摘要
通过分析砂浆的外观、质量损失率和耐蚀系数,结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和元素能谱分析(EDS)等微观测试手段,对比研究了硅酸盐水泥、铝酸盐水泥浆体在硫酸、柠檬酸溶液中的腐蚀规律与机理.结果表明:与硫酸溶液相比,柠檬酸溶液对两种水泥砂浆的腐蚀能力更强;与硅酸盐水泥相比,铝酸盐水泥表现出了较好的耐酸腐蚀性能,主要原因在于铝酸盐水泥硬化浆体中含有大量铝胶,在硫酸溶液中能够中和更多
水泥基材料在服役过程中难免会受到各种严酷环境的影响,造成不同程度的损伤甚至彻底破
受到酸雨、工业废水以及生活污水中腐蚀性离子的影响,未受保护的水泥基材料结构易被腐蚀,结构缺陷增多,整体力学性能和耐久性能严重下
基于此,经过分析污水成分和参考相关文
硅酸盐水泥为山东鲁城水泥有限公司生产的P·Ⅰ 42.5水泥,铝酸盐水泥为铄辉耐火材料有限公司生产的CA50水泥.水泥(C)的化学组成(质量分数,文中涉及的组成、水胶比等均为质量分数或质量比)如
Cement | CaO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | SO3 | MgO | K2O | Na2O | IL |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Portland cement | 62.30 | 20.98 | 4.18 | 3.45 | 2.93 | 1.27 | 1.02 | 0.27 | 3.60 |
Aluminate cement | 35.00 | 4.30 | 53.00 | 3.10 | 0.57 | 0.37 | 0.80 | 0.30 | 2.56 |
制备砂浆所用砂(S)为ISO标准砂,减水剂(PCE)为聚羧酸系减水剂.水(W)为饮用自来水.硫酸和柠檬酸均为化学纯试剂,试验时配制为浓度0.1 mol/L的酸溶液,经测试,硫酸溶液pH值为0.96,柠檬酸溶液pH值为2.12,说明柠檬酸为弱酸.
按照
Mortar | w(PCE)/% | mW/mC | mC/mS | Expension/mm |
---|---|---|---|---|
Portland mortar | 0.10 | 0.4 | 1∶3 | 180 |
Aluminate mortar | 0 | 0.4 | 1∶3 | 185 |
质量损失率的计算式为:
(1) |
式中:MLR为砂浆的质量损失率,%;为腐蚀后表干状态下砂浆试件的质量,g;为腐蚀前表干状态下砂浆试件的质量,g.
耐蚀系数为分别浸泡于酸溶液与水中相同时间的砂浆试件抗压强度的比值.抗压强度的测试按照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行.
为探究酸溶液对水泥浆体微观结构的影响,制备了水泥净浆试件并对其进行了微观表征.采用水胶比为0.3,制备尺寸为2.5×3.0 cm的水泥净浆试件,1 d后拆模,标准养护28 d.将净浆试件分别浸泡于浓度为0.1 mol/L的硫酸与柠檬酸溶液中,净浆试件与酸溶液的固液体积比为1∶4,酸溶液每2周更换1次.腐蚀60 d后取出试件,将其表面清理干净后横向切割,得到净浆的横截面,见

图1 酸腐蚀60 d后的净浆横截面
Fig.1 Cross section of paste after acid corrosion for 60 d
对试件腐蚀区采用SEM‑EDS和XRD进行形貌观察、元素分布分析以及物相表征. XRD测试采用日本理学Rigaku Ultima Ⅳ型X射线衍射分析仪,扫描范围为5°~90°,扫描速率为10(°)/min.SEM分析采用ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜.EDS测试采用牛津Xplore能谱仪.
受酸腐蚀的砂浆外观变化见图

图2 硫酸溶液中硅酸盐水泥砂浆外观随腐蚀时间的变化
Fig.2 Appearance change of Portland cement mortar in sulfuric acid with corrosion time

图3 柠檬酸溶液中硅酸盐水泥砂浆外观随腐蚀时间的变化
Fig.3 Appearance change of Portland cement mortar in citric acid with corrosion time

图4 硫酸溶液中铝酸盐水泥砂浆外观随腐蚀时间的变化
Fig.4 Appearance change of aluminate cement mortar in sulfuric acid with corrosion time

图5 柠檬酸溶液中铝酸盐水泥砂浆外观随腐蚀时间的变化
Fig.5 Appearance change of aluminate cement mortar in citric acid with corrosion time
由图

图6 砂浆在酸溶液中的质量损失率随腐蚀时间的变化
Fig.6 Changes of mass loss rates of mortars in acid solutions with corrosion time
由

