	7d	28d	3d	7d	28	3d	7d	28d	3d	7d	28d
1	39.75	54.90	68.29	40.05	40.47	61.43	33.85	42.72	51.26	37.13	42.11	45.65
2	43.55	58.90	59.62	35.51	51.43	60.11	37.47	39.04	52.92	38.03	39.44	41.87
3	39.45	48.96	51.40	31.09	43.31	49.62	35.94	45.62	54.12	35.29	38.78	42.62
4	42.56	50.34	68.82	38.42	52.09	67.28	33.55	44.92	53.07	38.77	46.03	42.44
5	38.51	38.17	53.46	27.16	40.36	43.39	37.01	45.30	46.45	33.54	29.73	40.57
6	37.27	41.20	61.85	32.24	42.14	50.12	31.21	38.22	47.91	28.63	30.66	32.16
7	33.20	43.48	42.45	27.28	31.58	43.86	20.35	32.50	43.31	23.66	27.03	40.03
8	27.24	45.39	65.24	27.07	38.68	50.63	29.70	36.08	47.13	25.13	30.39	29.55
9	33.77	46.80	54.12	30.56	40.25	55.27	34.52	40.53	46.38	34.80	39.36	37.64

(1) P.O.42.5普通硅酸盐水泥在卤水中的耐蚀系数

　　通过计算, 普通硅酸盐水泥在卤水及自来水中的抗压强度比如表6所示。为探讨哪种影响因素在卤水侵蚀中起到重要作用, 须对耐蚀系数进行极差分析, 在此只对28d强度耐蚀系数进行极差分析, 结果如表7所示。

　　 普通硅酸盐水泥抗压强度比表6

试验组	龄期
试验组	3d	7d	28d
PL1/PO1	1.008	0.737	0.899
PL2/PO2	0.815	0.873	1.008
PL3/PO3	0.788	0.885	0.965
PL4/PO4	0.903	1.035	0.978
PL5/PO5	0.705	1.057	0.812
PL6/PO6	0.865	1.023	0.810
PL7/PO7	0.822	0.726	1.038
PL8/PO8	0.994	0.852	0.776
PL9/PO9	0.905	0.860	1.021

　　 普通硅酸盐水泥耐蚀系数极差分析表7

位级和	试验影响因素
位级和	水胶比	粉煤灰	减水剂	胶砂比
1	291.5	287.2	285.6	300.7
2	259.6	260.0	271.9	248.5
3	279.6	283.5	273.2	281.5
极差	31.9	27.2	13.7	52.2

　　由表7可以得知, 胶砂比是对耐蚀系数影响最大的因素, 其次是水胶比和粉煤灰, 而减水剂对灌浆料耐蚀系数的影响较小;由表6可以看出, 在大多情况下卤水中试件的抗压强度比自来水中的要小, 28d龄期过后, 除了PL2/PO2, PL3/PO3, PL4/PO4, PL7/PO7, PL9/PO9五组耐蚀系数基本等于1外, 剩余四组均低于0.9;所有配合比除极个别组外, 各龄期耐蚀系数均在0.75以上, 在第四组配合情况下, 配制出了初始流动度345mm、3d抗压强度接近43MPa, 28d抗压强度接近69MPa且各龄期耐蚀系数均在0.9以上的抗卤水侵蚀水泥基灌浆料。

(2) 郑州某公司42.5快硬硫铝酸盐水泥在卤水中的耐蚀系数

　　快硬硫铝酸盐水泥在卤水中的耐蚀系数及28d耐蚀系数极差分析如表8, 9所示。

　　 快硬硫铝酸盐水泥抗压强度比表8

试验组	龄期
试验组	3d	7d	28d
SL1/S1	1.097	0.986	0.891
SL2/S2	1.015	1.010	0.791
SL3/S3	0.982	0.850	0.788
SL4/S4	1.156	1.025	0.800
SL5/S5	0.906	0.656	0.873
SL6/S6	0.917	0.802	0.671
SL7/S7	1.163	0.832	0.924
SL8/S8	0.846	0.842	0.627
SL9/S9	1.008	0.971	0.812

　　 快硬硫铝酸盐水泥耐蚀系数极差分析表9

位级和	试验影响因素
位级和	水胶比	粉煤灰	减水剂	胶砂比
1	261.5	247.0	238.6	240.3
2	229.1	234.4	221.5	218.9
3	227.1	236.3	257.6	258.5
极差	33.6	12.6	36.1	39.6

