水泥石碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕影響因素及抑制機理研究.pdf

1、水泥石碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕(Thaumasite form of sulfate attack,簡稱TSA)發(fā)生時,使水泥石中的C-S-H凝膠變成一種灰白色、無膠結能力的泥狀物質(zhì),導致其強度顯著降低甚至完全喪失,這種硫酸鹽侵蝕的危害性比傳統(tǒng)硫酸鹽侵蝕更為嚴重。已有研究證實,水泥石TSA需在低溫、有水且同時存在碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽的條件下才能發(fā)生,但其影響因素十分復雜,抑制機理至今尚未統(tǒng)一認識。進一步研究主要因素對該類腐蝕的影響,確定

2、有效抑制措施并探明其作用機理,對確?；炷两Y構的抗硫酸鹽侵蝕性能具有重要意義。
　　本文試驗研究了侵蝕介質(zhì)種類、濃度、pH值以及養(yǎng)護條件、環(huán)境溫度等環(huán)境因素對水泥石TSA的影響,重點研究了活性礦物摻合料和多聚磷酸鹽、甲酸鈣、硝酸鍶等化學外加劑對水泥石TSA的抑制作用,采用X射線衍射(XRD)、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)、核磁共振(NMR)等現(xiàn)代測試技術,系統(tǒng)分析了主要因素對水泥石TSA的影響規(guī)律及活性

3、礦物摻合料和化學外加劑對水泥石TSA的抑制機理,揭示的主要規(guī)律如下:
　　水泥石TSA受環(huán)境條件影響。侵蝕介質(zhì)的種類和濃度是影響水泥石硫酸鹽腐蝕的重要因素。5％MgSO4溶液、飽和石膏溶液及5%硫酸鈉溶液均能導致水泥石形成碳硫硅鈣石,其中5%MgSO4溶液對水泥石侵蝕性最強,5%硫酸鈉溶液次之,飽和石膏溶液最弱;不同濃度MgSO4溶液對水泥石的腐蝕作用不同,質(zhì)量濃度2%、5%和10%時均能誘發(fā)水泥石TSA,濃度為2%時,水泥石主要

4、主要腐蝕產(chǎn)物為石膏和碳硫硅鈣石,濃度為5%時,主要腐蝕產(chǎn)物為鈣礬石和碳硫硅鈣石,濃度為10%時,主要腐蝕產(chǎn)物為水鎂石和碳硫硅鈣石,且濃度為5%的溶液對水泥石破壞作用最強;同等條件下,外部硫酸鹽比內(nèi)摻硫酸鹽對水泥石的侵蝕更嚴重。早期養(yǎng)護條件對水泥石抗TSA性能影響較大,與水中養(yǎng)護相比,空氣養(yǎng)護可改善早期水泥石抗TSA性能,密封養(yǎng)護對水泥石抗TSA性能不利。碳硫硅鈣石易在pH值為10.5左右的環(huán)境中生成。低溫環(huán)境可加速水泥石TSA進程,環(huán)境

5、溫度為5℃時水泥石以TSA破壞為主,20℃時水泥石也可形成碳硫硅鈣石,但水泥石破壞以石膏型硫酸鹽侵蝕為主。
　　活性礦物摻合料可以改善水泥石抗TSA性能。粉煤灰對水泥石TSA的抑制作用與其組成、摻量和細度有關,活性SiO2和Al2O3含量較高、燒失量較低的粉煤灰改善水泥石抗TSA性能效果較好;組成相同的粉煤灰,摻量為30%時對水泥石TSA的抑制效果最好;比表面積超過600m2/kg的粉煤灰改善水泥石抗TSA效果更顯著。礦渣粉摻量達

6、70%時可有效抑制水泥石TSA發(fā)展,且提高細度能進一步改善水泥石抗TSA性能。摻入6%的硅灰可改善水泥石抗TSA性能。礦物摻合料復摻較單摻對水泥石TSA抑制效果更佳。活性礦物摻合料可細化水泥石孔徑,降低Ca(OH)2含量,抑制水泥石TSA,其作用的化學本質(zhì)在于,通過二次水化生成大量比表面積更大、聚合程度更高、熱力學穩(wěn)定性更好的低鈣硅比C-S-H凝膠。采用C-S-H凝膠平均直鏈長度可以評價活性礦物摻合料對水泥石TSA的抑制效率,該值達3.

7、7左右時,水泥石具有良好的抗TSA性能。
　　摻加提高水泥石早期強度和抑制碳硫硅鈣石結晶的化學物質(zhì)可抑制水泥石TSA的發(fā)展。甲酸鈣通過提高水泥石早期強度改善水泥石抗TSA性能,在0.3%~0.7%范圍內(nèi),水泥石抗TSA性能其摻量提高而增強;硝酸鍶可促進水泥水化,細化水泥石孔徑,其摻量1.5%時對提高水泥石抗TSA的作用最好;多聚磷酸鈉對碳硫硅鈣石結晶有抑制作用,摻量在0.3%以內(nèi)可改善水泥石早期抗TSA性能。
　　采用FTI

8、R和NMR組合可有效確認水泥石中是否形成碳硫硅鈣石。碳硫硅鈣石FTIR圖譜中特征峰主要為500cm-1、670cm-1等,500cm-1附近特征峰可作為判斷碳硫硅鈣石存在的依據(jù)之一,石膏及C-A-S-H凝膠中[AlO4]均可能在670cm-1處存在明顯吸收峰,不宜以670cm-1處吸收峰單獨作為判定碳硫硅鈣石存在的依據(jù)。在可能存在石膏或[AlO4]的條件下,宜采用FTIR和NMR組合的測試方法確定水泥石腐蝕產(chǎn)物中是否存在碳硫硅鈣石。碳硫