混凝土在MgCl2与Na2SO4复合溶液中的抗腐蚀性.pdf

第 2 6卷第 1 期 2 0 0 9年 3月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f H U S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) V0 1 26 No 1 Ma r 2 Oo 9 混凝土在 Mg C I 2与 N a 2 S O ,复合溶液中的抗腐蚀性 周 鹏， 余红发， 杨礼明 ( 南京航空航天大学土木工程系， 江苏南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要 ： 研究 了粉煤灰混凝土 ( F l y a s h c o n c r e t e ， F A C ) 、 大掺量矿物掺合料混凝土 ( C o n c r e t e w i t h h i s r c o n t e n t m i n e r a l a d m i x t u r e ， H C MC ) 和绿色高耐久性混凝土( G r e e n h i g h d u r a b l e c o n c r e t e， G HD C) 在 ( 5 M g C 1 2 + 5 N a 2 S O 4 ) 复合溶液中的长期侵蚀作用与干湿循环作用下的化学腐蚀行为。结果表明， 在复合溶液的长期侵蚀作用下， G H D C具备比较好的抗腐蚀性能； 在复合溶液的干湿循环作用下， HC MC的抗腐蚀能力比较强。因此， G H D C适 合于长期的侵蚀环境中， 而HC MC则更加适合于干湿交替的严酷条件。 关键词： 混凝土； 复合溶液； 化学腐蚀； 于湿循环 中图分类号 ： T U 5 2 8 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 1 - 0 0 9 4 - 0 4 现代混凝土技 术正 向高性能 、 多功能方向发 展 ， 在混凝土 中应用粉煤灰 、 矿渣 、 硅灰等矿物掺 和料 ， 能改善混凝土的各项性能， 尤其是对其耐久 性的提高有显著效果， 并且还能节约能源和资源 、 减轻环境负荷 ， 其环保意义巨大。因此 ， 矿物掺和 料成为现代混凝 土材料 中不可或缺 的组分， 其应 用越来越广泛。矿物掺和料混凝土的抗腐蚀性研 究 已经成为一个十分紧迫的研究课题 。 迄今为止 ， 已经对混凝土在镁盐侵蚀、 硫酸盐 侵蚀等因素作用下 引发的耐久性 问题 ， 进行了较 多的研究工作 ， 并取得 了大量研究 成果 。但 是 ， 关于 Mg C I 、 N a S O 对混凝土复合腐蚀的研究 比较少。本文主要研究了粉煤灰混凝土( F l y a s h c o n c r e t e ， F A C ) 、 大掺量矿物 掺合料混凝土 ( C o n c r e t e w i t h h i g h c o n t e n t m i n e r a l a d mi x t u r e ， H C M C) 和绿色高耐久性混凝土 ( G r e e n h i g h d u r a b l e c o n c r e t e， G H D C ) 在( 5 M g C 1 2 + 5 N a 2 S O 4 ) 复合溶 液的长期侵蚀作用与干湿循环作用下的化学腐蚀 行为及其规律。 1 实验 1 1 原 材 料 采用 江苏嘉新京阳水泥厂生产的 P I I 5 2 5 R 硅酸盐水 泥 ， 镇江 产风选 I级粉 煤灰 ( F l y a s t i ， F A) ， 江苏江南粉磨公司的 $ 9 5级磨细矿渣( S l a g ， S G ) ， 埃肯国际贸易( 上海 ) 有限公司提供 的埃肯 牌微硅粉( S i l i c a f u m e ， S F ) ， 安徽巢湖速凝剂总厂 生产的铝酸盐混凝 土膨胀剂( A l u mi n a t e e x p a n s i o n a g e n t ， A E A) ， 化学成分见表 1 。南京产黄砂 ， 细度 模数 2 7 2 ， 属于 I I 区级配 ， 中砂。南京六合产玄 武岩碎石， 属 于 51 0 m m连续级配。上海华 登 外加剂厂生产的 H P 4 O O R型聚羧酸缓凝高效减水 剂 ， 该外加剂 为液体 ， 减水率 3 0 以上 ， 无氯 离 子 ， 碱含量小于减水 剂干重的 1 。