徐雅丽，张培育

(1.郑州工业应用技术学院，郑州　451150；2.内蒙古科技大学，包头　014010)



抗硫酸侵蚀防腐剂对混凝土性能影响研究及其作用机理的探讨

徐雅丽1，张培育2

(1.郑州工业应用技术学院，郑州451150；2.内蒙古科技大学，包头014010)

本文通过将SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂与普通硅酸盐水泥复合，用于混凝土试验中，研究其对混凝土工作性能、抗压强度以及耐久性能的影响。同时，通过采用化学结合水和SEM试验，对SSP型防腐剂在混凝土中的作用机理进行分析研究。试验结果表明：在混凝土中掺入SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂，混凝土不仅工作性能好、抗压强度值高，而且抗氯离子渗透、抗硫酸盐溶液侵蚀性能优良；SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂的掺入，能够提高混凝土各个龄期的化学结合水含量，促进水泥基胶凝材料的水化进程，生成较多的细针状、棒状的AFt和不规则扁平粒子的C-S-H凝胶，使得结构更加致密，提高混凝土综合性能。

抗硫酸盐侵蚀防腐剂； 化学结合水； C-S-H凝胶； 钙矾石(AFt)

1　引　言

随着我国经济的飞速发展，土建工程也大规模的兴起，但是建成的混凝土结构耐久性存在很大的问题。目前，人们对混凝土的耐久性和耐腐蚀性的研究非常迫切。其中硫酸盐腐蚀是造成混凝土耐久性不足[1]，发生结构破坏的主要因素之一。硫酸盐腐蚀破坏对混凝土结构的危害性大，影响因素多样，很难对其病害加以控制。常见的硫酸盐类腐蚀主要有钠盐、钙盐、镁盐和钾盐等[2]。硫酸盐腐蚀破坏的发生与建筑结构物所处的工作环境介质有很大的关系，另外在拌制混凝土的过程也有可能引入硫酸盐[3]，使得混凝土发生腐蚀破坏，降低混凝土耐久性能。目前，工程中常用的抗硫酸盐侵蚀防腐方法主要有[4]：外涂防腐涂料、使用抗硫酸盐水泥、掺加矿物掺和料、降低水胶比和使用防腐剂等。使用防腐剂与其他防腐方法相比[5]，在防腐能力方面，均能够提高混凝土耐久性；受施工环境限制方面，对钢筋的保护、混凝土的可泵性能及养护工艺等都具有优越性，其经济成本、后期防护费用也相对较低，节能减排。因此，本文将包头某建材公司生产的SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂与普通硅酸盐水泥复合，代替抗硫酸盐硅酸盐水泥，用于混凝土试验中，对比研究其对混凝土工作性能、力学性能及耐久性能的影响。随后，通过化学结合水和SEM试验，对SSP型防腐剂在混凝土中的作用机理进行进一步探讨，为今后抗硫酸盐侵蚀防腐剂在混凝土中的工程应用提供指导和参考。

2　试　验

2.1试验原材料

水泥：冀东P·O42.5和中联P.HSR42.5其主要物理力学性能见表1；

细骨料：河砂，细度模数2.92，含泥量3.7%；

粗骨料：碎石，5～31.5 mm连续级配，针、片状含量及其他指标符合标准要求；

防腐剂：包头某建材公司生产的SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂(粉体)，主要由密实、膨胀抗裂、高分子和高性能减水四种组分构成，其主要理化性能见表2；

减水剂：包头钢鹿建材公司GL-B4高效减水剂，性能良好，符合GB8076-2008标准要求；

水：普通自来水；符合JGJ63-2006要求；

表1　水泥主要物理力学性能

表2　SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂其主要理化性能

2.2试验方法

(1)混凝土性能试验

混凝土试验配合比混凝土工作性能、力学性能、耐久性能试验参照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中有关规定进行。

(2)化学结合水试验

采用水胶比0.5的纯水泥、内掺10%抗硫酸盐侵蚀防腐材料的两组净浆试件进行，具体操作如是[6,7]：将制取的水泥净浆密封于塑料袋中，置于恒温恒湿养护箱中养护到规定龄期时，用无水乙醇终止水化，冷风吹干后密封置于干燥器中。测试时将净浆破碎并过200目筛，取适量试样置于65 ℃下烘干至恒重以除去非化学结合水，然后在1050 ℃下灼烧至恒重，则化学结合水含量可按下式计算：

