坪頭水電站不同品種水泥的抗硫酸鹽侵蝕試驗研究

李光偉,周麒雯

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610071)

1 前 言

水工混凝土的工作環境一般都比較惡劣,因此耐久性是水工混凝土必須具有的性能。硫酸鹽侵蝕是影響水工混凝土耐久性的一項重要因素,也是影響因素最復雜、危害性最大的一種環境腐蝕。硫酸鹽廣泛分布于地球的各個地方,大部分土壤中都含有部分的硫酸鹽。由于巖石一般透水性較弱,因而導致降水在巖層中緩慢流動或滯留,在滲流途中充分溶解可溶鹽類礦物而成為礦化度較高的氯化物硫酸鹽型地下水。水利水電工程的地下廠房、泄洪洞以及導流洞等工程部位混凝土常常會受到含有較高濃度的硫酸鹽地下水的侵蝕,從而降低混凝土的耐久性,縮短混凝土結構的使用壽命。

坪頭水電站位于涼山彝族自治州美姑、昭覺和雷波三縣交界處,是美姑河流域梯級開發的最下游一個梯級電站。坪頭水電站具有日調節性能,以發電為主,裝機 180MW。工程樞紐由攔河閘壩、進水口、壓力隧洞、調壓井、埋藏式壓力管道、地下廠房、尾水調壓室和尾水隧洞等建筑物組成。對坪頭水電站當地的地下環境水進行的水質分析試驗結果表明:當地的地下水中硫酸鹽含量在 300～510mg/L,為 Ca-SO4型水,對混凝土具有弱～中等強度的硫酸鹽腐蝕。為保證水電站建筑物的長期安全,結合坪頭水電站的實際情況,開展了不同品種水泥對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究。

2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的測試及評價方法

硫酸鹽侵蝕是一個較為復雜的過程,在硫酸鹽介質中混凝土的破壞機理主要包括石膏侵蝕、鈣礬石型硫酸鹽侵蝕和鎂鹽侵蝕等,具體的侵蝕形式和結果取決于膠凝材料的性質、養護條件和侵蝕環境的溫度、濃度以及 pH值等。為了對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行測試和評價,國內外進行了多年研究,并制定了一系列的標準測試及評價方法,主要是從試件的膨脹量變化和試件的力學性能變化兩個方面進行。我國曾先后四次制定了用于水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法的國家標準:GB749-1965、GB/T2420-1981、GB/T749-2001和 GB/T749-2008,其中 GB/T749-2008為前三種標準的替代標準,它包括潛在膨脹性能試驗方法和浸泡抗蝕性能試驗方法。但這兩種試驗方法均采用小尺寸的水泥砂漿試件,無法完全反映混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

如何評估水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力是一個值得研究的課題。為了模擬工程的實際情況,分析水泥品種對混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力的影響,本次試驗研究以實際工程混凝土配合比成型試件,采用不同齡期硫酸鹽溶液養護的混凝土強度性能與淡水養護的混凝土強度性能的比值作為混凝土的抗蝕系數,評估混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。試驗時選用坪頭水電站工程實際采用的混凝土原材料,采用淡水作為混凝土的拌和水成型混凝土試件,在養護溫度為 20℃的條件下,分別將試件放置在淡水以及具有一定硫酸鹽含量的溶液中養護,試件養護至規定齡期,進行混凝土抗壓強度以及劈拉強度的試驗?；炷翉姸仍嚰叽鐬?150mm×150mm×150mm,試驗齡期分別為 7d、28d和 90d,試驗方法參見 DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》。

3 混凝土原材料的基本性能

采用坪頭水電站擬用的峨勝普硅水泥、峨勝中熱水泥和嘉華中抗硫酸鹽水泥進行水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究,水泥的化學成分見表1。

表1 水泥的化學成分 %

試驗采用坪頭水電站當地龍頭溝料場的白云細晶巖加工的人工骨料,其中粗骨料的表觀密度為2.72g/cm3,吸水率為 0.51%;人工砂的表觀密度為2.69g/cm3,細度模數為 2.61,石粉含量為 21%。試驗采用攀枝花 504廠的Ⅱ級粉煤灰(細度為 20%)和浙江龍游的 ZB-1A緩凝高效減水劑。

4 水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究

4.1 試驗結果與結論

在相同條件下,選用普硅水泥和中熱水泥進行混凝土抗硫酸鹽侵蝕的比較試驗,其中拌和水為淡水,養護水分別為含 350mg/L SO2+4的溶液和含600mg/L SO2+4的溶液,混凝土的強度等級為 C20,二級配,骨料比例為:中石∶小石 =50∶50,粉煤灰的摻量為 20%。養護條件對不同品種水泥混凝土強度性能的影響見表2。

試驗結果表明:

