硫铝酸盐水泥混凝土抗氯离子侵蚀机理分析.pdf

第 1 4卷 第 3期 2 0 1 1年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATERI AL S Vo 1 1 4， No 3 J u n ， 2 0 1 1 文章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9( 2 0 1 1 ) 0 3 0 3 5 7 0 5 硫铝酸盐水 泥混凝 土抗氯离子侵 蚀机理分析 赵军 ， 蔡 高创 ， 高丹盈 ( 郑州 大学 土 木工 程学 院 ， 河南 郑 州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 采用欧洲 B UI L D 4 9 2 非稳态氯离子迁移试验法 测定普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥混凝 土的 氯 离子非稳 态扩散 系数 ， 应 用 X射 线衍 射 分 析 ( X RD ) 、 扫 描 电镜 分析 ( S E M) 以及 孔 结 构 分析 分别 对这种 水 泥水化 产 物和 水泥 石 内部 结 构进 行研 究 ， 并 对 其抗 氯 离子侵 蚀 性 能及 其 抵 抗机 理 进 行 了研究分析 结果表 明： 硫铝酸盐水泥是提 高混凝 土抗氯盐侵蚀性 能的一种理 想胶凝材料 随着 水灰 比 的降低 ， 硫铝 酸 盐水 泥的 抗氯 离子侵 蚀 能 力逐 渐增 强 关 键 词 ：硫铝 酸 盐水 泥 ；混凝 土 ；氯 离子 ； 扩散 系数 ； 孔 结构 ；结合 氯 离子 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 1 文献标 志 码 ： A d o i ： l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 1 0 3 0 1 3 Ana l y s i s o f M e c ha n i s m o f Re s i s t a n c e t o Chl o r i d e I o n Er o s i o n o f S u l p ho a l u mi na t e Ce me n t Co nc r e t e ZHAO J u n， C AI Ga o c h u a n g， GAO Da n y i n g ( Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Zh e n g z h o u Un i v e r s i t y，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：F o r me a s u r i n g c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f Po r t l a n d c e me n t c o n c r e t e a n d s u l p h o a l u mi n a t e c a - me nt ba s e d c o nc r e t e，t he m e t ho d o f c hl o r i de m i g r a t i o n c o e f f i c i e nt f r o m no n s t e a d y s t a t e e xp e r i me n t s i s a d op t e d And t he i r c e m e n t h yd r a t i on pr o d uc t s a nd i n t e r na l s t r uc t ur e we r e r e s e a r c h e d by t he a p pl i c a t i o n of X r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s ( XRD)a n d s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y a n a l y s i s ( S EM ) Ac c o r d i n g t o t h e a b o v e s t ud i e s ，t he r e s i s t a n c e t o c hl o r i de i o n e r os i o n o f s ul p ho a l umi na t e c e me n t a n d t he r e s i s t a nc e m e c ha ni s m of t he c e m e n t we r e a n a l yz e d The r e s ul t s s ho w t ha t s u l ph oa l u m i n a t e c e me nt i S a n i d e a 1 c e m e nt i t i ou s ma t e r i a l whi c h c a n s i g ni f i c an t l y i mpr o v e t he r e s i s t a nc e t o c h l o r i d e i o n e r o s i o n of t he c o nc r e t e At t h e s a m e t i me， t he p e r f o r ma nc e of t h e c e me n t i s gr a du a l l y i mpr o ve d wi t h t he l o we r wa t e r - c e m e nt r a t i o Ke y wo r ds ：s u l p h o a l u mi n a t e c e me nt ；c o nc r e t e；c h l o r i d e ；d i f f us i o n c o e f f i c i e n t ；p o r e s t r u c t u r e ；bo n d c hl or i d e 国内外大量研究表明 ， 引起钢筋混凝土结构破 坏的主要原因是钢筋锈蚀， 而引起钢筋锈蚀 的主要 原因是环境中氯离子 的侵蚀， 因此混凝 土的抗氯离 子侵蚀 性 能将 直 接 影 响 钢 筋混 凝 土结 构 的耐 久 性 我 国拥 有 1 8万 k m 的海 岸 线 ， 还 有 一 定 数 量 的盐 湖和大面积的盐碱地 ， 其附近的钢筋混凝土结构必 然受氯离子 的 自然侵入而使其使用寿命大大缩短 另外 ， 北方地 区道路使用的除冰盐也对公路混凝土 结构造成了严重侵蚀 大量研究_ 1 。 