磷铝酸盐水泥混凝土抗渗性能研究

磷铝酸盐水泥混凝土抗渗性能研究

赵子鹏

张家港德申混凝土有限公司  江苏苏州张家港市 215600

摘要：探讨磷铝酸盐水泥混凝土抗渗性能，主要从透气性、吸水性、水渗透率等角度评估抗渗能力。借助实验的方式探讨磷铝酸盐水泥混凝土水化产物的物相组成和孔结构特征。结论显示：该类型混凝土抗渗性能良好，经过四周养护后混凝土水化物增多，结构致密性增强，抗渗性能提升。建筑工程施工中可使用该材质混凝土提高建筑质量。

关键词：磷铝酸盐水泥；抗渗性能；混凝土

建筑施工中构筑物易出现结构性破坏，原因是材料性能无法满足构筑物荷载要求，同时环境因素对原料性能产生影响，混凝土材料经过理化副反应后致密性与结构性能发生改变，从而导致建筑出现结构性损坏。相对混凝土材料而言，氯离子渗入到混凝土中会产生扩散、电化学迁移等现象，限制氯离子扩散的因素是水泥孔结构和氯离子吸附能力，为了保障混凝土材料的抗渗性能，在水泥类型选择时需分析其元素配比。水泥类型作为影响氯离子扩散能力的主要因素，在结构工程中采用的混凝土以硅酸盐水泥为主，由于常用硅酸盐水泥存在早期强度较低、易发生化学反应等问题，在特定场景中无法使用常规硅酸盐水泥，否则将破坏构筑物结构性能。磷铝酸盐水泥作为早期强度高且抗渗性能佳的水泥类型之一，受自身体系影响，该类型水泥具有优异的碱度和特殊的水化生成物，让其具备十分优异的护筋能力。对此，本研究通过探讨磷铝酸盐水泥混凝土的透气性、吸水性及氯离子渗透性等，剖析磷铝酸盐水泥混凝土作用机理，为其推广与运用奠定基础。

1 试验准备

1.1试验原料

原料类型及来源见表1。磷铝酸盐水泥混凝土中水泥用量为500kg/m3，水用量为164kg/m3，砂用量为692kg/m3，石用量为1087kg/m3，减水剂用量为1.5kg/m3，混凝土密度为2433kg/m3。硅酸盐水泥混凝土中水泥用量为500kg/m3，水用量为164kg/m3，砂用量为692kg/m3，石用量为1087kg/m3，减水剂用量为3.5kg/m3，混凝土密度为2431kg/m3。

表1 原料类型及来源

1.2试验仪器及试验方法

按照混凝土拌合标准及混凝土力学性能要求，设计试验流程。混凝土表面透水性及吸收率采用样本检测的方式，样本为长度0.1m的混凝土立方体，使用自动渗透性能测试设备检测样本性能。性能检测之前将样本放置在烘干箱中烘干，温度控制在室温，烘干时间为一天，测试过程中间隔一分钟测试构件的透气性及吸水量，共检测十五分钟。考虑到前五分钟数据不稳定的问题，在数据统计中将前五分钟数据删除，仅保留后十分钟数据。磷铝酸盐水泥混凝土抗水渗透性能参照混凝土试验规程，氯离子测试参照耐久性标准，普通硅酸盐水泥混凝土样本制备一天后脱模处理，磷铝酸盐水泥混凝土样本成型六小时脱膜处理。将两种水泥防治在标准养护区域内，在温度20℃的环境中养护。本试验使用的设备包括自动渗透性测试设备、离子扩散系数测定设备、X射线衍射设备等。

2 结果与分析

2.1 磷铝酸盐水泥混凝土透气性能与吸水性能分析

磷铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土表现透气性与吸水性的评价分别用l和k表示，二者分别代表透气系数与吸水系数。实验测定曲线见图1、图2。从图中可以看出磷铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土透气系数为0.0137×ln(p/mbar)/min、0.032×ln(p/mbar)/min，二者吸水系数分别为0.0456×10-7m3/min0.5、0.0796×10-7m3/min0.5。从数据中发现，两种混凝土透气性与吸水性差异十分明显，磷铝酸盐水泥混凝土相比于普通硅酸盐水泥混凝土透气性的1.42倍，吸水性约为1.57倍。从图中可以发现，磷铝酸盐水泥混凝土透气级别与吸水级别均优于常规硅酸盐混凝土。对两种混凝土进行抗压试验，结论表明，磷铝酸盐水泥混凝土三天后的抗压强度占养护四周后的抗压强度的79%，养护一种的抗压强度占养护四周的抗压强度的92%，后期养护对混凝土抗压强度的影响较小，其原因是磷铝酸盐水泥混凝土与硅酸盐混凝土水化产物及机理存在差异，前者拥有快速干硬的属性，早期强度较大，会产生很多水化产物，在交联作用下形成致密三维网络结构，在水化反应的影响下，生成的水化产物持续填充内部孔隙，导致混凝土内部孔隙数量下降，其致密性增强，所以混凝土早期抗压强度较大。

