抗酸性水腐蚀混凝土优化设计及微组分调控.pdf

钎 建隳 粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 抗酸J j生 水腐蚀混凝士优化设计及 微组分调控 蔡老虎 “ ， 李北星 ， 何宏荣 ， 王宁宁 2王威 ： ( 1 江苏省交通科学研究院股份有限公司， 江苏 南京2 1 1 1 1 2 ： 2 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料 国家重点实验室， 湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 采用实验室加速试验方法， 研究了水胶比、 s i 0 ( A 1 0 c a 0 ) ( 质量比) 、 附加防腐措施对混凝土耐酸性能的影响规律， 通 过水胶比设计、 防腐涂料优选及 微组分调控来提高混凝土抗酸性水腐蚀性 能。结果表 明： 降低水胶 比、 适当提高 S i 0 2 ( A1 O + C a 0 ) ， 对于混凝土耐酸性能的改善有较为明显的效果； 辅以适宜的防腐涂层 ( D P S 永凝液、 清水混凝土防腐涂料) ， 可以有效阻滞、 延缓侵 蚀离子渗入， 提高混凝土的抗酸性水腐蚀性能。 关键词 ： 混凝土； 水胶比； S i O ( A 1 2 0 ， + C a O ) ： 耐酸性能； 微组分调控 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 0 2 1 0 5 Th e o p t i ma l d e s i g n a n d mi c r o - c o mp o n e n t s r e g u l a t i o n f o r a c i d wa t e r c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e C AI L a o h uI 2 ， L I Be ri n g 2 ， HE Ho n g r o n g ， WANG Ni n g n i n g 2 ， WANG We i ( 1 J i a n g s u T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d ， Na mi n g 2 1 1 1 1 2 ， J i a n g s u ， C h i n a ： 2S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e r i a l s f o r Ar c h i t e c t u r e， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Hu b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ad o p t i n g t h e a c c e l e r a t i o n t e s t m e t h o d i n l a b o r a t o ry， t h e e f f e c t o f w a t e r b i n d e r r a t i o ， S i 0 2 ( A 1 2 0 3 + C a O) r a t i o ( ma s s r a t i o )， a d d i t i o n a l an t i c o r r o s i o n me a s u r e s o n t h e a c i d r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e wa s r e s e a r c he d An e f f e e t i v e me t h o d for a c i d wa t e r r e s i s t a n c e i mp r o v e me n t wa s d i s c u s s e d b y i n v e s t i g a t i n g t h e wa t e r -b i n d e r r a t i o d e s i g n, a n t i - c o r r o s i v e c o a t i n g s o p t i mi z a t i o n a n d mi c ro - c o mp o n e n t s r e g u l a t i o n Re s u l t s s h o w t h a t t h e s ma l l e r wa t e r b i n d e r r a t i o a n d p r o p e r l y b i g g e r S i O2 ( AI OC a 0) r a t i o c o u l d i mp r o v e t h e a c i d r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e e f f e c t i v e l y U s i n g t h e a d d i t i o n a l a n t i c o r r o s i o n c o a t i n g a s d e e p p e n e t r a t i n g s e a l e r ( D P S ) o r t h e p rot e e t i v e c o a t i n g f o r a s -c a s t f i ni s h c o n c r e t e ， t he i n f i l t r a t i o n o f e r o s i o n i o n wo u l d b e d e l a y e d