浸泡条件下碱矿渣水泥材料抗硫酸盐侵蚀性能

/ 科普导读 /

01

THE FIRST

蒲心诚[1]研究认为，碱矿渣砂浆在硫酸钠及海水中表现出优良的抗侵蚀能力。周焕海和唐明述[2]研究了碱矿渣净浆和砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能，研究表明，碱矿渣净浆和砂浆具有良好的抗硫酸钠侵蚀能力，他们认为这是因为碱矿渣体系中几乎不含易与硫酸盐发生化学反应的氢氧化钙，且浆体中大部分孔径（如表1.1所示）小于10nm，结构致密，硫酸钠难以浸入试件内部。

表1.1 碱矿渣净浆和硅酸盐水泥净浆孔隙率和孔径分布

T. Bakharev[3]制备水胶比0.5、碱当量5.4%的碱矿渣混凝土，标养28d后浸泡在质量分数为5%的硫酸钠溶液中，部分混凝土12个月内的力学性能变化如图1.1所示。碱矿渣混凝土受到硫酸钠侵蚀后抗压强度与水中养护试件强度相比有所下降，但下降幅度比普通硅酸盐水泥混凝土小。硫酸钠侵蚀后的碱矿渣混凝土中没有石膏和钙矾石等化学侵蚀产物，说明浸泡条件下碱矿渣混凝土具有较强的抗硫酸钠化学侵蚀能力。

图1.1 硫酸钠侵蚀下碱矿渣混凝土抗压强度

02

THE SEOND

Ismail等[4]制备了不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰净浆，并浸泡于质量分数5%硫酸钠溶液中，发现90天后各试件外观质量无明显变化（如图1.2所示），XRD和FTIR结果表明硫酸钠浸泡液利于碱矿渣微观结构发展，Provis[5]认为这是由于碱矿渣胶结材中铝相稳定，难以被硫酸钠侵蚀形成钙矾石等产物，而且硫酸钠对矿渣有激发作用，Bai等[6]研究也取得了相似结果。

图1.2 不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰试件硫酸钠侵蚀后外观质量，W/B=0.40; (B) W/B =0.50; and (C) W/B =0.60

Dzˇunuzovic´等[7]研究了碱激发矿渣/粉煤灰（AAFA-BFS）砂浆抗硫酸钠侵蚀能力，并选用抗硫酸盐水泥砂浆（ASTM CEM II）试件作为对比，210天内各试件在标养环境和质量分数5%的硫酸钠溶液中的力学性能如表1.2所示。碱激发矿渣/粉煤灰砂浆在硫酸钠侵蚀液中抗压强度持续增大，且增幅大于抗硫酸盐水泥砂浆。

表1.2 砂浆试件强度损失系数和强度增益系数

03

THE THIRD

Douglas[8]研究了碱矿渣混凝土浸泡在质量分数5%的硫酸钠溶液120天后的动弹性模量、脉冲速度、质量以及长度变化。他们发现，试件的长度变化甚至比浸泡在饱和石灰石水中的试件长度变化还要小。Hakkinen[9]通过测量在不同浓度硫酸钠溶液中浸泡的碱矿渣混凝土抗压强度，并选取了普通硅酸盐水泥混凝土作为对比，发现在1%硫酸钠溶液中浸泡2年后，所有试件均没有明显腐蚀迹象。但在10%硫酸钠溶液中，普通硅酸盐水泥混凝土完全破坏，而碱矿渣混凝土基本完好。Puertas等[10]以ASTM C1012方法研究碱激发矿渣/粉煤灰砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力，结果表明其具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力，而相比于水玻璃激发而言，NaOH激发的矿渣对硫酸盐侵蚀较敏感Rodríguez[11]、Hamdy El-Didamony[12]、与M. Komljenovic[7]等的研究也均发现，浸泡条件下碱矿渣砂浆/混凝土具有较强的抗硫酸钠化学侵蚀性能。

T.Bakharev[3]研究了浸泡条件下碱矿渣混凝土抗硫酸镁侵蚀能力，抗压强度结果见图1.3。由图可知，硫酸镁侵蚀后碱矿渣混凝土抗压强度较水中试件持续降低。他还发现侵蚀12个月碱矿渣混凝土主要侵蚀产物是石膏。

图1.3 硫酸镁侵蚀下碱矿渣混凝土抗压强度

Ismail等[4]制备了水胶比为0.4、0.5和0.6的碱矿渣/粉煤灰净浆试件，浸泡于质量分数5%的硫酸镁溶液中，90天后各试件均表现出不同程度崩解破坏（如图1.4），主要侵蚀产物是石膏和富镁凝胶（见图1.5）。

图1.4 不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰试件硫酸镁侵蚀后外观质量，(A) W/B =0.40; (B) W/B =0.50; and (C) W/B =0.60

图1.5 水胶比0.4试件（浸泡于硫酸镁）的SEM图片（A）石膏（B）富镁凝胶

/ 参考文献/

[1] 蒲心诚. 碱矿渣水泥与混凝土[M]. 科学出版社, 2010.