式中：ω-单位质量胶凝材料的化学结合水含量，%；m1-灼烧前样品质量，g；m2-灼烧后样品质量，g；λc-水泥烧失量，%；λf-抗硫酸盐侵蚀防腐材料烧失量，%；ηc-水泥占胶凝材料总质量的百分比，%；ηf-抗硫酸盐侵蚀防腐材料占胶凝材料总质量的百分比，%。

(3)SEM试验

用扫描电镜观察基准混凝土与SSP混凝土的3 d、28 d水化产物形貌，对水化产物进行定性分析。

3　结果与讨论

3.1工作性能、抗压强度影响

试验选取0.45水胶比，改变外加剂掺量，控制各组混凝土具有相同初始坍落度，选用冀东水泥(P.O42.5)、抗硫酸盐硅酸盐水泥(P.HSR)两种水泥进行试验，试验混凝土配合比见表3。新拌混凝土的工作性能和硬化后的力学性能见表4。

表3　试验混凝土配合比

表4　SSP型防腐剂对混凝土工作性能及抗压强度的影响

由表3可知，在控制相同初始坍落度时，掺SSP混凝土的减水剂(GL-B4)掺量为1.0%，小于基准和抗硫水泥混凝土的外加剂掺量，说明SSP防腐剂与冀东P.O42.5水泥、减水剂(GL-B4)适应性良好；掺SSP混凝土30 min的坍落度、扩展度损失小于基准和抗硫水泥混凝土，说明其具有较优的保塑性能；SSP混凝土初始含气量高于基准水泥和抗硫水泥混凝土，且30 min的含气量损失最小；掺SSP混凝土各个龄期的抗压强度均高于基准和抗硫水泥混凝土，其中基准混凝土与抗硫水泥混凝土各个龄期的抗压强度相差不大。

3.2耐久性能影响

混凝土耐久性能是指混凝土抵抗气候作用、化学侵蚀、磨损等任何其他破坏过程的能力。本文以表3配合比混凝土为例，对混凝土抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀性能进行试验研究。试验选用28 d电通量来评定混凝土抗氯离子渗透性能。一般认为[8]硫酸钠和硫酸镁都能对混凝土产生腐蚀，但是硫酸镁对混凝土强度腐蚀的影响要比硫酸钠大。因此设计采用10% Na2SO4+5% MgSO4的硫酸盐溶液进行混凝土抗硫酸盐侵蚀的干湿循环试验，混凝土耐久性试验结果见表5。

由表5可知，在坍落度、扩展度基本相同的条件下，掺防腐材料的混凝土较不掺的基准混凝土和抗硫水泥混凝土电通量减小；在10% Na2SO4+5% MgSO4硫酸盐溶液的侵蚀试验中，掺抗硫酸盐侵蚀防腐材料的混凝土60次、90次干湿循环抗压强度耐蚀系数均大于不掺的基准混凝土和抗硫水泥混凝土，且其90次干湿循环后的抗压强度耐蚀系数达到91.1%，远大于基准混凝土的54.9%和抗硫水泥混凝土的77.2%。说明SSP不仅抗硫酸盐侵蚀作用效果显著，而且能够有效提高混凝土的抗渗透能力。

表5　SSP型防腐剂对混凝土耐久性的影响

SSP型防腐剂的比表面积为478 m2/kg，细度显著大于水泥的细度，其颗粒广泛分布于水泥浆体中的水泥颗粒之间，有助于形成更紧密的颗粒堆积，提高混凝土胶凝体系的密实性，密实孔结构，提高混凝土抗渗、抗侵蚀性能。同时，防腐剂中的膨胀抗裂组分可使混凝土产生微膨胀作用，减少收缩开裂，降低外部侵蚀介质进入的概率，减少混凝土内部液相中的有害离子成分，防止Cl-在混凝土孔隙中的迁移，提高混凝土耐久性能。

3.3化学结合水试验

图1　化学结合水随龄期的变化规律Fig.1　Changes of chemical combined water with age

硬化水泥浆体中的化学结合水是以氢氧根离子或中性水分子的形式存在[6,7]，通过化学键或氢键与其它元素连接，在相同温度、湿度等养护条件下，硬化水泥浆体中的化学结合水量随水化物的增多而增多，随水化程度的提高而增大。因此，化学结合水含量可以作为判定水泥基材料水化程度的一个表征值。试验测得两组净浆试件的3 d、7 d、28 d和56 d四个龄期的化学结合水含量如图1所示。

