水利工程PA改良注浆材料耐腐蚀性研究

王敬宇，唐 颖

(1.江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005；2.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223215)

2020年国家发展改革委、生态环境部等部委先后印发相关文件，对塑料污染治理工作作出整体部署和安排[1]。塑料在生产生活中应用广泛，是重要的基础材料，PA材料即是其中的一种。然而，由于PA材料具有良好的拉伸强度、耐冲击强度、刚性、耐磨性，因此被广泛用于改性混凝土，同时还能有效解决废弃塑料的环境污染问题[2]。而在水利工程建设中，混凝土是修建各种水工建筑物的重要材料[3-4]，其强度和各方面物理性质直接决定工程竣工后的服役年限和安全运营。因此，结合PA材料研究改性混凝土材料的工程性能，将对环境的保护和各建筑对象性能的提升有着重要意义。

目前，已有文献对PA改性混凝土的强度进行了相关研究[5]，但少有文献对PA改性混凝土的耐腐蚀性进行研究，多数学者都集中于对普通混凝土和部分改良混凝土进行研究。侯莹莹[5]采用单掺杂、混合掺杂聚丙烯纤维(PF)和钢纤维(SF)的方法, 制备了混杂纤维增强混凝土(HFRC)，利用液压试验机、落锤试验、硫酸钠浸泡腐蚀等方法评估了纤维增强混凝土的抗压强度、冲击韧性以及耐硫酸盐腐蚀性能。李北星[6]等针对硫酸盐盐渍土地区半埋混凝土的耐久性，开展了3种大掺量矿物掺合料混凝土在硫酸钠溶液中的半浸泡干湿循环试验，研究了硫酸盐半浸泡混凝土的腐蚀破坏机理，以及矿物掺合料在其中发挥的作用。孙绍霞[7]等以青岛某游艇产业园桩基工程为依托，通过制备7种不同配合比的桩基混凝土试样，分析了不同龄期混凝土的力学性能，并采用RCM法分析混凝土抗氯离子渗透性能,并采用室内176d模拟加速试验分析其抗硫酸盐腐蚀性能。乔宏霞[8]等针对因钢筋腐蚀而造成镁水泥钢筋混凝土使用寿命较短的问题，制备不同涂层钢筋的镁水泥混凝土试件，通过CS350工作站及其分析软件对不同龄期试件进行测试分析,根据腐蚀电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率及涂层电阻等电化学参数,衡量同种涂层钢筋在不同环境下的抗腐蚀性能。

本文为研究PA改良混凝土的耐腐蚀性能，以传统硅酸盐混凝土为参照物，分析PA改良混凝土在不同酸性环境下的强度、质量损失，以期为认识和了解PA改良混凝土的耐腐蚀性提供参考。

1 原材料及试验设计

1.1 原材料

采用浙江某电厂的粉煤灰作为原材料，密度为2.36 g/cm3，比表面积2 800 cm2/g，属于F级粉煤灰，通过XRD光谱分析，测得其主要的化学成分为SiO2、Al2O3，CaO。复合碱激发剂由水玻璃和NaOH按一定的比例配合而成，水玻璃为市售液体水玻璃，NaOH为无锡亚泰联合化工公司生产的纯度高于99%的固体分析纯。试验所用的浓硫酸、浓盐酸、硫酸镁试剂均为优级纯试剂，购于扬州市华富化工有限公司, PA材料购于东莞市霖源实业有限公司，表观密度27.7 kg/m3。图1为本次试验用PA材料，图2为本次试验用混凝土浆液，表1为硅灰各组分含量。

表1 硅灰各组分含量

图1 试验用PA材料

图2 试验用混凝土浆液

根据前期的配合比设计，此次试验配料为PA 220 kg/m3，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3。试验先在搅拌机中干拌3 min，之后将配好的硅酸钠溶液、氢氧化钠溶液添加到固体中，湿拌4 min，同时制备参照组。新拌混凝土颜色较深，外观光亮，将其装入100 mm×100 mm×100 mm中振动成型，待观察无任何凝结迹象，抗压强度无任何退化后，送入养护箱养护28 d。

1.2 试验设计

当PA改性混凝土块养护龄期达到28 d后，将其分别浸泡在HCl、H2SO4和MgSO4溶液中，其中每种溶液包含5%、8%、10% 共3种浓度，浸泡时间为7、14、28 d。试验中，普通硅酸盐混凝土将作为对照组，不进行浸泡，试验前后主要观察指标为立方体抗压强度与质量变化量。表2为本次试验设计方案。

表2 试验设计方案

2 PA混凝土在酸性溶液中抗压强度对比

本次混凝土立方体抗压试验仪器采用由济南悦达实验仪器有限责任公司生产的混凝土轴心抗压试验机，主要参数包括最大试验力2 000 kN、压盘尺寸Φ300 mm、加荷速率0.1～25 kN/s。图3为本次试验仪器。