[2] 周焕海, 唐明述. 碱矿渣水泥的抗硫酸盐腐蚀性[J]. 混凝土与水泥制品, 1992 (3): 11-13.

[3] Bakharev T, Sanjayan J G, Cheng Y B. Sulfate attack on alkali-activated slag concrete[J]. Cement and Concrete research, 2002, 32(2): 211-216.

[4] Ismail I, Bernal S A, Provis J L, et al. Microstructural changes in alkali activated fly ash/slag geopolymers with sulfate exposure[J]. Materials and structures, 2013, 46: 361-373.

[5] Myers R J, Bernal S A, Gehman J D, et al. The Role of Al in cross‐linking of alkali‐activated slag cements[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98(3): 996-1004.

[6] Rashad A M, Bai Y, Basheer P A M, et al. Chemical and mechanical stability of sodium sulfate activated slag after exposure to elevated temperature[J]. Cement and Concrete Research, 2012, 42(2): 333-343.

[7] Džunuzović N, Komljenović M, Nikolić V, et al. External sulfate attack on alkali-activated fly ash-blast furnace slag composite[J]. Construction and Building Materials, 2017, 157: 737-747.

[8] Douglas E, Bilodeau A, Malhotra V M. Properties and durability of alkali-activated slag concrete[J]. Materials Journal, 1992, 89(5): 509-516.

[9] 史才军, 克利文科, 罗伊, 等. 碱-激发水泥和混凝土: Alkali-activated cements and concretes[M]. 化学工业出版社, 2008.

[10] Puertas F, Gutierrez R D, Fernández-Jiménez A, et al. Alkaline cement mortars. Chemical resistance to sulfate and seawater attack[J]. Materiales de Construccion, 2002, 52(267): 55-71.

[11] Rodríguez E, Bernal S, De Gutiérrez R M, et al. Alternative concrete based on alkali-activated slag[J]. Materiales de Construcción, 2008, 58(291): 53-67.

[12] El-Didamony H, Amer A A, Abd Ela-ziz H. Properties and durability of alkali-activated slag pastes immersed in sea water[J]. Ceramics international, 2012, 38(5): 3773-3780.

来源：郭琛煜

排版：余婷婷

审核：朱文睿  卢瑞雪

审定：方钰洁  陈海艳  刘皓天

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浸泡条件下碱矿渣水泥材料抗硫酸盐侵蚀性能

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01

THE FIRST

蒲心诚[1]研究认为，碱矿渣砂浆在硫酸钠及海水中表现出优良的抗侵蚀能力。周焕海和唐明述[2]研究了碱矿渣净浆和砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能，研究表明，碱矿渣净浆和砂浆具有良好的抗硫酸钠侵蚀能力，他们认为这是因为碱矿渣体系中几乎不含易与硫酸盐发生化学反应的氢氧化钙，且浆体中大部分孔径（如表1.1所示）小于10nm，结构致密，硫酸钠难以浸入试件内部。

表1.1 碱矿渣净浆和硅酸盐水泥净浆孔隙率和孔径分布

T. Bakharev[3]制备水胶比0.5、碱当量5.4%的碱矿渣混凝土，标养28d后浸泡在质量分数为5%的硫酸钠溶液中，部分混凝土12个月内的力学性能变化如图1.1所示。碱矿渣混凝土受到硫酸钠侵蚀后抗压强度与水中养护试件强度相比有所下降，但下降幅度比普通硅酸盐水泥混凝土小。硫酸钠侵蚀后的碱矿渣混凝土中没有石膏和钙矾石等化学侵蚀产物，说明浸泡条件下碱矿渣混凝土具有较强的抗硫酸钠化学侵蚀能力。

图1.1 硫酸钠侵蚀下碱矿渣混凝土抗压强度

02

THE SEOND

Ismail等[4]制备了不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰净浆，并浸泡于质量分数5%硫酸钠溶液中，发现90天后各试件外观质量无明显变化（如图1.2所示），XRD和FTIR结果表明硫酸钠浸泡液利于碱矿渣微观结构发展，Provis[5]认为这是由于碱矿渣胶结材中铝相稳定，难以被硫酸钠侵蚀形成钙矾石等产物，而且硫酸钠对矿渣有激发作用，Bai等[6]研究也取得了相似结果。

图1.2 不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰试件硫酸钠侵蚀后外观质量，W/B=0.40; (B) W/B =0.50; and (C) W/B =0.60

Dzˇunuzovic´等[7]研究了碱激发矿渣/粉煤灰（AAFA-BFS）砂浆抗硫酸钠侵蚀能力，并选用抗硫酸盐水泥砂浆（ASTM CEM II）试件作为对比，210天内各试件在标养环境和质量分数5%的硫酸钠溶液中的力学性能如表1.2所示。碱激发矿渣/粉煤灰砂浆在硫酸钠侵蚀液中抗压强度持续增大，且增幅大于抗硫酸盐水泥砂浆。