表明： 随着水灰 比的降低 ， C 3 A含量 增大， 部分 A与氯离子反应生成氯铝酸盐 3 C a O Al 2 O 3 C a C 1 2 1 0 H2 O( 即 F r i e d e l 盐) ， 使水泥固化 氯离子能力增强， 扩散系数变小 ； 掺加粉煤灰或硅灰 等是提高混凝土抗氯离子渗透能力 的有效 途径 ， 其 原 因是 由于矿 物 细掺 料 能 提 供 更 多 的铝 相 ， 有助 于 胶凝材料以化学结合 的形式固化氯离子 但是 ， 这也 可能使混凝土产 生早期收缩裂缝 ， 增加许多不安全 因素u 混凝 土 中氯离 子 的扩散 主要 由两 个 基本 因 素决定： 一是对氯离子渗透的阻碍能力 ； 二是对氯离 子的物理、 化学结合能力 ， 也称固化能力_ 5 硫铝酸盐 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 2 0 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 0 1 1 2 2 基金项 目： 教育部新世纪优秀人才支持计划项 目( NC E T 一 1 0 0 1 2 5 ) ； 河南省杰出青年科学基金资助项 目( 0 6 1 2 0 0 2 3 0 ) 第一作者 ： 赵军( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 河南漯河人 ， 郑州大学教授 ， 博 士 E ma i l ： z h a o j z z u e d u a n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 O 建筑材料学报 第 卷 凝 土 的细孔 孔 隙孔半 径为 0 0 1 O 0 3 m， 而且 ， 硫 铝酸盐水泥混凝土的细孔孔隙和总孔隙体积均小于 普通硅 酸盐 水泥 混凝 土 表 4 2种水泥混凝土不同孔径孔 隙的体积分布情况 T a b l e 4 Vu me d i s t r i b u t i o n o f p o r o s i t y wi t h v a r i o u s p o r e s i z e s 罩 曼 呈 2 耋 0 0 1 0 0 2 O 0 - 3 O 0 4 0 0 5 O Po r e r a d i us z n 图 5 2种水 泥混凝土 的细孔孔隙分布图 Fi g 5 P o r e d i s t r i b u t i o n f o r t wo k i n d o f c o n c r e t e s 2 5 结合 氯离 子性能 2 种水泥砂浆的水溶性氯离子和总氯离子含量 见表 5 ， 其 中 P MI ， S M1 分 别 表 示硅 酸 盐 、 硫 铝 酸 盐 水泥 砂 浆 从表 5可 以看 出 ， 在 相 同 的条 件 下 ， 硫 铝 酸盐水泥砂浆孔隙溶液 中残 留的氯离子较少， 而通 过化学、 物理结合的氯离子较多， 其结合率均高于普 通硅酸盐水泥砂浆 表 5 2种水泥砂 浆的水溶性氯离子和总氯离子含量 Ta b l e 5 P e r c e n t a g e o fw a te r s o l u b l e a n d t o t a lC1 一 of t woceme n tmo r t a r s PM 1 1 0 5 4 0 0 PM I 2 0 5 4 0 0 PM I 3 0 5 4 0 0 SM I 1 0 5 4 0 0 SM I 2 0 5 4 0 0 S M I 3 0 5 4 00 2 0 1 5 4 7 0 9 67 1 0 I 4 8 0 2 0 1 45 7 0 8 8 7 1 0 1 4 7 6 0 4 8 0 1 7 4 6 2 4 8 0 0 4 9 0 1 7 4 0 2 4 9 0 0 3 2 6 0 7 7 9 1 0 0 0 0 3 4 5 0 8 5 3 1 0 i 4 No t e： i s p e r c e n t a g e o f t h e wa t e r s o l u b l e C1 ( by c e me n t ma s s ) ； Z U i s p e r c e n t a g e o f t h e t o t a l CI ( b y c e me n t ma s s ) ；Wb i s p e r c e n t a g e o f t h e b o n d C1 ( b y c e me nt ma s s ) ，Wh = ( 砒) 3 机理分析 与普通水泥混凝土类似 ， 氯离子在硫铝酸盐水 泥混凝土中的传播扩散是一个复杂 、 随机 、 缓慢的过 程 对处 于不 同环境 中的混凝 土 ， 外 部氯 离子 通过 不 同的方式渗透到混凝土内部 ， 主要方式有吸收、 毛细 管吸入 、 抽吸、 扩散等 由于氯离子是一种活性离子 ， 它在扩散过程中会受到水化物成分、 孔隙溶液成分 的影 响 同时 ， 氯 离子所 处溶 液在混 凝 土 内部 的渗 透 速率也会受到孔隙形状和大小 、 传播路径的扭 曲程 度等因素的影响 因此 ， 混凝土的成分和养护条件对 氯离子扩散有着重要 的影响， 其中水灰 比和水化程 度 为主要 影 响 因素 ， 水灰 比越小 ， 水 化 程 度越 高 ， 扩 散速率也就越低 ， 抗氯离子侵蚀性能也就越好 混凝 土 中水 泥 与 集 料 的交 界 面 相对 比较 薄弱 ， 界 面的氯 离子 扩散 速 率 比水 泥石 中高 ， 不 同 的 混凝 土成分会使界面结 构、 组成成分以及 密实度产生差 异 ， 这也是水泥 品种对氯离子扩散影响的主要原凶 之一 硫铝 酸盐水 泥混 凝土 中 的水 化 物可改 善其 内部 的微观结构， 如钙矾石、 氯铝酸盐和氢氧化镁在孔隙 中沉淀积累 ， 可使混凝土孔 隙率降低 ， 孔隙细化 另 外 ， 钙矾 石具 有膨胀 性能 ， 能有 效阻 碍氯离 子扩 散 胶 凝 材 料 固化 氯 离 子 能 力 与 材 料 中 AF m 相 ( 3 C a O Al 2 O33 C a S O x H2 O) 的形 成 、 转 化 有 密切关 系 一 般 情 况 下 ， 混 凝 土 中 同时 存 在 S ( ) ， C Oi ， C l 一， 而 A F m 与 S O 作 用 形成 的 硫 铝 酸 盐 最稳定 ， 其次是与 c 作用生成的碳铝酸盐 ， 最不 稳定的是 c l与之结合形成 的氯铝酸盐 ， 也就是 说 只有 铝酸盐 与 C 1 反 应 生 成 的 F r i e d e l 盐 起 到 了 固 化氯离子的作用 由文献 1 可知 ， 硫铝酸盐水泥的 主要 成分是 3 C a O 3 A1 。 