O t e v e n b e bl o c k e d， wh i c h l e a d t o a n e ffe e t i v e l y i mp r o v e me n t o f t h e a c i d wa t e r r e s i s t a nc e o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； w a t e r b i n d e r r a t i o ； S i O 2 ( AI O 3 + Ca O ) r a t i o ； a c i d r e s i s t a n c e ； mi c r o c o mp o n e n t s r e g u l a t i o n 混凝土在酸性环境下性能劣化是复杂的物理化学过程， 关于酸侵蚀混凝土的机理有几种观点1 - ,1 ， 根据破坏作用可概 括为溶蚀性和膨胀性破坏。N I U J i a n g a n g 和N I U D i t a o t 于 F i c k 第一定律， 研究了水胶比、 粉煤灰掺量、 溶液 p H值、 S 0 4 2 一 浓度、 浇筑面对酸雨环境下中性化速度系数的影响。 v 】 a d i m i 研究指出， 增大水泥用量， 能够提高混凝土的抗中性化能力， 从而提高混凝土的耐酸腐蚀性能。P a v l i k V 实验表明， C a 0 含量的提高不能增强砂浆的耐酸能力； 在弱酸性情况下， 水灰 基金项 目： 国家 自然科学基 金项 目( 5 1 3 7 2 1 8 5 ) 收稿 日期： 2 0 1 4 0 4 2 3 作者简介： 蔡老虎， 男， 1 9 8 7 年生， 江苏宿迁人， 硕士。地址： 南京市江 宁区诚 信大道 2 2 0 0号， E m a i l ： d o n x i n g 8 8 8 1 6 3 c o rn。 比越小， 混凝土的耐酸性能越强 。S a fi c i m e n 等 研究认为， 混凝土中掺入粉煤灰能有效提高混凝土的耐酸侵蚀能力； 肖 佳等【 l 1】 认为， 粉煤灰对混凝土抗酸性能并没有明显的改善作 用。由此可见， 关于水胶比、 粉煤灰对混凝土抗酸性的研究 结论尚未达成共识，针对抗酸性混凝土的微结构调控研究 也鲜见报道。 本文研究了水胶比、 S i 0 。 ( A 1 2 0 ， + C a 0 ) 、 附加防 腐措施对混凝土耐酸性能的影响规律， 通过水胶比设计、 防 腐涂料优选及微组分调控来提高混凝土的抗酸性水腐蚀性 能。 l 试验 1 1 试验材料 水泥： 葛洲坝水泥厂生产的P 0 4 2 5 高抗硫酸硅酸盐水 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蔡老虎， 等： 抗酸性水腐蚀混凝土优化设计及微组分调控 泥； 粉煤灰： 武汉阳逻电厂的I 级粉煤灰； 细骨料： 河砂， 细度 模数2 7 ， 区中砂， 级配良好； 粗骨料： 5 2 0 m m连续级配石 灰石质碎石。 减水剂： 上海马贝建筑材料有限公司生产的S x C 1 6 聚羧酸型高效减水剂。防腐涂料： 永凝液( D P S ) ， 渗透深 度I2 0 m m ， 美国万渗邦国际集团有限公司生产； 聚合物水泥 防水涂料( C P C ) ， 抗氯离子渗透性 A 1 2 0 3 C a O 。根据推测， 定义S i O 2 ( A l s O 3 + C a O ) 为单位体积混凝土浆体S i O 与 l O 3 + C a O ) 的质量比。 为优化 混凝土内部微组分， 进行耐酸性混凝土微组分调控研究， 确定 最佳 S i O 2 ( A 1 2 O 3 + C a O ) 。 粉煤灰掺量对混凝土浆体中S i O ( A l z O + C a O ) 的影响见 图6 ， 对酸性化的影响见图7 。 L 2 1 0 6 叠0 8 0 0 0 - 4 O 2 0 Fo F 2 o F4 o 粉煤灰掺量 图6 粉煤灰掺量对混凝土浆体S i O ： ( A 1 2 0 ， + C a O ) 的影响 ， ) 4 禀 斤 建 筒 术 才 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 侵蚀龄 期 月 图7 粉煤灰掺量对混凝土酸-陛化的影响 ( p H值= 2 ) 由图6 可知， 粉煤灰中 s j O 含量较高， 同时其二次水化 反应消耗部分C a ( O H ) ， 随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土中 S i O 2 ( A l 2 0 3 + C a O ) 越高。 由图7 可以看出， 粉煤灰掺量为2 0 的混凝土具有最佳 的耐酸性能， 其S i O 2 ( A 1 2 0 3 + C a O ) 为0 7 5 。在酸性环境下， 混 凝土中掺入适量粉煤灰， 方面减少了水泥的用量， 减少了混 凝土因水泥 水化产生的碱 性物质， 另一方面 增加了 性能 稳定 的酸性氧化物S i O 及A 1 2 0 ， ， 延缓了混凝土在酸性环境下性能 的劣化速率。 同时粉煤灰的掺入发挥了“ 微集料” 效应， 能有效 填充混凝土内部空隙， 提高其密实度， 延缓H 等腐蚀性物质 的渗入。 然而， 当粉煤灰掺量增至4 0 时， S i O 2 ， ( A 1 2 0 3 + C a O ) 为 1 1 ， 粉煤灰 在抗腐 蚀性能上体 现出了 负 面效应， 这主要是由 于 掺量越高， 相应的水泥水化产物越少， 同时由于H 等的侵蚀， C a ( O H ) 等碱性水化产物含量过低，导致一些必须在石灰极 限浓度下才能稳定的水化产物分解、 溶出， 致使混凝土性能劣 化。 适当提高水化产物S i O ( A l 2 0 3 + C a O ) ， 则可提高混凝土的 耐酸性能， 但S i O ( A I O + C a O ) 过高， 会导致混凝土早期强度 偏低， 不利于提高混凝土的耐久性能。 