(1)當混凝土養護水中的硫酸鹽濃度增加時,無論采用普硅水泥還是中熱水泥所配制的混凝土的抗壓強度和劈拉強度均有所降低,表明養護水中的硫酸鹽對混凝土具有一定的腐蝕作用。隨著養護水中的硫酸鹽濃度的增加,混凝土的強度性能有所降低。在同等條件下,混凝土劈拉強度的降低值要大于抗壓強度的降低值,表明硫酸鹽的侵蝕對混凝土抗拉強度的影響要大于對抗壓強度的影響。

(2)在相同條件下,采用普硅水泥配制的混凝土強度的抗蝕系數較采用中熱水泥配制的混凝土強度的抗蝕系數高,其中抗壓強度的抗蝕系數高3.2%～15.2%,劈拉強度的抗蝕系數高 2.3%～11.4%,表明采用普硅水泥配制的混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力要優于采用中熱水泥配制的混凝土。

表2 普硅水泥與中熱水泥對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

為了模擬坪頭水電站工程混凝土有可能采用含有一定硫酸鹽的環境水作為混凝土拌和用水的實際情況,將拌合水和養護水同時采用含 600mg/L的溶液,在保持混凝土的配合比不變的條件下,進行普硅水泥、中熱水泥以及中抗硫酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的對比試驗,試驗結果見圖1。

由圖 1可見:

(1)在保持混凝土配合比一致的條件下,采用峨勝普硅水泥配制的混凝土抗壓強度和抗拉強度均要高于采用中熱水泥配制的混凝土抗壓強度和抗拉強度。其中齡期為 28d時,抗壓強度高 13.3%,劈拉強度高 15.2%;齡期為 90d時,抗壓強度高10.0%,劈拉強度高 7.4%。

圖1 水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

(2)在保持混凝土配合比一致的條件下,采用峨勝普硅水泥配制的混凝土早齡期的抗壓強度及劈拉強度與采用中抗硫酸鹽水泥配制的混凝土抗壓強度及劈拉強度一致,隨著齡期的延長,采用峨勝普硅水泥配制的混凝土抗壓強度及劈拉強度均高于采用中抗硫酸鹽水泥配制的混凝土抗壓強度及劈拉強度。其中齡期為 28d時,抗壓強度高 11.5%,劈拉強度高 15.8%;齡期為 90d時,抗壓強度高 13.9%,劈拉強度高 16.0%。

試驗結果表明:采用峨勝普硅水泥配制的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力要優于采用嘉華中抗硫酸鹽水泥以及峨勝中熱水泥配制混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

4.2 機理分析與討論

含有硫酸鹽的地下水對水工混凝土中硅酸鹽水泥的侵蝕主要體現在:環境水中的硫酸鹽與水泥石中的 Ca(OH)2和水化鋁酸鈣起反應生成水化硫鋁酸鈣(鈣礬石),產生體積膨脹或使水化硅酸鈣分解,從而破壞水泥石結構。水化鋁酸鈣主要來自于水泥中 C4AF和 C3A的水化。研究表明:在硫酸鹽的作用下,C4AF所形成的水化硫鐵酸鈣或與硫酸鈣的固溶體,系隱晶質呈凝膠狀析出,而且分布均勻,其膨脹性遠比鈣礬石小。因此降低水泥熟料中C3A的含量增加 C4AF的含量,可以提高水泥的抗硫酸鹽侵蝕的能力。另外,水泥中 C3S在水化時析出較多的 Ca(OH)2,而 Ca(OH)2又是造成溶出侵蝕的主要因素,適當減少 C3S的含量、增加 C2S的含量也能提高水泥的耐硫酸鹽侵蝕的能力。

峨勝中熱水泥的礦物組成與嘉華中抗硫酸鹽水泥的礦物組成相比,其 C3A含量僅為 1.92%,低于嘉華中抗硫酸鹽水泥中的 C3A含量(C3A為2.13%),因此在相同條件下,采用峨勝中熱水泥配制的混凝土其抗硫酸鹽侵蝕的能力要優于采用嘉華中抗硫酸鹽水泥配制的混凝土。

峨勝普硅水泥抗硫酸鹽侵蝕的能力優于中抗硫酸鹽水泥和中熱水泥抗硫酸鹽侵蝕能力的原因在于:(1)峨勝普硅水泥熟料的 C3A含量較其它普硅水泥熟料低,水泥又摻有 5%～20%的混合材,對C3A礦物具有一定的稀釋作用;(2)峨勝普硅水泥混合材的品種為生鐵爐渣、鐵合金爐渣和粉煤灰,不僅對硬化體結構中的毛細孔具有填充作用,而且具有一定的潛在的火山灰效應,可以減少混凝土中的Ca(OH)2以及游離氧化鈣含量,從而有效地提高水泥的抗硫酸鹽侵蝕的能力。

5 結 語

[1]汪瀾.水泥混凝土組成、性能、應用[M].北京:中國建材工業出版社,2005.

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