江苏省建筑 科学研究 院生产的 J M B型萘系高效减水剂 ， 黄 褐色粉末 ， 减水 率达2 0 以上 ， N a ： S O 含量小于 表 1 主要原材料的化学成分 ( 质量分数 ， ) 材料 水泥 FA SG AEA S F S i O2 A1 2 O3 Ca O M：s o S O3 F e 2 O3 MnO Ti O2 I L 1 3 0 1 3 O O 36 3 02 5 5 5 2 0 6 O 5 2 3 7 3 3 48 1 9 8 2 93 1 5 0 3 3 2 1 3 1 2 21 1 6 6 2 0 61 6 5 o 6 2 1 6 3 6 3 5 2 8 6 O 0 52 0 61 0 5 6 0 3 0 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 9 - 1 2 作者简介： 周鹏( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 山西侯马人， 硕士研究生， 研究方向为混凝土抗腐蚀性， z h p n u a a 1 6 3 C O I n 。 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 0 1 7 8 0 4 4) ； 江苏省 自然科学基金重点项 目( B K 2 0 0 5 2 1 6 ) 。 一 一 二m 二 4 一 一 一 一 鳃 B L 驺 一 2 0 O 6 5 4 5 5 一 O O O 1 第 1 期 周鹏等 ： 混凝土在 Mg c l 与 N S O 复合溶液中的抗腐蚀性 9 5 2 ， 氯离子含量小于 0 O 1 。江苏省建筑科学 研究院生产的液体 J M- 2 0 0 0 c 高效引气剂， 推荐掺 量为 0 0 0 5 0 0 1 。常州市天怡工程纤维有 限公司生产的束状单丝聚丙烯纤维 ， 密度 0 9 1 g m ， 长度 1 9 m m， 直径 0 0 4 8 m m， 弹性模量 3 5 G P a 。北京海达工顺科技有 限公司生产 的杜强牌 高性能改性聚酯单丝纤维 l # ， 密度 1 3 6 g m。 ， 长 度 1 8 mm， 直径 0 0 3 0 0 6 mm， 弹性模量 l 4l 8 G P a 。北京海达工顺科技有 限公司生产的工顺牌 G S 一 2 0 0 5 3哑铃型钢纤维 ， 长度 2 0 mm， 等效直径 0 4 5 m m， 长径 比4 4 4 ， 弹性模量 2 0 0 G P a 。 1 2 配合 比 实验设计了3种混凝土： 掺加 2 0 F A的粉 煤灰混凝土 ( F A C ) 、 复合掺加 ( 4 0 F A+1 0 S G + 5 S F ) 的大掺量矿物掺合料混凝土 ( HC MC) ， 以及 在 HC MC基 础 上掺 加 0 1 聚 丙烯 纤维 、 0 7 钢纤 维 、 1 0 A E A 和万 分之 0 8 J M一 2 0 0 0 c 高效引气剂的绿色高耐久性混凝土( G H D C ) 。其 中， F A C与 HC MC采用 J M B型萘系高效减水剂 ， G H D C采用 H P 4 0 0 R 型聚羧酸缓凝 高效减水剂。 表 2是这 3种混凝土的配合 比、 坍落度和 2 8 d立 方体抗压强度。 表 2 混凝土的配合 比和基本性能 注 ：1 )J M 2 B型减水剂 ； 2 ) HP 4 0 0 R型减水剂 ； 3 )I司时还掺加 o 1 聚内烯纤维 、 o 7 钢纤维 和刀分之 o 8 J M- 2 0 0 0 c鬲效引气剂。 1 3 实验方法 相对动弹性模量和质量变化。由图 1 ( a ) 可见 ， 在 本文试验统一采用4 0 m m 4 0 m m 1 6 0 m m ( 5 M g C 1 2 +5 N a 2 S O 4 ) 复合侵蚀作用下， F A C 混凝土试件， 振动成型， 标准养护2 8 d 后， 将其浸 和 H C M C试件的相对动弹性模量随着侵蚀时间 泡在质量分数为( 5 Mg C I + 5 N a S O ) 的复合 的延长而缓慢地下降 ， G HD C试件的相对动弹性 溶液中， 进行化学侵蚀试验 和干湿循环试验 。干 模量在 6 6 W之前与 F A C和 H C M C类似 ， 在 6 6 W 湿循环制度是 ： 将试件沿长度方向垂直立放在腐 之后则呈现出增 大的变化趋势。在经历 7 7 W的 蚀溶液中， 一半浸泡在溶液中， 另一半暴露在大气 化学腐蚀后 ， F A C、 H C M C和 G H D C的相对动弹性 中， 每隔 3 5 d将试件颠倒方向 ， 以保持试件两端 模量分别为 8 7 、 9 1 和 1 0 1 。