由此可见， S i O ( A I O 3 + C a O ) 为0 7 5 左右的混凝土具有优良的抗酸性水侵蚀性能。 综上所述，抗酸性水腐蚀高性能混凝土的设计与微组分 调控的基本 方法为： 利用粉煤灰水化产物C a ( O H ) 和水化铝 酸钙含量低、 粉煤灰二次水化反应消耗部分C a ( O H ) 和低水 胶比改善混凝土微结构等作用， 提高胶凝材料和水化产物中 的S i O ： ( A l s O ， + C a O ) 组成比例， 从而改善其在酸性水环境下 的稳定性， 即以低水胶比、 较高掺量活性掺合料配制具有较高 S iO ( A l20 。+ C a O ) 胶凝材料组成的抗酸性水腐蚀高性能 混凝 十。 3 结语 ( 1 ) 水胶比为0 4 2 0 3 5时， 随着水胶比的降低， 混凝土 抗酸侵蚀性能逐渐增强； 低于0 3 5时， 混凝土抗酸侵蚀性能 6 4 2 O 8 6 4 2 0 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蔡老虎， 等： 抗酸性水腐蚀混凝土优化设计及微组分调控 删 黼 j 姗 # 榭 榭 黼 黼 嘲嘲 _ _ _ _ _ - _ _ _I _ _ _ -_ _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - 提升效果有限。 ( 2 ) 控制微结构组分， 适当提高S i O ( A 1 2 0 ， + C a O ) ， 对于 混凝土耐酸性能的改善有较为明显的效果。 ( 3 ) 抗酸性水腐蚀高性能混凝土的设计与微组分调控的 基本方法为： 以低水胶比、 较高掺量活性掺合料配制具有较高 S i O ( A 1 0 ， + C a O ) 胶凝材料组成的抗酸性水腐蚀高性能混凝 土。 ( 4 ) 辅以适宜的防腐涂层( D P S 永凝液、 清水混凝土防腐 涂料) ， 可以有效阻滞、 延缓侵蚀离子渗入， 提高混凝土的抗酸 腐蚀性能。 参考文献 ： 1 T o m ma s e l l i M A G， Ma r i a n o N A， K u r i S E E f f e c t i v e n e s s o f c 0 r - r o s i o n i n h i b i t o r s i n s a t u r a t e d c alc i u m h y &o x i d e s o l u t i o n s a c i d i fl e d b y a c i d r a i n c o m p o n e n t s叨C o n s t r u c t i o n a n dB u i l d i n g Ma t e r i a I s , 2 0 0 9， 2 3( 1 2 )： 3 2 8 3 3 3 2 】 Ok o e h i Hi r o s h i ， K a me d a Hi d e k i ， Ha s e g w a S h i n i e h i ， e t a 1 De t e r i - o r a t i o n o f c o n c r e t e s t ruc t u r e s b y a c i d d e p o s i t i o n- a n a s s e s s me n t o f t h e r o l e o f r a i n wa t e r o n d e t e rio r a t i o n b y l a b o r Mo ry a n d fie l d e x p o s u r e e g p e ri m e n t s u s i n g mo r t a r s p e c i m e n s 叨 A t mo s p h e ri c E n - v i r o n me n t ， 2 0 0 0， 3 4( 1 8 )： 3 2 8 3 3 3 【 3 】 石 立安 ， 麻海 燕 ， 柯凯 混凝土 的抗 酸雨腐蚀性 及机理研 究叨 南 京理工大学学报 ， 2 0 1 2 ， 3 6 ( 4 ) ： 7 1 7 7 2 3 4 】 X I E S h a o d o n g ， L I Q i ， Z H O U Di n g I n v e s t i g a t i o n o f t h e e f f e c t s o f a c i d r a i n o n t he d e t e rio r a t i o n o f c e me n t c o n c r e t e us i n g a c c e l e r - a t e d t e s t s e s t a b l i s h e d i n l a b o r a t o r y J 1 A t mo s p h e ri c E n v i r o n me n t ， 20 0 4， 3 8( 2 7 ) ： 4 45 7 4 4 6 6 5 】 N I U J i a n g a n g ， NI U Di t a o E x p e ri m e n t a l s t u d y o n t h e n e u t r a l i z a t i o n o f fl y a s h c o n c r e t e a t t a c k e d b y a c i d r a i n C P r o e e e d i n g o f 6 8 【 9 【 1 o 【 1 1 】 【 1 2 【 1 3 】 【 1 4 【 1 5 2 01 1 I nt e r na t i o n a l Co n f e r e nc e o n El e c t ri c Te c