由图1可知，化学结合水含量随水化龄期不断增加，且0～3 d增长最快；SSP掺入后，各个龄期的化学结合水含量均高于纯水泥组，说明SSP的掺入促进了水泥基胶凝材料的水化进程，这一结论与前面掺加SSP混凝土在各龄期具有较高的强度相一致。

3.4SEM试验

基准混凝土与SSP混凝土的3 d、28 d水化产物SEM照片如图2～5所示。

由图2～5可以看出：随着水化龄期的延长，基准混凝土和SSP混凝土的浆体结构均变得更加密实。但是，掺抗硫酸盐侵蚀防腐剂的混凝土较基准混凝土结构更加密实；与基准混凝土相比SSP混凝土3 d、28 d有更多的细针状、棒状的AFt以及大量不规则扁平粒子的C-S-H凝胶生成。

综上所述，SSP的掺入可有效促进水泥水化反应地进行，生成较多的细针状、棒状的AFt和不规则扁平粒子的C-S-H凝胶，使得结构更加致密，提高混凝土综合性能。

图2　3 d龄期基准混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×3000)Fig.2　3 d reference(a) and SSP(b) concrete (×3000)

图3　3 d龄期基准混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×5000)Fig.3　3 d reference(a) and SSP(b) concrete(×5000)

图4　28 d龄期基准混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×3000)Fig.4　28 d reference(a) and SSP(b) concrete (×3000)

图5　28 d龄期基准混凝土(a)和SSP混凝土(b)(×5000)Fig.5　28 d reference(a) and SSP(b) concrete (×5000)

4　结　论

(1)在混凝土中掺入SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂，混凝土不仅工作性能得到改善，而且不同龄期的抗压强度值提高；

(2)在混凝土中掺入SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂，混凝土28 d电通量值减小，抗氯离子渗透、抗硫酸盐溶液侵蚀性能优良；

(3)从3 d、7 d、28 d和56 d化学结合水含量来看，SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂的掺入，能够提高混凝土各个龄期的化学结合水含量，促进水泥基胶凝材料的水化进程；

(4)从3 d和28 d的SEM照片分析得出，SSP型抗硫酸盐侵蚀防腐剂的掺入可有效促进水泥水化反应地进行，生成较多的细针状、棒状的AFt和不规则扁平粒子的C-S-H凝胶，使得结构更加致密，提高混凝土综合性能。

[1] 混凝土研究协会．混凝土耐久性研究与工程应用手册[M]．中国科技文化出版社，2008：36-41．

[2] 张德峰，吕志涛．现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及其特点[J]．工业建筑，2000，30(11)：1-4．

[3] 张存厚，韩国良．预应力硅结构耐久性的研究[J]．内蒙古电力技术，2003，21：132-134．

[4] 张迪，刘斌云，徐天杰．防腐剂对混凝土抗硫酸盐性能影响的试验研究[J]．混凝土，2013，10：95-97．

[5] 史洪微，刘福春．海洋防腐涂料的研究进展[J]．腐蚀科学与防护技术，2010(1)：43-46．

[6] 姚玉梅，施惠生，施韬．高性能水泥-煤矸石体系水化反应程度的测定[J]．水泥，2006，33(9)：1-4．

[7] 张慢．化学外加剂对水泥水化作用的调控及作用机理[D]．武汉：武汉理工大学，2010．

[8] Young-Shik Park，Jin-Kook Suh，Jae-Hoon Lee，et al．Strength deterioration of high strung the concrete in sulfate environment[J]．CementandConcreteResearch，1999，29：1397-1402．

Effect and Mechanism of Sulfate Corrosion-Resistance Admixture on Concrete Performance

XUYa-li1,ZHANGPei-yu2

(1.Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451150, China;2.Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

In this paper, the SSP corrosion-resistance admixture and ordinary Portland cement are mixed and used in concrete test.Then the effect and mechanism of sulfate corrosion-resistance admixture on concrete performance are studied. The test results show that the incorporation of SSP corrosion-resistance admixture, the concrete not only has better working performance and mechanical properties, but also has better resistance to chloride ion penetration,and sulfate corrosion-resistance. The SSP corrosion-resistance admixture incorporation, can improve the concrete ages chemical combined water content, to promote the hydration process of cement based materials, produce more fine acicular, rod of ettringite and irregular flattened particles of C-S-H gel, which makes the structure more compact and improve the comprehensive concrete performance.

sulfate corrosion-resistance admixture;chemical combined water;C-S-H gel;ettringite(AFt)

徐雅丽(1989-)，女，硕士，助教.主要从事新型建筑材料及混凝土结构方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2304-05