　　由表9可知, 胶砂比是对耐蚀系数影响最大的因素, 其次是聚羧酸减水剂和水胶比, 胶砂比、水胶比、减水剂三种因素极差很接近, 而粉煤灰对其影响较小;由表8抗压强度比得知, 前期, 卤水中九组试件的抗压强度比波动范围较大, 其中, 除了SL1/S1, SL2/S2, SL4/S4, SL7/S7, SL9/S9五组耐蚀系数基本接近或者大于1, 其余四组均小于1。28d龄期过后, 九组耐蚀系数均低于1。除SL6/S6, SL8/S8两组试件耐蚀系数均不到0.7外, 其余几组均在0.75以上, 但相比普通硅酸盐水泥其耐蚀系数有所不足。

(3) 普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥在自来水中的抗压强度对比

　　通过计算, 可以得出普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥在自来水中的抗压强度对比, 结果如表10所示。

　　依据快硬硫铝酸盐水泥特性, 快硬硫铝酸盐水泥试件抗压强度前期高于普通硅酸盐水泥试件, 由表10得知, 除了S8/PO8, S9/PO9两组外, 其余各组抗压强度比在3d龄期时均低于1;7d龄期时, 除了S5/PO5外, 其余各组均低于1, 出现这种可能性最大的原因是膨胀剂发挥了重要作用, 快硬硫铝酸盐水泥试件因为其本身具有微膨胀性, 故在试验中没有使用膨胀剂。而普通硅酸盐水泥试件中加入了10%的UEA-S型高效混凝土膨胀剂, 其内部含有硅铝复盐、氧化铝、硫酸钙等无机化合物, 早期能与试件中的硅酸三钙、硅酸二钙等反应生成水化硅酸钙、铁铝酸四钙等胶凝产物, 提高了其早期强度;28d龄期后, 大部分普通硅酸盐水泥试件均表现出了良好的后期强度。

　　普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥在自来水中的抗压强度比表10

试验组	龄期
试验组	3d	7d	28d
S1/PO1	0.852	0.778	0.751
S2/PO2	0.867	0.663	0.888
S3/PO3	0.911	0.931	1.053
S4/PO4	0.788	0.892	0.771
S5/PO5	0.961	1.187	0.869
S6/PO6	0.837	0.928	0.775
S7/PO7	0.613	0.747	1.020
S8/PO8	1.090	0.795	0.722
S9/PO9	1.022	0.866	0.857

3.4 卤水侵蚀情况下水泥基灌浆料力学性能影响分析

　　 (1) 选择适当的原材料颗粒级配, 使得不同尺寸的颗粒形成一个最紧密堆积的体系, 试验用砂选用粒径2.5mm以下的细骨料, 使得基体的缺陷减少, 骨料和水泥基体之间的薄弱过渡区得到增强, 同时还能够细化定向晶体结构。

　　 (2) 提高低需水量比的矿物掺合料 (粉煤灰) 掺量以及高效减水剂, 在达到相同工作性能基础上减少用水量, 从而降低灌浆料内部孔隙率。

　　 (3) 采用常温水养护的方法, 最大限度地抑制由于低水胶比产生的收缩。

　　 (4) 粉煤灰具有三大效应, 即:活性效应、形态效应及微集料效应。粉煤灰中包含有大量非晶态 (或称玻璃态) 的SiO₂, A1₂O₃, 掺入粉煤灰后, 活性二氧化硅可以和游离的氢氧化钙发生二次反应, 生成稳定性好和强度高的水化硅酸钙。其次粉煤灰还具有颗粒形态效应特征, 粉煤灰在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒, 绝大多数为表面光滑、致密、细粒、海绵状的硅铝酸盐玻璃微球珠状颗粒, 掺入灌浆料中可减小内摩擦力, 增大流动性, 减少泌水, 从而可以减少灌浆料的用水量。最后, 粉煤灰还具有微骨料效应, 粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆中, 填充孔隙和毛细孔, 改善了灌浆料内部的孔结构, 增大密实度, 从而使灌浆料的强度有所提高, 耐侵蚀性有所提升^[15]。

