硫铝酸盐水泥抗高浓度硫酸盐侵蚀性能研究摘 要 根据新疆南疆某工程所在地地下水、土壤环境中实测硫酸镁浓度，采用水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法（K法）和扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析对硫铝酸盐水泥在高浓度硫酸镁侵蚀环境中的侵蚀破坏机理进行研究。
硫铝酸盐水泥在高浓度侵蚀环境中，水化产物钙矾石（AFT）不仅会分解生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）还会进一步发生完全分解生成石膏、铝胶和氢氧化钙。
侵蚀层主要是CSH-铝胶-Mg(OH) 2结合体和石膏，石膏的大量生成是造成试件掉渣掉角的主要原因。
关键词：硫铝酸盐水泥； 硫酸镁侵蚀；CSH-铝胶-Mg(OH) 2结合体；石膏中文分类号：TU528.338 文献标识码： A0前言 混凝土的抗侵蚀问题是影响混凝土耐久性的重要影响因素之一，新疆地区尤其是新疆南疆地区混凝土建筑物遭受高浓度硫酸镁侵蚀破坏问题尤其突出。
硫铝酸盐水泥由于其低碱、早强的特点在我国中东部地区已经得到广泛应用，但是基于新疆特定环境的硫铝酸盐水泥耐久性研究还不成熟。
本文基于新疆岳普湖县节水改造工程中遇到的混凝土侵蚀破坏问题，结合工程所在地的地下水和土壤中硫酸镁浓度检测结果[1] （见表1），对硫铝酸盐水泥抗高浓度硫酸镁侵蚀性能及侵蚀破坏机理做简要研究。
该工程地下水和土壤中SO42-、Mg2+浓度都达到了 GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中极端严重侵蚀环境等级。
研究硫酸镁对硫铝酸盐水泥的侵蚀破坏机理对于硫铝酸盐水泥在新疆地区的推广应用具有积极意义。
1 试验原材料和试验方法1.1 试验原材料硫铝酸盐水泥：采用唐山42.5快硬硫铝酸盐水泥，水泥化学成分见表2，物理性能指标见表3；减水剂：北京海马科技有限公司生产聚羧酸高效减水剂（液体，浓度23%）；缓凝剂：分析纯硼酸；砂：ISO标准砂；水：配制溶液用去离子水，制作试件用自来水。
1.2 试验方法采用宏观与微观相结合的方法进行研究，宏观上观测试件的外观侵蚀形貌、检测试件抗折强度与抗蚀系数，微观上观测水泥石内部内部结构与侵蚀产物。
参照GB/T749-2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》中浸泡抗蚀性能试验方法（K法）。
采用10mm×10mm×60mm水泥胶砂试件将制作好的水泥胶砂试件分别浸泡在规定浓度的硫酸镁侵蚀溶液和去离子水溶液中，以两者的抗折强度之比确定硫铝酸盐水泥抗蚀系数。
抗蚀系数具体计算公式见式（1）。
当抗蚀系数K低于0.8时，认为胶砂试件失去抗侵蚀能力。
微观上主要是利用扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪对水泥石的微观结构和侵蚀产物进行分析。
1.3 试验方案考虑水胶比对硫铝酸盐水泥抗蚀性能的影响选用0.3、0.5两个配合比，胶砂试件配合比见表4；研究硫酸镁双重侵蚀就必须分别对硫酸盐、镁盐侵蚀破坏机理进行研究作为参照，侵蚀溶液配制见表5；试验龄期设定为2个月、4个月、6个月、8个月、10个月和12个月。
2试验结果与分析2.1 硫铝酸盐水泥抗侵蚀性能分析水泥胶砂试件在不同侵蚀溶液中各龄期抗折强度（R）及抗蚀系数（K）测试结果见表6 。
硫铝酸盐水泥胶砂试件具有很好的抵抗硫酸盐侵蚀的性能，试件外观完整、微膨胀，水胶比对其抗侵蚀性能影响不大。
SAC-1、SAC-2在侵蚀溶液R2中抗折强度未见明显下降趋势，龄期12个月时仍能保持较高的抗蚀系数。
但是，水胶比较低的SAC-1强度随龄期增长出现波动现象，水胶比较高的SAC-2抗折强度随龄期变化相对稳定。
这主要是由于硫铝酸盐水泥后期水化生成AFT具有体积膨胀特性，它会造成水泥石内部产生大量微裂缝宏观表现为试件抗折强度下降；水泥继续水化AFT又会填充这些微裂缝宏观上表现为试件抗折强度上升，R2中试件抗折强度及抗蚀系数随龄期变化曲见图2。
硫铝酸盐水泥胶砂试件抗镁盐侵蚀破坏作用试件外观无明显变化，试件抗侵蚀性能受水胶比影响较大：水胶比0.3（SAC-1）的胶砂试件在R1中抗折强度度未见下降，龄期12个月仍能保持较高的抗蚀系数体现出较好的抗侵蚀性能；水胶比0.5（SAC-2）的胶砂试件在RI中龄期4个月时抗折强度开始出现下降趋势，龄期8个月抗蚀系数K=0.6＜0.8丧失了抗侵蚀能力，R1中试件抗折强度及抗蚀系数随龄期变化曲线见图1。