图3 立方体抗压仪器

试验时，每组3块试件，养护28 d后，按照最新标准《混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)，分别进行立方体抗压强度测试，得到其平均值。表3中给出了普通硅酸盐混凝土与PA混凝土的未浸泡28 d立方体抗压强度，以及分别浸泡在酸溶液中不同天数后的抗压强度平均值。由表3可知，未浸泡时，PA改良混凝土的强度要低于普通硅酸盐混凝土，但是这与水灰比(W/C)、塑料集料替代度(RPA)、废塑料的类型和形状等有关, 具体可参考文献[9]。两种混凝土在酸溶液中浸泡之后，抗压强度都随浸泡天数逐渐降低。在盐酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土强度由50.2 MPa降低至39.8 MPa，而在硫酸溶液中浸泡28 d后，强度降低至20.6 MPa。对于PA混凝土，在盐酸溶液中浸泡28 d后，强度由37.6 MPa降低至30.7 MPa；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，强度降低至28.1 MPa。在盐酸溶液中出现强度降低是由于骨架结构中的 Si-O-Si、Si-O-Al 结构块体开始溶解并重组生成少量沸石，沸石的生成对块体的强度发展不利；而在硫酸溶液中，混凝土块孔隙会生成部分硫酸钙，从而破坏了孔隙结构，导致强度降低。

表3 浸泡与未浸泡的立方体抗压强度

为进一步对比普通混凝土耐酸性能与经过PA改良后的混凝土耐酸性能差异，将浸泡在盐酸与硫酸中7、14、28 d后的抗压强度降低比分别绘制于图4与图5中。

图4 HCl溶液中强度降低比

图5 H2SO4溶液中强度降低比

由图4可知，PA混凝土在盐酸中的强度降低比明显低于普通混凝土。其中，在浸泡7d后，普通混凝土强度损失13.1%，PA混凝土损失8.8%；在浸泡14 d后，普通混凝土强度损失17.7%，PA混凝土损失13.3%；在浸泡28 d后，普通混凝土强度损失20.7%，PA混凝土损失18.4%。由图5可知，PA混凝土耐酸性能同样表现优异。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土强度损失25.9%，PA混凝土损失12.7%；在浸泡14 d后，普通混凝土强度损失42.8%，PA混凝土损失17.8%；在浸泡28 d后，普通混凝土强度损失58.9%，PA混凝土损失25.3%。此外，两种混凝土在硫酸溶液中的腐蚀性要高于在盐酸溶液中的腐蚀性。

3 PA混凝土在酸性溶液中质量损失率对比

为进一步对比分析普通混凝土与经过PA改良后的混凝土在酸溶液中的质量损失，表4中给出了普通硅酸盐混凝土与PA混凝土块的未浸泡前质量，以及分别浸泡在酸溶液中不同天数后的质量平均值。由表4可知，两种混凝土在酸溶液中浸泡之后，质量都随浸泡天数逐渐减少。在盐酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土质量由8.71 kg降低至8.44 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，质量降低至8.10 kg。而对于PA混凝土，在盐酸溶液中浸泡28 d后，质量由7.84 kg降低至7.76 kg；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，质量降低至7.58 kg。

表4 浸泡与未浸泡的混凝土块质量损失

将浸泡在盐酸与硫酸中7、14、28 d后的质量损失率分别绘制于图6与图7中。

图6 HCl溶液中质量损失百分比

图7 H2SO4溶液中质量损失百分比

由图6可知，PA混凝土的质量损失率明显低于普通混凝土，且在盐酸中的损失速率也低于普通混凝土。其中，在浸泡7 d后，普通混凝土质量损失1.38%，PA混凝土损失0.51%；在浸泡14 d后，普通混凝土质量损失1.95%，PA混凝土损失0.64%；在浸泡28 d后，普通混凝土质量损失3.1%，PA混凝土损失1.02%。由图7可知，在硫酸溶液中浸泡7 d后，普通混凝土质量损失4.59%，PA混凝土损失1.4%；在浸泡14 d后，普通混凝土质量损失6.08%，PA混凝土损失2.55%；在浸泡28 d后，普通混凝土质量损失7%，PA混凝土损失3.3%。此外，两种混凝土在硫酸中溶液中的质量损失率要高于在盐酸溶液中的质量损失。

4 结 论

本文为研究PA改良混凝土的耐腐蚀性能，以传统硅酸盐混凝土为参照物，分析了PA改良混凝土在不同酸性环境下的强度、质量损失，结论如下：

1)硫酸溶液对普通混凝土与PA混凝土的腐蚀性要高于盐酸溶液的腐蚀性，但PA混凝土在两种酸溶液中的强度明显高与普通混凝土。其中，在盐酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土强度损失20.7%，PA混凝土仅损失18.4%；而在硫酸溶液中，普通混凝土强度损失58.9%，PA混凝土仅损失25.3%。

2)两种混凝土在硫酸溶液中的质量损失率要高于在盐酸溶液中的质量损失。但PA混凝土的质量损失率明显低于普通混凝土。其中，在盐酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土质量损失3.1%，PA混凝土仅损失1.02%；而在硫酸溶液中浸泡28 d后，普通混凝土质量损失7%，PA混凝土仅损失3.3%。