可见 ， G H D C在 的干湿循环条件是 3 5 d干 +3 5 d湿 。试验过 复合溶液的长期侵蚀作用下的抗腐蚀性更好 。 程中， 采用 N M 4 B型非金属超声波检测分析仪 测定 超 声 波 声 速 ， 混 凝 土 的 相 对 动 弹 性 模 量 为 ： = x l 0 0 ( 1 ) 式中， ， 为腐蚀后试件 的相对动弹性模量 ( ) ； E o 、 。 为混凝土试件腐蚀前的初始动 弹性模量和 初始声速 ； E 为腐蚀后试 件的动弹性模量 和 声速 。 采用电子天平 ( 精度 0 1 g ) 测量 混凝土试件 腐蚀过程中的质量变化率 ， 按下式计算 ： ： 1 0 0 ( 2 ) t - t 0 式中， 为腐蚀后试件的质量损失率( ) ； G 。 和 G 分别为腐蚀前后试件 的质量( g ) 。 2 结果和讨论 2 1 混凝土的相对动弹性模量及质量变化 图 1是 3种混凝土试件在复合侵蚀作用下的 水 删 莆 莨 捌 蟋 0 2O 4 O 6 O 8 0 腐 蚀时 问 w ( a ) 相对动弹性模量 腐蚀 时问 w ( b ) 质量变化 图 l 相对动弹性模量与质量变化 们 加 加 0 6 4 2 O 0 4 9 6 华中科技大学学报( 城市科学版)2 O 0 9年 根据图 1 ( b ) 所示的混凝土试件质量变化规 律， 可以发现， F A C试件在复合侵蚀 2 0 W之前质 量没有变化 ， 当侵蚀 时间超过 2 0 W之后由于出现 表面剥蚀现象 ( 图 2 ) ， 导致试件的质量持续下降， 到 7 7 w时的质量损失率达到了 3 4 5 。混凝土 在化学侵蚀作用下的表面剥蚀现象 ， 是膨胀性的 化学腐蚀产物 Mg ( O H) ：和 A F t 在表层混凝土的 内部孔隙 中结 晶、 生 长、 并 形成微 裂纹 ( 腐蚀 裂 纹 ) 及其扩展的必然结果。 ( a ) F A C ( b ) H C M C( c ) G HD C 图2 混凝 土试件在复合 侵蚀 3 8 w后的表面破坏特 征 与 F A C试件不 同的是 ， H C MC与 G H D C在 腐蚀过程中存在一个 明显 的质量增加阶段 ， 之后 试件的质量才发生起 因于表面剥蚀 的质量损失。 HC MC与 G H D C在化学 侵蚀过 程中质量增加 的 原因来源于 2个方面： 一是化学腐蚀产物的积累， 二是大掺量矿物掺合料 的水化作用。与 F A C相 比， H C M C发生质量损失 的时间推迟 到 了 3 8 W， 但是， 当侵蚀时间超过 3 8 W之后 ， H C MC的质量 损失速度显著加快 ， 到 7 7 W时其质量损失高达 5 2 2 ， 而此时两者的相对动弹性模量差异不大。 这充分表明 ， 在复合侵蚀作用下， HC MC由于抗压 强度比 F A C降低了 1 4 8 ， 尽管其早期抗腐蚀性 优于 F A C， 但是长期抗腐蚀 性却发生 了劣化 ， 反 而 不如 F A C。 G H D C由于 同时掺 加 了混杂 钢纤 维和聚丙 烯 ， 在复合溶液的侵蚀过程能够抑制膨胀性腐蚀 产物导致的微裂纹形成 ， 并大大延缓了微裂纹的 扩展 ， 从而使 G HD C能够容纳比 HC MC更多的化 学腐蚀产物， 因而其总量增加阶段的时间比较长 ， 在复合 侵 蚀 3 8 W 时 质 量增 加达 到 了最 大 值 ( 4 ) ， 3 8 W之后混凝土试件表面开始出现剥蚀 ， 到 6 9 w时才开始发生质量损失 ， 在复合侵蚀 7 7 W 后的质量损失率仅 1 2 。因此 ， 在( 5 Mg C I ： + 5 N a ： S O ) 复合侵蚀作用下 ， G H D C具有 良好 的 抗剥蚀能力。 ， 2 2干湿循环作用下混凝土的相对动弹性模量 及质量变化 图 3是 3种混凝土试件在复合溶液中干湿循 环作用下的相对动弹性模量和质量变化 。由图 3 ( a ) 可见， 3种混凝土试件在复合溶液 的 2 5次干 湿循环以内时， 相对动弹性模量有所增加 ， 在 2 5 次干湿循环之后则基本上维持一个比较稳定的水 平 ， 在 7 7次干湿循环时 F A C 、 H C MC和 G H D C的 相对动弹性模量分别为 9 0 、 9 1 和 8 7 ， 3 者 差异不明显。 捌 捉 2 1 芝 0 1 捌 蟋 2 -3 -4 -5 0 2 O 4 O 6 O 8 O 干湿循环 次 ( 8 t ) 相对动弹性模量 干 湿 循 环 次 ( b ) 质量变化 图 3 干湿循环作用下的相对动弹性模量与质量变化 由图 3 ( b ) 所示的质量变化曲线 ， 可以看 出， 在复合溶液的干湿循环过程 中， F A C试件的质量 一 直呈现缓慢的下降变化 ， 表 明 F A C初期不能够 抑制膨胀性的化学腐蚀产物在表层混凝土的内部 孔隙中形成 的微裂纹 扩展。