O 。 C a S O ， 硅 酸二 钙 和铁 相 ， 其 主要 水化产 物是 钙矾 石 ， 低 硫型 水化硫 铝 酸钙 ( 3 C a O A1 。 O。3 C a S O 1 2 H： O) 以及 铝 胶 和铁 胶 ， 这些水 化产 物 的存在 使孔 隙溶 液 中的 S O ， C O 被 充分 结 合 消 耗 ， 促 使 氯 离 子 置 换 硫 铝 酸 盐 水 泥混凝 土 中钙矾 石 的硫 酸根 形成 F r i e d e l 盐 ， 从 而 达 到 固化 氯离 子 的 目的 综 上所述 ， 硫 铝 酸盐 水 泥 是 提 高混 凝 土 结 构 抵 抗氯盐侵蚀性能的一种理想胶凝材料 4 结论 ( 1 ) 水灰 比和水泥 品种是影 响混凝土氯离子扩 散性能的重要因素 随着水灰 比的减小 ， 硫铝酸盐水 泥的抗氯离子蚀性能显著提高 ( 2 ) 与普通硅酸盐水泥混凝土相比， 硫铝酸盐水 泥混凝土的氯离子扩散系数明显降低 ， 抗氯离子侵 蚀 的能力 显著 提高 加 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 赵军 ， 等 ： 硫铝酸盐水泥混凝土抗氯离子侵蚀 机理 分析 3 6 1 ( 3 ) 与普通硅酸盐水泥混凝土相比， 硫铝酸盐水 泥混凝土的细孔孔 隙和总孔隙体积明显减小 ， 而且 其 固化氯 离子 的能力 显 著提 高 参 考 文献 ： 1 3 刘秉京 混凝土结构耐久性设 计 M 北京 ： 人 民交 通 出版社 2 0 0 3： 1 2 1 1 4 7 2 3 4 L I U B i n g - j i n g D u r a b i l i t y d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s M B e i j i n g ： C h i n a C o mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 3 ： 1 2 1 - 1 4 7 ( in C h i n e s e ) H OOG K， H0OTON R DEf f e c t o f c y c l i c c h l o r i d e e x p os u r e o n p e n e t r a t i o n o f c o n c r e t e c o v e r J Ce me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r h， 1 9 9 9， 2 9 ( 9 )： 1 3 7 9 1 3 8 6 TH0M AS M D A 。 B A M F ORTH P B M o d e l l i ng c h l o r ide d i f f u s i o n i n c o n c r e t e ： E f f e c t o f f l y a s h a n d s l a g J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 9， 2 9 ( 4 )： 4 8 7 49 5 王复生 ， 朱 元娜 ， 马金龙 ， 等 氯化钠 对掺磨细矿渣 粉硅酸盐 水 泥基材料活性 激发能力和结合 方式影 响的试验研 究 J 硅 酸 盐通报 。 2 0 0 9 ， 4 ( 2 8 ) ： 7 8 4 7 9 1 W ANG Fu s h e n g， ZHU Yu a n n a， MA J i n l o n g， e t a 1 Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h o f s o d i u m c h l o r ide o n a c t i v a t ion a n d b i n d i n g mo d e o f s l a g P o r t l a n d b l e n d c e me n t J B u l l e t i n o f t h e C h i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 9， 4( 2 8 )： 7 8 4 7 9 1 ( i n Ch i n e s e ) 5 1 王绍东 ， 黄煜镔 ， 王智 水泥组分对 混凝 土固化氯离子能力 的影 响 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 6 ) ： 5 7 0 - 5 7 4 W ANG S ha o d o n g。 H UANG Yu b i n， W ANG Zh i Co n c r e t e r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i n g r e s s ： E f f e c t o f c e me n t c o mp o s i t i o n J J o u r na l o f t h e Ch i n e s e Ce r a mi c S o c i e t y， 2 0 0 0， 2 8( 6 )： 5 7 0 5 7 4 ( i n Ch i n e s e ) ， 6 王燕谋 ， 苏慕珍 ， 张量 硫 铝酸盐水 泥 M 北 京： 北京工业大 学 出版社 ， 1 9 9 9 ： 1 7 9 2 2 2 W ANG Ya n mo u S U M u z he n。 