Na_%282%29SO_%284%29侵蚀环境对超早强水泥灌浆材料强度形成的影响机制.pdf

第 卷 第 期 年 月山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者:董传啸男.通信作者:刘建平女.文章编号:()侵蚀环境对超早强水泥灌浆材料强度形成的影响机制董传啸 李兵 张家华 吴笑玥 刘建平 任皎龙(山东理工大学 建筑工程与空间信息学院 山东 淄博)摘要:水泥灌浆材料因其高流态、超早强的工程特性被广泛应用于构筑物修复与加固工程但其服役环境较为复杂常会受到以盐离子为代表的外界介质的侵蚀 为了揭示盐蚀环境对超早强水泥灌浆材料()强度形成的影响机制以硫酸钠为研究对象分析了盐溶液浓度和侵蚀时间对 强度、微观构造和水化产物的影响规律 研究结果表明:浓度越大的硫酸侵蚀环境下 的变化越明显浸泡时间越久变化越明显在侵蚀初期 强度较未侵蚀时略有所上升随着 溶液浓度和侵蚀时间的增加 的抗折强度逐渐降低随着 溶液浓度的增加早期水化产物 晶体与硫酸钠反应生成石膏从而增加了试件强度关键词:水泥灌浆材料硫酸钠强度形成侵蚀微观中图分类号:文献标志码:():.().:水泥灌浆材料因其高流态、超早强的工程特性被广泛应用于构筑物修复与加固工程但其服役环境较为复杂常会受到以盐离子为代表的外界介质的侵蚀 以硫酸盐为例长期浸泡在硫酸盐环境下的水泥基材料会出现由边角向内部逐层侵蚀导致水泥试件膨胀、开裂和剥落同时生成石膏等具有膨胀性的产物严重影响其强度因此研究硫酸盐侵蚀环境下水泥灌浆材料的强度特征具有科学价值和工程意义陈达等通过建立硫酸盐侵蚀水泥基材料的弹塑性化学损伤本构模型发现能够很好地预测受腐蚀水泥基材料在受压作用下的弹性、塑性及损伤特征 陈四利等研究发现水泥土的抗剪强度随着硫酸钠溶液浓度的增加而逐步降低 等建立了硫酸盐侵蚀水泥模型发现水泥石强度随着硫酸盐浓度变化而改变 方祥位等研究发现水泥砂浆试件的水灰比越大、胶砂比越小、比表面积越大则硫酸盐侵蚀速度越快 张景富等研究发现当硫酸盐腐蚀低于 时水泥石强度随腐蚀时间及 浓度的增加而增大 熊良宵等发现当水泥基材料试件在侵蚀时受到的应力相同且比较小时经 溶液侵蚀后试件的单轴抗压强度高于经水浸泡后的试件 谢松林等通过实验研究发现水泥砂浆的劣化主要是硫酸钠结晶导致的降低水灰比能显著提高水泥砂浆抵抗硫酸盐侵蚀的性能 陈四利等研究发现当硫酸钠浓度大于./时对水泥土具有腐蚀破坏效应且硫酸钠溶液腐蚀效应大于氯化钠溶液腐蚀效应 等研究发现了硫酸盐侵蚀混凝土主要产物为石膏钙矾石和铜铝石 王金川等实验表明增加水灰比和环境中硫酸根离子浓度都会加速侵蚀破坏可以看出现有文献对硫酸钠侵蚀下的传统水泥混凝土强度特征开展了深入研究然而水泥灌浆材料因其超早强和高流态的独特工程特性其强度形成机制与传统水泥混凝土具有显著差异而现有研究鲜有涉及硫酸盐对水泥灌浆材料的侵蚀机制分析 鉴于此本文以超早强水泥灌浆材料()为研究对象探讨了硫酸钠浓度和侵蚀时间对 强度特征、微观构造和水化产物的影响揭示硫酸钠对其强度形成的影响机制研究结果具有一定工程参考价值 原材料本文采用的 基准配方涉及四种原材料:.硅酸盐早强水泥、聚羧酸高效减水剂、铝酸盐类速凝剂、膨胀剂其技术参数见表 至表 表 水泥技术参数安定性凝结时间/抗折强度/抗压强度/初凝终凝 合格.表 减水剂技术参数减水率/密度/()氯离子含量/碱含量/泌水率/抗压强度比/.表 速凝剂技术参数凝结时间/初凝终凝细度/含水量/抗压强度比/抗压强度/.表 膨胀剂技术参数氧化镁/含水率/总碱量/氯离子/比表面积/().筛余/.筛余/.的力学强度变化规律 在质量浓度为、的硫酸钠溶液中分别侵蚀、下的抗压抗折强度见表 由表 可看出:标准养护条件下 的抗压、抗折强度随侵蚀时间的增加而增加侵蚀初期增加较快 当侵蚀时间超过 时强度增长趋于平缓表明本文所研究的 在 侵蚀时间时完成大部分水化作用强度已基本形成侵蚀初期同一硫酸钠溶液浓度下的试件强度随着侵蚀时间的增加逐渐增加这表明早强水泥的水化作用在早期(左右)就已进行的比较充分此时硫酸钠溶液的侵蚀作用弱于材料的水化作用此外侵蚀初期硫酸钠溶液中的大量的硫酸根会与 的水化产物反应生成钙矾石和少量石膏增强 的强度故早期浸泡在硫酸钠溶液中的试件强度均高于未浸泡试件的抗压、抗折强度然而第 期 董传啸等:侵蚀环境对超早强水泥灌浆材料强度形成的影响机制表 抗压抗折强度侵蚀时间/溶液浓度/抗折平均值/抗压平均值/.