H C MC到 2 5次干湿 循环以后才发生质量损失， 在 5 4 7次干湿循环 之间， H C MC的质量损失率明显小于 F A C， 当干湿 循环次数超过 5 6次以后 ， 两者的质量损失率基本 相 同。因此， 从抗干湿循环能力上分析， 大量掺加矿 物掺合料对于提高混凝土的抗腐蚀性是有利的。 与 F A C和 H C M C相比， G H D C由于能够容纳 更多的膨胀性化学腐蚀产物 ， 因而在 2 5次干湿循 环时质量增加达到最大值( 0 8 1 ) ， 但是其 的质 量增加率仅有复合侵蚀试件的 1 5 ， 当干湿循环 次数超过 2 5次以后 ， G HD C的质量快速减小 ， 说 明其后期 的表面剥蚀现象 比较严重。从质量损失 的速度来看 ， 长期干湿循环作用下 G H D C的质量 损失速度是3种混凝土中最大的， 到7 7 次干湿循 环时 G H D C的质量损失率 已达到 4 2 ， 而 F A C 仅有 1 9 ， HC MC为 1 8 。可见， 在复合溶液 的干湿循环条件下 ， 混杂钢纤维和聚丙烯纤维不 能抑制大量掺加矿物掺合料的混凝土中的腐蚀微 们 加 加 0 第 1 期 周鹏等： 混凝土在 M g c l 2 与 N a s 0 4 复合溶液中的抗腐蚀性 9 7 裂纹的扩展 ， 其原因尚待深入研究。 综上所述 ， G HD C试件在复合溶液 中的抗 干 湿循环能力是 比较差的， H C MC试件则相对较好 。 2 3 结论 ( 1 ) 在 ( 5 Mg C 1 ：+5 N a ： S O ) 复合 溶液的 化学侵蚀作用下 ， 混凝 土的相对动弹性模量缓慢 地下降。在经过 7 7 w的复合侵蚀 以后， G H D C的 相对 动 弹 性模 量 几 乎 没 有 变化 ， 仍 然 保 持 在 1 01 。 ( 2 ) 在 ( 5 Mg C 1 ： +5 N a ： S O ) 复合溶液 的 干湿循环作用下 ， 在 2 5次于湿循环以前混凝土的 相对动 弹性模 量有所增 加 ， 之后基 本上维持 在 9 0 左右 ， 3种混凝土之间的差异不大。 ( 3 ) 在化学 侵蚀和 干湿循环 作用下 ， HC MC 与 G H D C在腐蚀初期存在一个质量增加的阶段 ， 之后才出现因表面剥蚀 引起 的质量损失 ， 而 F A C 则从一开始就表现 出质量损失 ， 后期质量一直保 持一定的速率降低 。 ( 4 ) 在复合腐蚀作 用下， HC MC的长期表面 剥蚀 比较严重 ， 而 G H D C则 比较轻微 ， 但 是在复 合溶液的干湿循环作用下， 两者的规律则相反。 ( 5 ) 在 复合溶液 中， G H D C的抗侵蚀 能力 较 好 ， H C MC的抗干湿循环能力较好。 参考文献 1 T i k a l s k y P J，C a r r a s q u i l l o R L I n fl u e n c e o f fl y a s h 3 o n t h e s u l f a t e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e J A C I Ma t J ， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 1 ) ： 6 9 7 5 S c h n e i d e r UC h e n S W T h e c h e mo me e h a n i c a l e ff e c t a n d t h e me c h a n och e mi c a l e ff e c t o n h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s t res s C O I T O s i o n J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 o 9 - 5 2 2 D e h wa h H A F，Ma s l e h u d d i n M ，A u s t i n S A L o n g t e r m e ff e c t o f s u l f a t e i o n s a n d a s s o c i a t e d c a t i o n t y p e o n c h l o r i d e - i n d H C e d