ZHANG Li a n g S ul p h o a l u mi n a t e c e me n t M B e ij i n g ： B e i j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Pr e s s ， 1 9 9 9： 1 7 9 2 2 2 ( i n Ch i ne s e ) 7 WANG L a n ， GL AS S E R F P Hy d r a t i o n o f c a l c i u m s u l p h o a l u mi n a t e c e me n t s J Ad v a n c e s i n C e me n t Re s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 8 ( 3 1 )： 1 2 7 - 1 3 4 8 1 s AHU S ， HAVL I C A J ， T0MKOV AV， e t a 1 Hy d r a t i o n b e h a v i o u r o f s u l p h o a l u m ina t e b e l i t e c e me n t i n t h e p r e s e nc e o f v a r i o u s c a l c i u m s u l p h a t e s J Th e r mo C h i mi c a Ac t a ， 1 9 9 1 ， 1 7 5 ( 1 ) ： 4 5 5 2 9 B I RNI N YAUR I U A， G LAS S E R F P F r i e d e l s s a l t ， C a 2 AI ( OH) 6 ( el ， 0H)2 H2 O： I t s s ol i d s ol u t i o n s a n d t he i r r o l e i n c h l o r i d e b i n d i n g J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 7 1 3 1 7 2 3 ( 上接第 3 4 9页 ) 8 TAB AKO F F W S t u d y o f s i n g l e s t a g e a x i a l f l o w c o mp r e s s o r 9 1 O p e r f r o ma n c e d e t e r i o r a t i 0 n J we a r ， 1 9 8 7 ， 1 1 9 ( 1 ) ： 5 1 6 1 黄细彬 ， 袁 银忠 含沙高 速水 流的磨 蚀机理 和掺 气抗磨 作用 J 1 水利与建筑工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 ( 1 ) ： 1 - 5 HU ANG Xi b i n， YUAN Yi n z ho n g M e c h a ni s m o f a b r a s i o n t 0 ma t e r i a l by h i g h - v e l o c i t y s e d i m e n t - l a d e n f l o w a n d e f f e c t o f a e r a t i o n o n a b r a s i o n r e s i s t a n c e J J o u r n a l o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e r i n g， 2 0 0 6， 4(1 )： 1 - 5 ( i n Ch i n e s e ) 李亚杰 水工混凝土 沙粒磨 损估 算 方法 J 水 利 学报 ， 1 9 8 9 ( 7 ) ： 6 0 6 6 L I Ya j i e E s t i ma t i o n me t h o d o f s a n d we a r t o h y d r a u l i c c o n c r e t e J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 9 ( 7 ) ： 6 0 6 6 ( i n Ch i ne s e ) I n F I NNI E I S o me r e f l e c t i o n s o n t h e p a s t a n d f u t u r e e r o s i o n J We a r ， 1 9 9 5 ， 1 8 6 1 8 7 ( p a r t I) ： 卜1 O 1 2 1 3 1 4 1 5 B I T TE R J G A A s t u d y o f e r o s i o n p h e n o me n a ( P a r t I) J We a r ， 1 9 6 3， 6 ( 1 )： 5 - 2 1 B I T TE R J G A A s t u d y o f e r o s i o n p h e n o me n a ( P a r t) J we a r ， 1 9 6 3， 6 ( 3 )： 1 6 9 - l 9 0 W OOD C n Er o s i o n o f me t a l s b y t h e h i g h s p e e d i mp a c t o f s a n d a n d d u s t p a r t i c l e s ( U I ) C An n u a l T e c h n ic a l Me e t i n g P r o c e e d i n g s s 1 _ ： I n s t i t u t e o f E n v i r o n me n t S c i e n c e 1 9 6 6 ： 5 5 6 3 NEI LS ON J H， GI LCHRI S T A Er o s i o n by a s t r e a m o f s o l i d p a r t i c l e s J We a r ， 1 9 6 8 ， 1 1 ( 2 ) ： 1 1 1 - 1 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m