图1 吸水量拟合曲线

图2 透气性拟合曲线

2.2 磷铝酸盐水泥混凝土抗水渗透性与氯离子渗透性能分析

对不同养护周期的两种混凝土渗水性能与氯离子渗透性进行分析。结论表明，在养护时间的延长下，混凝土材料的渗透系数持续下降，其原因是水泥水化现象生成大量水化产物，让混凝土致密性增强。与此同时，磷铝酸盐水泥混凝土抗渗性能显著强于普通硅酸盐混凝土，在相同养护时间下磷铝酸盐水泥混凝土渗透系数及氯离子扩散能力强于普通硅酸盐水泥，约是普通硅酸盐混凝土的1.5倍、1.42倍。在养护时间的延长下，磷铝酸盐水泥混凝土渗透系数下降速度减缓，比普通硅酸盐混凝土慢，原因是两种水泥体系存在差异，水化产物及反映原理不同，前者在早期快速水化形成致密体系，抗渗能力更强，但是随着养护时间的延长，普通硅酸盐水泥水化反应程度与磷铝酸盐水泥混凝土的差距逐渐减小，渗透系数下降速度减小。

2.3 硬化浆体X射线衍射分析

考虑到两种混凝土选用的水泥体系不同，水化生成物及水化速度存在差异，为了判断水化生成物和混凝土抗渗能力的关系，分析经过四周养护的硬化混凝土进行X射线衍射分析。磷铝酸盐水泥混凝土与硅酸盐水泥混凝土水化产物见表2.

表2 磷铝酸盐水泥混凝土与硅酸盐水泥混凝土水化产物

磷铝酸盐水泥混凝土硬化浆体三天后水化产物对应的X射线衍射图谱与养护四周后的图谱差别不显著，意味着两个养护周期下该混凝土水化产物变化不明显，验证上述结论。造成这一结果的原因是磷铝酸盐水泥混凝土矿物中磷离子和氯离子不等价，导致混合物中大量离子处于缺陷状态，混凝体体系的水化活性增强，其水化反应集中在混凝土配比初期，表现为早期强度大的特点。硅酸盐水泥混凝土养护三天和四周的X射线衍射图谱差异较大，其原因是该混凝土早期水化反应速度较慢，后期水化反应持续进行导致强度持续增大。从整体上看，磷铝酸盐水泥混凝土具有早强、快硬的特点，在早期快水化反应下，混凝土内部形成致密结构，在水化反应的持续进行下，致密结构的密度越来越大，混凝土强度不断提升。磷铝酸盐水泥混凝土水化产物之一是羟基磷灰石，该物质中含有羟基与磷酸盐基团，很容易被相同性质的离子取代，因此可发挥固话氯离子的功能。除此之外，磷铝酸盐水泥混凝土不包含CH，可避免混凝土生成可溶性及破坏性的盐，这些因素的存在让该混凝土抗渗透性能优异。

2.4 硬化浆体的微观结构分析

混凝土抗渗透性能与微观结构相关，结合上述试验结果，为了更直观的分析抗渗能力和微观结构的关联，将养护四周的混凝土进行微观结构分析。磷铝酸盐水泥混凝土养护四周的混凝土孔隙率与平均孔直径小于硅酸盐混凝土，同时孔径小于100nm的孔隙占比58%，原因是该类型水泥制备的混凝体致密性较强。针对两种混凝土交流抗阻的测定，包括高频与低频两个测区，磷铝酸盐水泥混凝土交流阻抗谱图到原点的距离要略大于硅酸盐混凝土，意味着高频区和孔溶液电阻到原点的距离大于硅酸盐混凝土，和孔隙率与体系孔溶液离子类型相关。

结束语：

磷铝酸盐水泥混凝土表面透气性与吸水性能优于硅酸盐混凝土，养护自首后的磷铝酸盐水泥混凝土表面透气系数及吸水系数分别为0.0137×ln(p/mbar)/min、0.0456×10-7m3/min0.5。磷铝酸盐水泥混凝土抗水渗性及氯离子渗透性优于硅酸盐水泥混凝土，在养护时间的延长下渗透系数有所减小，但下降速度小于硅酸盐水泥混凝土，造成这一结果的原因是两种水泥体系不同，反应机理及水化产物不同。磷铝酸盐水泥混凝土抗渗性能整体上优于硅酸盐水泥混凝土。

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