随着侵蚀时间的增加生成的过量石膏会将试件中的空隙撑开形成裂缝薄弱面致使硫酸根离子更易侵蚀到材料内部降低材料强度因此侵蚀中后期时抗折强度随着侵蚀时间的增加而减小随着硫酸钠溶液浓度增加侵蚀 和 的试件的抗压抗折强度先增加后减小其中侵蚀液浓度为 时试件的抗折强度最大侵蚀 和 的试件抗压抗折强度逐渐减小此外同一溶液浓度下 侵蚀下的水泥试件的抗折强度最大而 侵蚀时间下的水泥试件的抗压强度最大这表明随着硫酸钠溶液浓度增加早期水化产物 晶体与硫酸钠反应生成石膏增加试件强度此外试件的抗压强度与抗折强度对于侵蚀时间的侵蚀条件的敏感度不同 的微观结构变化规律 水化产物对材料强度具有决定性的影响因此通过扫描电镜观察水化产物的微观结构变化来研究 的劣化机制侵蚀、的 的电镜图如图、图、图、图 所示 未侵蚀即代表 浓度的溶液()未侵蚀(即标准养护)()溶液 ()溶液 ()溶液()溶液图 侵蚀 后材料微观形貌由图 可看出:标准养护条件下养护 的 中絮状 凝胶和钙矾石 晶体就已形成纤维状 凝胶交叉攀附分散的水泥颗粒及水化产物联结起来构成三维空间牢固结合较密实的整体提升材料的强度 该现象说明 的早期水化效果较为显著达到了早强效果 由图、图、图 可看出在标准养护条件下凝胶随着龄期的增长而增加微观结构的致密性逐步加强孔洞逐步减小但 后变化趋势渐不明显说明养生 后 的水化作用进程变缓 和 (图 和图)的 电镜图的相差已不大说明此时材料水化已基本完成山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年()未侵蚀(即标准养护)()溶液 ()溶液 ()溶液()溶液图 侵蚀 后材料微观形貌()未侵蚀(即标准养护)()溶液()溶液 ()溶液()溶液图 侵蚀 后材料微观形貌由图 至图 的()、()、()、()可看出在()未侵蚀(即标准养护)()溶液()溶液 ()溶液()溶液图 侵蚀 后材料微观形貌侵蚀时间达到 之前不同 浓度下的裂隙并无显著差别而表现为团块状的石膏随着浓度的增加而增加而这也可能是侵蚀初期 强度增长的原因在侵蚀时间超过 之后 的裂隙随着溶液浓度的增加而增多且随着侵蚀时间的延长而愈加明显说明此时侵蚀作用愈加强烈表现为同阶段 宏观强度的大幅度衰减 的水化产物变化规律.图 为不同条件下的 的衍射图谱为分析标准养护条件下和硫酸钠溶液侵蚀条件下的 水化进程对水化产物 晶体的含量作定量分析 图 所示为硫酸钠溶液侵蚀作用下的 随着侵蚀时间和溶液浓度变化情况下 晶体衍射峰强度高低的变化曲线从图 可看出标准养护条件下 中 晶体衍射峰强度随着侵蚀时间的增加而减小养护前期衍射峰强度下降快养护后期衍射峰强度下降缓慢这是由于 经过 水化作用将生成的大部分 晶体转化为 凝胶材料抗折强度第 期 董传啸等:侵蚀环境对超早强水泥灌浆材料强度形成的影响机制()未侵蚀()侵蚀 ()侵蚀 ()侵蚀 ()侵蚀 图 衍射图谱提升 随着侵蚀时间的增加 晶体衍射峰强度先减小后增加又减小这种变化过程是由于水化初期 晶体会转变成凝胶 晶体衍射峰强度下降()强度随侵蚀时间变化规律()强度随侵蚀浓度变化规律图 晶体衍射峰强度曲线.图 为不同硫酸钠溶液浓度下 曲线其中第一个吸热峰为 凝胶与 的脱水效应和水泥内部材料自由水的蒸发第二个峰为 晶体的分解峰面积即分解所需热量 由于篇幅所限各组实验的 原始曲线不再赘述山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年图 热重曲线图、图 和图 为 凝胶和钙矾石随着、侵蚀时间与、和 的溶液浓度的质量损失和峰面积变化曲线()质量随侵蚀时间变化规律()质量随侵蚀浓度变化规律图 钙矾石和凝胶质量损失曲线从图 可看出标准养护条件下钙矾石和 凝胶的质量损失先增加后逐渐趋于平缓前 损失的质量最多 