磷酸镁水泥基材料硫酸腐蚀机制研究

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城市大规模基础设施建设增加了对资源、能源的需求,使得工业和生活废水、废气排放量逐年增加,造成的恶劣环境对于与空气或废水有着直接接触的水泥基材料腐蚀日趋严重。以城市排污管道为例,硫酸盐还原菌与氧化菌生物活动所产生的硫酸会使水泥基材料整体力学性能和耐久性能严重下降最终丧失承载力或原有功能,对被腐蚀破坏的水泥基材料的修补加固或拆除重建需要耗费巨大的人力、物力和财力。因此,寻找一种酸性恶劣环境下耐腐蚀的水泥基材料已成为迫切需要解决的问题。磷酸镁水泥(MPC)具有凝结硬化快、强度高、体积稳定性好、粘结性能优异等优点。作为一种酸碱水泥,MPC体系p H值接近中性,且其水化产物中不含有易与硫酸(H2SO4)反应的氢氧化物,因此,从理论上讲,MPC较普通硅酸盐水泥(OPC)具有更好的耐酸性。但目前研究多集中于MPC的基本组成、水化机理、力学性能和耐水性,对其在酸性环境下(如酸雨、排污管道)性能发展的研究相对较少。此外,已有MPC耐酸性研究结果之间存在明显差异,对酸性环境下MPC宏观性能、物相组成及微观结构演变也缺乏统一认知。针对上述问题,本文分别探究了两种目前最常用MPC(磷酸铵镁水泥MAPC与磷酸钾镁水泥MKPC)在不同p H(2-7)值H2SO4溶液和中性水环境下力学性能、体积稳定性、物相组成和微观结构的演变,并初步提出了MPC硫酸腐蚀机理。研究结果表明:(1)MAPC相较于MKPC耐酸性更强。在p H>2的H2SO4溶液中浸泡相同龄期后,相比在空气中养护的试样,MAPC试样抗压强度明显增加,MKPC试样抗压强度则随浸泡时间增加而逐渐降低,在p H=3的H2SO4溶液中浸泡28d后MAPC与MKPC试样抗压强度保留率分别为111.88%和86.26%。此外,MKPC砂浆试样线性长度变化率值更高,且其体积稳定性对H2SO4酸度敏感度更高。(2)MKPC体系物相组成及微观结构在H2SO4溶液侵蚀后发生更明显的变化,即MKPC对H2SO4溶液侵蚀及其酸度变化更为敏感。相比在空气中养护的试样,H2SO4溶液和水环境明显提高了试样的水化程度,在空气中和p H=2的H2SO4溶液中浸泡28d后MKPC试样水化程度分别为8.45%和18.42%。此外,在H2SO4溶液和水环境中浸泡28 d后,MAPC水化产物类型并没有发生变化,而MKPC中无定形水化产物向结晶型水化产物钾鸟粪石(struvite-K)的转变被加速,且struvite-K的非晶化受到了抑制,在p H=5的H2SO4溶液和在p H=7的水中浸泡28 d后MKPC块状试样中struvite-K含量分别增加5.14%和6.09%。此外,鸟粪石(struvite)和struvite-K晶体尺寸明显增加,且其含有的N或K元素大量流失。MKPC硬化体孔隙率明显增加,相比在空气中养护的MKPC净浆,在p H=2、3和5的H2SO4溶液及水中浸泡28 d后的MKPC试样孔隙率分别增加了5.38%、6.05%、8.58%和6.26%,其28 d抗压强度明显降低,表明孔隙增加对力学性能的负面作用大于水化程度提高所带来的积极影响。(3)Struvite和struvite-K在H2SO4环境中的稳定性是决定MPC耐酸性的主要因素。合成的struvite和struvite-K水化产物在不同p H值H2SO4溶液和水环境中溶蚀特性试验结果表明,在不更换侵蚀溶液状态下,struvite和struvite-K存在部分溶蚀,特别是在酸性更强的p H=2的H2SO4溶液中,且struvite-K发生明显的物相转变,在p H=3和5的H2SO4溶液及p H=7的水中浸泡后21 d后,struvite-K转变为新的结晶型水化产物TMP22。
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