硫铝酸盐水泥胶砂试件基本可以抵抗高浓度硫酸镁的侵蚀破坏作用，试件出现掉渣掉角现象，但是龄期12个月SAC-1、SAC-2抗蚀系数都大于0.8未失去抗侵蚀能力。
试件抗折强度随龄期增长呈抛物线型变化，试验开始后试件抗折强度呈上升趋势SAC-1龄期8个月时达到峰值， AC-2龄期6个月时达到峰值，之后抗折强度呈下降趋势。
试验后期试件抗折强度下降说明遭受了一定程度的侵蚀破坏作用，同时随龄期增加侵蚀破坏作用可能还会增强甚至试件最终会丧失抗侵蚀性能，但是由于数据不足在此无法做出准确判断。
降低水胶比可以在一定程度上提高试件的抗侵蚀性能，SAC-1试件抗折强度开始下降的时间较SAC-2推迟2个月，同时其抗蚀系数较 SAC-2也有一定增高，R3中试件抗折强度及抗蚀系数随龄期变化曲线见图3。
2.2 硫铝酸盐水泥抗镁盐侵蚀机理分析硫铝酸盐水泥具有低碱度的特点，对pH值变化的敏感性较普通硅酸盐水泥更强。
硫铝酸盐水泥水化主要产物是AFT，其稳定存在的碱环境要求pH=11左右。
当pH值降低到一定程度时AFT就会发生分解生成片状的AFm[2-4]；当pH值进一步降低时AFT会发生分解生成铝胶、CaSO4和氢氧化钙,在这个过程中AFT分解的铝胶被 C - S - H 凝胶所吸收，氢氧化钙和Mg2+发生反应生成的氢氧化镁为无定型晶体, 易于团聚, 在材料中分散性差[5-6]，它会附着在C - S - H 凝胶表面形成CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体。
具体方程式如下：水胶比对硫铝酸盐水泥抗镁盐侵蚀性能影响较大。
水胶比较低的SAC-1水泥边缘覆盖一层致密的CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体，它阻塞了侵蚀介质向内的通道，保证水泥石内部水化的正常进行不受侵蚀介质的影响，通过SEM扫描电镜可以观察到侵蚀层主要物质为CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体它粘附在水泥石表面与水泥石内部结构界限分明，SAC-1在R1中龄期12个月能谱分析见图4；水胶比较大的SAC-2水泥石无明显的侵蚀层形成，侵蚀破坏已经侵入到水泥石内部，CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体广泛的分布在水泥石结构体各处，SAC-2在R1中龄期12个月能谱分析见图5。
2.3硫铝酸盐水泥抗硫酸镁侵蚀机理分析通过试件侵蚀破坏外观观测、SEM扫描电镜和能谱分析结果发现硫铝酸盐水泥侵蚀破坏是由外而内的过程，表现出明显的石膏型硫酸盐侵蚀的侵蚀破坏特征。
边缘层侵蚀初期，硫酸镁和硫铝酸盐水泥水化产物氢氧化钙反应生成无胶结能力的氢氧化镁和石膏。
氢氧化镁在试件件内部沉积破坏了保证AFT稳定存在的碱环境，AFT分解生成胶结能力较低的片状结构AFm；石膏的产生又促进硫铝酸盐水泥的进一步水化，重新生成的AFT使试件边缘层产生大量的膨胀裂缝为侵蚀介质向水泥石内部渗透提供了通道，相关反应见公式（4）。
边缘层侵蚀后期，AFT/AFm发生完全分解生成铝胶、石膏和氢氧化钙，相关反应见公式（5）。
产生的氢氧化钙又会和硫酸镁发生反应生成石膏和氢氧化镁。
此时硫铝酸盐水泥水化基本结束，大量的石膏在试件边缘层堆积，其膨胀破坏作用使试件的边缘层松散破碎，试件表面起砂、掉角，表现为明显的石膏型硫酸盐侵蚀破坏特征。
以上步骤循环往复进行，试件由外而内不断破坏。
侵蚀层主要组成部分为CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体和石膏；试件起砂的过程虽然是多因素综合作用的结构，但是石膏的生成仍然是其主要标志，但由于石膏量较少不是呈层状分布。
水胶比可以一定程度提高硫铝酸盐水泥的抗侵蚀性能但是无法从根本上阻止侵蚀破坏的发展，SAC-1、SAC-2在R3中龄期12个月SEM扫面电镜及能谱分析见图6、图7。
3 结论（1）硫铝酸盐水泥抗镁盐侵蚀性能与水胶比有较大关系，水胶比越低抗侵蚀性能越好，水胶比0.3时可以抵抗高浓度镁盐的侵蚀破坏作用。
（2）硫铝酸盐水泥可以抵抗高浓度硫酸盐侵蚀破坏作用与水胶比关系不大；适当的提高水胶比有利于解决硫铝酸盐水泥强度“倒缩”问题。
（3）硫铝酸盐水泥具有一定的抵抗高浓度硫酸镁侵蚀性能，降低水胶比可以提高其抗侵蚀性能。
硫铝酸盐水泥硫酸镁侵蚀破坏是由外而内进行的，侵蚀层主要成分为CSH-铝胶-Mg(OH)2共存体和石膏，石膏是造成试件掉渣掉角的主要原因。