到 质量损失次之 如图所示随着侵蚀时间的增加硫酸钠溶液环境下侵蚀的 中的钙矾石和 凝胶的质量损失先增加后减小在 侵蚀时间时钙矾石和 凝胶的质量损失达到最大并且材料的钙矾石和 凝胶损失的更明显从图 可看出标准养护条件下钙矾石和 凝胶的峰面积先增加后减小 时峰面积最大 如图 所示随着侵蚀时间的增加硫酸钠溶液环境下侵蚀的 中的钙矾石和 凝胶的峰面积先增加后减小在 侵蚀时间时钙矾石和 凝胶的峰面积达到最大并且材料的钙矾石和 凝胶峰面积变化的更明显()峰面积随侵蚀时间变化规律()峰面积随侵蚀浓度变化规律图 钙矾石和凝胶峰面积曲线图 和图 为 晶体随着、的侵蚀时间与、和 的溶液浓度的质量损失和峰面积变化曲线从图 可看出标准养护条件下 晶体质量损失逐渐减小其中前 内的 晶体质量损失较大 如图 所示随着侵蚀时间的增加硫酸钠溶液环境下侵蚀的 中的 晶体的质量损失先减小后增加侵蚀 时 晶体的质量损失达到最小 并且材料的 晶体损失的更明显从图 可看出标准养护条件下 晶体的峰面积逐渐减小其中前 侵蚀时间内的 晶体峰面积较大 随着侵蚀时间的增加硫酸钠溶液第 期 董传啸等:侵蚀环境对超早强水泥灌浆材料强度形成的影响机制()质量随侵蚀时间变化规律()质量随侵蚀浓度变化规律图 晶体质量损失曲线()峰面积随侵蚀时间变化规律()峰面积随侵蚀浓度变化规律图 晶体峰面积曲线环境下侵蚀的 中的 晶体的峰面积先减小后增加在 侵蚀时间时的 晶体的峰面积达到最小并且材料的 晶体峰面积变化的更明显随着硫酸钠溶液浓度的增加养生 和 的 中 晶体的峰面积先减小后增加其中溶液浓度为 时 晶体的含量最小、养生 和 的 中 晶体的峰面积逐渐增加 养生 后已基本完成水化水化生成的 晶体将转变为 凝胶 晶体含量减少 凝胶数量增加所以钙矾石和 凝胶在前 的质量损失和峰面积增加、晶体在前 质量损失和峰面积减小 硫酸钠侵蚀液会与少量 晶体发生反应生成硫酸钙(石膏)在石膏存在时 的水化生成钙矾石少量的钙矾石附着在 晶体表面阻碍了 晶体向 凝胶转变导致 后 晶体累积、钙矾石含量增加所以钙矾石和凝胶的质量损失和峰面积在 后增加、晶体在 后质量损失和峰面积增加 当石膏消耗完毕后又能与钙矾石继续反应生成单硫型硫铝酸钙所以 到 侵蚀时间下的 凝胶和钙矾石质量损失和峰面积下降 结论本文以硫酸钠为研究对象基于抗压抗折强度试验、试验、试验和 试验研究了盐溶液浓度和侵蚀时间对高流态超早强水泥灌浆材料强度形成的影响主要结论如下:)硫酸侵蚀环境下不同浓度的硫酸对 的侵蚀程度不同浓度越大变化越明显侵蚀时间越久变化越明显)在侵蚀初期中的 离子会与 晶体生成硫酸钙石膏晶体 强度反而较未侵蚀时略有上升但随着 溶液浓度和侵蚀时间的增加 晶体向 凝胶转变的过程受到离子的阻碍相对脆弱的 晶体大量累积形成层状结构并被 离子侵蚀破坏造成 的抗折强度逐渐降低)同一溶液浓度下 侵蚀下的水泥试件的抗折强度最大而 侵蚀时间下的水泥试件的抗压强度最大 这表明随着硫酸钠溶液浓度增加早期水化产物 晶体与硫酸钠反应生成石膏增加试件强度山 东 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版)年参考文献:陈达 廖迎娣 侯利军 等.受硫酸盐侵蚀水泥基材料力学性能及本构模型.建筑材料学报 ():.陈四利 张精禹 宁宝宽等.硫酸钠溶液对水泥土抗剪强度的影响试验.水利水电科技进展 ():.():.方祥位 申春妮 杨德斌 等.混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究.建筑材料学报():.张景富 王珣 王宇 等.油井水泥石硫酸盐侵蚀.硅酸盐学报 ():.熊良宵 陈聪.海水侵蚀下混凝土徐变性能的试验研究.硅酸盐通报 ():.谢松林 王起才 代金鹏 等.低温和干湿循环双重环境下水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀试验研究.长 江 科 学 院 院 报 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