4 结论

　　 (1) 在一定情况下, 经过大量试验配制的水泥基灌浆料初始流动度大都在300mm以上。

　　 (2) 在合适的配合比情况下, 以普通硅酸盐水泥为主要成分的新型水泥基灌浆料在耐蚀性能上优于硫铝酸盐水泥。

　　 (3) 水胶比0.35, 粉煤灰掺量15%, 聚羧酸减水剂含量1.3%, 胶砂比控制在1∶1的情况下, 配制出的水泥基灌浆料初始流动度为345mm, 3d抗压强度接近43MPa, 28d抗压强度接近69MPa, 且各龄期耐蚀系数均在0.9以上, 且具有良好的抗卤水侵蚀性能。

参考文献[1] 余红发, 孙伟, 王甲春, 等.盐湖地区混凝土的长期腐蚀产物与腐蚀机理[J].硅酸盐学报, 2003, 31 (5) :434-440.
[2] 余红发, 孙伟, 华普校, 等.盐湖地区高强混凝土的配置技术和基本性能[J].建筑材料学报, 2003, 6 (4) :410-415.
[3] 曹卫群.干湿交替环境下混凝土的氯离子侵蚀与耐久性防护[D].西安:西安建筑科技大学, 2013.
[4] 孙丛涛.基于氯离子侵蚀的混凝土耐久性与寿命预测研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2010.
[5] HOBBS D W, MATTHEWS J D. Minimum requirements for concrete to resist deterioration due to chloride-induced corrosion[C]//Minimum Requirements for Durable Concrete. Crowthorne: British Cement Association,
[6] ARYA C. Effect of cement type on chloride binding and corrosion of steel in concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25 (4) : 893-902.
[7] DHIR R K, EI-MOHR M A K, DYER T D. Developing chloride resisting concrete using PFA[J]. Cement and Concrete Research, 1997, 27 (11) :1633-1639.
[8] CHINDAPRASIRT P, RUKZON S, SIRIVIVATNANON V.Effect of carbon dioxide on chloride penetration and chloride ion diffusion coefficient of blended portland cement mortar[J]. Construction and Building Materials, 2008, 22 (8) :1701-1707.
[9] 余红发, 翁智财, 孙伟, 等.矿渣掺量对混凝土氯离子结合能力的影响[J].硅酸盐学报, 2007, 35 (6) : 801-806.
[10] 许晨, 王传坤, 金伟良.混凝土中氯离子侵蚀与碳化的相互影响[J].建筑材料学报, 2011, 14 (3) : 376-380.
[11] 陆春华, 刘荣桂, 崔钊伟, 等.干湿交替作用下受弯开裂钢筋混凝土梁内氯离子侵蚀特性[J].土木工程学报, 2007, 47 (12) :82-90.
[12] 郑永来, 郑洁琼, 张梅.碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2010, 38 (3) :412-416.
[13] 水泥胶砂流动度测定方法:GB/T 2419—2005 [S]. 2014年版.北京:中国质检出版社, 2014.
[14] 水泥胶砂强度检验方法: GB/T 17671—1999 [S].北京:中国标准出版社, 1999.
[15] 宋少民, 杨柳, 徐国强.石灰石粉与低品质粉煤灰复掺对混凝土耐久性能的影响[J].土木工程学报, 2010, 43 (S2) :368-372.

Experimental study on corrosion resistance performance of cement-based grouting material under brine erosion

Kou Jialiang Ren Huichao Zhang Haobo

(School of Construction Engineering, Xi′an University of Technology State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi′an University of Technology China West Construction North Co., Ltd.)

Abstract: The compressive performance experiment of cement-based grouting material under brine erosion was carried out to study the influences of cement type, water, water-to-cement ratio, cement-to-sand ratio, fly ash content, water reducer content and expansive agent on compressive strength of cement-based grouting material, as well as the difference in corrosion resistance coefficient under different conditions. The experimental research shows that the initial fluidity of cement-based grouting material prepared on the basis of a large number of experiments is basically above 300 mm; in the case of suitable mix ratio, the new cement-based grouting material with ordinary Portland cement as the main component has better corrosion resistance performance than sulphoaluminate cement; when water-cement ratio is 0.35, fly ash content is 15%, polycarboxylate water reducing agent content is 1.3%, and the ratio of cement-to-sand ratio is controlled at 1∶1, the initial fluidity of the cement-based grouting material is 345 mm, and the compressive strength at 3 days is close to 43 MPa, and the compressive strength at 28 days is close to 69 MPa, and the corrosion resistance coefficient of each age is above 0.9, and it has good resistance to brine erosion.

Keywords: cement-based grouting material; brine erosion; orthogonal experiment; compressive performance; corrosion resistance performance

1097 8 8