表1.2 砂浆试件强度损失系数和强度增益系数

03

THE THIRD

Douglas[8]研究了碱矿渣混凝土浸泡在质量分数5%的硫酸钠溶液120天后的动弹性模量、脉冲速度、质量以及长度变化。他们发现，试件的长度变化甚至比浸泡在饱和石灰石水中的试件长度变化还要小。Hakkinen[9]通过测量在不同浓度硫酸钠溶液中浸泡的碱矿渣混凝土抗压强度，并选取了普通硅酸盐水泥混凝土作为对比，发现在1%硫酸钠溶液中浸泡2年后，所有试件均没有明显腐蚀迹象。但在10%硫酸钠溶液中，普通硅酸盐水泥混凝土完全破坏，而碱矿渣混凝土基本完好。Puertas等[10]以ASTM C1012方法研究碱激发矿渣/粉煤灰砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力，结果表明其具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力，而相比于水玻璃激发而言，NaOH激发的矿渣对硫酸盐侵蚀较敏感Rodríguez[11]、Hamdy El-Didamony[12]、与M. Komljenovic[7]等的研究也均发现，浸泡条件下碱矿渣砂浆/混凝土具有较强的抗硫酸钠化学侵蚀性能。

T.Bakharev[3]研究了浸泡条件下碱矿渣混凝土抗硫酸镁侵蚀能力，抗压强度结果见图1.3。由图可知，硫酸镁侵蚀后碱矿渣混凝土抗压强度较水中试件持续降低。他还发现侵蚀12个月碱矿渣混凝土主要侵蚀产物是石膏。

图1.3 硫酸镁侵蚀下碱矿渣混凝土抗压强度

Ismail等[4]制备了水胶比为0.4、0.5和0.6的碱矿渣/粉煤灰净浆试件，浸泡于质量分数5%的硫酸镁溶液中，90天后各试件均表现出不同程度崩解破坏（如图1.4），主要侵蚀产物是石膏和富镁凝胶（见图1.5）。

图1.4 不同水胶比碱激发矿渣/粉煤灰试件硫酸镁侵蚀后外观质量，(A) W/B =0.40; (B) W/B =0.50; and (C) W/B =0.60

图1.5 水胶比0.4试件（浸泡于硫酸镁）的SEM图片（A）石膏（B）富镁凝胶

/ 参考文献/

[1] 蒲心诚. 碱矿渣水泥与混凝土[M]. 科学出版社, 2010.

[2] 周焕海, 唐明述. 碱矿渣水泥的抗硫酸盐腐蚀性[J]. 混凝土与水泥制品, 1992 (3): 11-13.

[3] Bakharev T, Sanjayan J G, Cheng Y B. Sulfate attack on alkali-activated slag concrete[J]. Cement and Concrete research, 2002, 32(2): 211-216.

[4] Ismail I, Bernal S A, Provis J L, et al. Microstructural changes in alkali activated fly ash/slag geopolymers with sulfate exposure[J]. Materials and structures, 2013, 46: 361-373.

[5] Myers R J, Bernal S A, Gehman J D, et al. The Role of Al in cross‐linking of alkali‐activated slag cements[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98(3): 996-1004.

[6] Rashad A M, Bai Y, Basheer P A M, et al. Chemical and mechanical stability of sodium sulfate activated slag after exposure to elevated temperature[J]. Cement and Concrete Research, 2012, 42(2): 333-343.

[7] Džunuzović N, Komljenović M, Nikolić V, et al. External sulfate attack on alkali-activated fly ash-blast furnace slag composite[J]. Construction and Building Materials, 2017, 157: 737-747.

[8] Douglas E, Bilodeau A, Malhotra V M. Properties and durability of alkali-activated slag concrete[J]. Materials Journal, 1992, 89(5): 509-516.

[9] 史才军, 克利文科, 罗伊, 等. 碱-激发水泥和混凝土: Alkali-activated cements and concretes[M]. 化学工业出版社, 2008.

[10] Puertas F, Gutierrez R D, Fernández-Jiménez A, et al. Alkaline cement mortars. Chemical resistance to sulfate and seawater attack[J]. Materiales de Construccion, 2002, 52(267): 55-71.

[11] Rodríguez E, Bernal S, De Gutiérrez R M, et al. Alternative concrete based on alkali-activated slag[J]. Materiales de Construcción, 2008, 58(291): 53-67.

[12] El-Didamony H, Amer A A, Abd Ela-ziz H. Properties and durability of alkali-activated slag pastes immersed in sea water[J]. Ceramics international, 2012, 38(5): 3773-3780.

来源：郭琛煜

排版：余婷婷

审核：朱文睿  卢瑞雪

审定：方钰洁  陈海艳  刘皓天

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