h no l o g y a n d Ci v i l En g i n e e r i n g( I CET CE)， I EEE， Ru s h a n ： 2 0 1 1 ， 3 1 6 2 -3 1 6 5 ZI VI CA Vl a d i mi r Ac i d i c a t t a c k o f c e me n t b a s e d ma t e r i a l s _ 一a r e v i e w p a r t 3 ： r e s e arc h a n d t e s t me t h o d s 叽 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e rials ， 2 0 0 4， 1 8( 9 )： 6 8 3 - 6 8 8 Pa v l i k VEffe c t o f c a r b o n a t e s o n t he c o r r o s i o n r a t e o f c e me n t p a s t e i n n i t ri d a c i d f 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 ， 2 0 0 o ， 3 0 ( 3 )： 4 81 - 4 8 9 Hi l l J ， By ars E A， S h a r p J H， e t d： An e x pe rime n t a l s t u d y o f c o m b i n e d a c i d a n d s u l f a t e a t t a c k o f c o n c r e t e 叨C e m e n t C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 20 0 3， 2 5( 8 )： 9 9 7 -1 0 03 S e r s ale R， Fr i g i o n e G， Bo n a v i t a LAc i d d e p o s i t i o n s a n d c o n c r e t e a t t a c k J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 9 2 4 S a r i c i me n H， S h a me e m M ， Ba r r y M S， e a Du r ab i l i t y o f p r o p rie t a r y c e me n t i t i o u s ma t e rials f o r u s e i n wa s t e wa t e r tr a n s p o r t s y s t e m s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 - 5 ) ： 4 2 1 4 2 7 肖佳， 周士琼 酸雨条件下低钙粉煤灰对水泥砂浆强度的影响 J 建筑材料学报， 2 O O 5 ， 8 ( 4 ) ： 4 4 0 4 4 5 S h i c a i j u n ， S t e g e ma n n J AAc i d C O I T O S i O n r e s i s t a n c e o f d i ff e r - e n t c e me n t i n g ma t e ri al s f J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 0。 3 0( 2 )： 8 0 3 8 0 8 郑克仁， 孙伟， 贾艳涛， 等 矿渣掺量对高水胶 比水泥净浆水化 产物及孔 结构 的影响叨硅酸盐 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3( 4 ) ： 5 2 0 - 5 2 4 戎志丹， 虞焕新， 林发彬 低水胶比条件下水泥基复合材料的微 结构形成机理 J 武汉理工大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 4 ) ： 6 - 1 0 杨 凯 酸性 水腐蚀下混 凝土性 能的劣化 与防腐技术 研究【 D】 武 汉： 武汉理工大学， 2 0 1 1 A ( 上接第 1 6 、页) 向连接件的选取， 为获得更好的保温隔热性能并节约能源， 斜 向连接件应选取导热系数较小的材料，竹筋是较好的环保材 料， 且具有足够的强度和刚度， 是较理想的替代材料。 ( 3 ) 竹筋一 陶粒混凝土复合板的热工模拟结果为R ，- 1 4 3 7 ( m 2 K ) ， 其热阻试验结果为R = I 4 5 1 ( m 2 K ) W， 模拟值为 试验值的9 9 0 4 ， 与试验值吻合较好， 因此本模型可以作为 竹筋一 陶粒混凝土复合板热工计算的依据。 参考文献： 1 】 陈璐 竹筋一 陶粒混凝土粘结性能及复合墙板抗弯性能的试验研 究 与理论分析【 D】 济南： 山东大学， 2 0 1 2 【 2 马玲玲 轻钢龙骨体系建筑做法、 保温性能及经济性研究【 D 】 武 汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 8 【 3 13 王光远 钢一 混凝土组合梁桥火灾反应数值模拟 D 】 沈阳： 沈阳建 筑大学 ， 2 0 1 2 4 4 赵娟， 苏晓梅 组合壁热阻的求解思想及应用分析叨 陕西理工学 院学报： 自然科学版， 2 0 1 0 ， 2 6( 4 ) ： 4 8 5 1 A KI I AI n I I l I n I 卜l 人 TC D I A I C ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m