r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n i n P o r t l an d C e m e n t C o n c r e t e s J C e m C o n c r C o m p o ，2 0 0 2， 2 4 ( 1 ) ： l 7 2 5 4 余红发盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与 使用寿命预测方法f D 南京 ： 东南大学， 2 0 0 4 5 燕 坤多重因素作用下碳化混凝土的抗冻性 D 南京 ： 南京航空航天大学， 2 0 0 7 6 粱咏宁，袁迎曙硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐 蚀破坏的机理 J j 硅酸盐学报， 2 0 0 7 ， 3 5( 4 ) ： 5 0 4 50 8 7 慕儒， 缪昌文 ， 刘加平 ， 等氯化钠 、 硫酸钠溶液 对混凝土抗冻性的影响及其机理 J 硅酸盐学报， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 6 ) ： 5 2 3 5 2 9 8 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，2 0 0 3 ， ( 5 ) ： 4 3 4 - 4 5 0 9 马昆林 ， 谢友均， 龙广成， 等硫酸钠对水泥砂浆的 物理侵蚀作用( 英文) J 硅酸盐学报， 2 0 0 7 ， ( 1 O ) ： 1 3 7 6 1 3 81 1 O 罗骐先， B u n g e g J H用纵波超声换能器测量混凝 土表面波速和动弹性模量 J 水利水运科学研究， 1 9 9 6， ( 3 )： 2 6 4 2 7 0 Du r a bi l i t y o f Co n c r e t e s u nd e r Co mpo s i t e S o l u t i o n o f M g CI 2 ，Na 2 S O4 Z H O U P e n g， Y U H o n g -f a， Y A N G L i mi n g ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a) A b s t r a c t ： T h e d u r a b i l i ty o f f l y a s h c o n c r e t e( F A C) ，c o n c r e t e w i t h h i g h c o n t e n t mi n e r a l a d mi x t u r e( H C M C) a n d g r e e n h i g h d u r a b l e c o n c r e t e( G H D C)s u b j e c t e d t o t h e c o m p o s i t e s o l u t i o n( 5 M g C l 2 + 5 N a 2 S O 4 ) u n d e r l o n g t e r m a t t a c k a n d d r y we t c i r c u l a t i o n we r e s t u d i e dRe s u l t s s h o w t h a t GHDC h a s h i g h d ur a b i l i t y s u b j e c t e d t o the c o m p o s i t e s o l u t i o n u n d e r l o n g t e rm a t t a c k ；H C MC h a s the b e s t p e r f o rm a n c e u n d e r d r y w e t c i r c u l a t i o n S o GHDC i s s u i t a b l e f o r l o n g t e rm a t t a c k，a n d HC MC i s s u i t a b l e for d ry we t c i r c u l a t i o n Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；c o mpo s i t e s o l u t i o n；c h e mi c a l a t t a c k；d r y we t c i r c u l a t i o n