图7 砂浆在酸溶液中的耐蚀系数随腐蚀时间的变化
Fig.7 Changes of corrosion resistance coefficients of mortars in acid solutions with corrosion time
由
从以上的宏观试验结果来看,柠檬酸虽然是弱酸,但其对两种水泥的腐蚀速率比相同浓度下硫酸溶液的腐蚀速率更快,说明弱酸也能够对水泥基材料造成较严重的腐蚀.
受硫酸溶液腐蚀60 d的硅酸盐水泥净浆腐蚀产物的SEM图像、腐蚀层的SEM图像、不同腐蚀区域的XRD图谱以及对腐蚀区域进行EDS线扫描得到的元素分布图谱如

图8 受硫酸溶液腐蚀60 d的硅酸盐水泥净浆腐蚀层的微观表征
Fig.8 Microscopic tests of Portland cement paste corrosion layer corroded by sulfuric acid for 60 d
根据
硫酸溶液对硅酸盐水泥浆体的腐蚀机理可解释为:
受柠檬酸腐蚀60 d的硅酸盐水泥净浆腐蚀产物的SEM图像、腐蚀层的SEM图像、不同腐蚀区域的XRD图谱以及对腐蚀区进行EDS线扫描得到的元素分布图谱如

图9 受柠檬酸溶液腐蚀60 d的硅酸盐水泥净浆腐蚀层的微观表征
Fig.9 Microscopic tests of Portland cement paste corrosion layers corroded by citric acid for 60 d
由
柠檬酸溶液对硅酸盐水泥浆体的腐蚀机理可解释为:
受硫酸溶液腐蚀60 d的铝酸盐水泥净浆腐蚀产物的SEM图像、腐蚀层的SEM图像、不同腐蚀区域的XRD图谱以及对腐蚀区进行EDS线扫描得到的元素分布图谱如

图10 受硫酸溶液腐蚀60 d的铝酸盐水泥浆体腐蚀层的微观表征
Fig.10 Microscopic tests of aluminate cement paste corrosion layers corroded by sulfuric acid for 60 d
由
硫酸溶液对铝酸盐水泥的腐蚀机理可解释为:在硫酸溶液中,铝酸盐水泥浆体表面有C
受柠檬酸腐蚀60 d的铝酸盐水泥净浆腐蚀层的SEM图、不同腐蚀区域的XRD图谱以及对腐蚀区进行EDS线扫描得到的元素分布图谱如

图11 受柠檬酸溶液腐蚀60 d的铝酸盐水泥浆体腐蚀层的微观表征
Fig.11 Microscopic tests of aluminate cement paste corrosion layers corroded by citric acid for 60 d
由
柠檬酸溶液对铝酸盐水泥的腐蚀机理可解释为:在柠檬酸溶液中,铝酸盐水泥浆体表面有C
浆体的腐蚀层总厚度可以直接反映腐蚀程度.根据微观测试结果,按照浆体腐蚀严重程度对4种体系进行排序为:硅酸盐水泥-柠檬酸硅酸盐水泥-硫酸铝酸盐水泥-柠檬酸铝酸盐水泥-硫酸,这与砂浆耐蚀系数的分析结果一致,而与质量损失率的分析结果有偏差.这说明,与质量损失率相比,耐蚀系数可以更加准确地表征砂浆的腐蚀程度.其原因在于:一方面,在质量损失率的测试过程中需要保证砂浆表干状态,而砂浆的腐蚀层较松散、易吸水,判定砂浆表面是否达到表干状态存在较大的主观误差;另一方面,砂浆表面的腐蚀层以及腐蚀产物可能存在虽已无强度但仍能附着于砂浆表面的情况.而耐蚀系数是对砂浆真实强度的评估.
两种水泥浆体在柠檬酸溶液中的腐蚀程度均比在硫酸溶液中更严重.这是因为:在硫酸溶液中,生成的腐蚀产物二水石膏可以附着于浆体表面,为浆体提供保护层,在腐蚀产物层剥落前,可以暂时阻隔
与硅酸盐水泥相比,铝酸盐水泥浆体具有更好的耐酸腐蚀性能.这是因为:铝酸盐水泥中Al2O3含量较高,而CaO含量相对较少,在硫酸溶液中,与Ca(OH)2相比,Al(OH)3可以中和更多的
(1)质量损失率在一定程度上能够反映水泥砂浆受酸腐蚀的程度,但由于酸腐蚀的复杂性,耐蚀系数更能准确地反映砂浆受酸腐蚀的程度.
(2)与相同浓度的硫酸溶液相比,柠檬酸溶液对硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的腐蚀程度更严重,主要原因为:硫酸溶液中的腐蚀产物二水石膏附着于浆体表面,可以暂时阻隔
(3)铝酸盐水泥的耐硫酸腐蚀和耐柠檬酸腐蚀能力优于硅酸盐水泥,主要原因在于铝酸盐水泥中Al2O3含量较高,浆体硬化后存在大量铝胶,在硫酸溶液中中和Al(OH)3需要的
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