改性高抗硫耐腐蝕混凝土的研究與應(yīng)用

艾洪祥，劉軍，朱炎寧，康明

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆　830006）

改性高抗硫耐腐蝕混凝土的研究與應(yīng)用

艾洪祥，劉軍，朱炎寧，康明

（中建西部建設(shè)股份有限公司，新疆830006）

本項目通過三摻粉煤灰、粒化高爐礦渣、硅灰等取代部分水泥，再摻入一定量的抗裂防腐劑，通過三摻礦物摻合料及抗裂防腐劑共同作用下，充分發(fā)揮其互補效應(yīng)，減少了水泥石的孔隙，提高了混凝土的密實度，優(yōu)化配合比，配制改性高抗硫耐腐蝕混凝土。試驗結(jié)果表明，摻入 35%～40% 的磨細(xì)粉煤灰和粒化高爐礦渣及 4%～6% 的硅灰能有效的提高混凝土抗氯離子滲透性能，抗硫酸鹽侵蝕能力及抗壓強度。

礦物摻合料；抗裂防腐劑；密實度、抗硫酸鹽侵蝕

0　前言

新疆地處干旱地區(qū)，鹽堿土地面積大，而鹽堿地的土壤與地下水中含有很高的硫酸鹽，同時往往還伴隨著鎂鹽，其中 SO42-濃度常在 1000mg/L 以上，有的甚至高達(dá)30000mg/L，例如烏魯木齊市南湖區(qū)地下水中 SO42-濃度達(dá)3784mg/L，沙區(qū)北園春地下水中 SO42-濃度達(dá) 1244mg/L。根據(jù) GB/T 50476-2008 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中“水、土中硫酸鹽和酸類物質(zhì)環(huán)境作用等級”相應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)，上述環(huán)境水中的 SO42-濃度會對水泥混凝土造成非常嚴(yán)重的硫酸鹽侵蝕。

常規(guī)的防腐手段多為采用高抗硫水泥或者外層涂抹保護層，成本高、效果持續(xù)時間短，而本項目研制的改性高抗硫耐腐蝕混凝土采用普通水泥、礦物摻合料、新型抗裂防腐劑，優(yōu)化混凝土配合比后可以顯著提高混凝土抗硫酸侵蝕能力。

針對2013年開始施工建設(shè)的源凱第壹城、高新區(qū)科研總部基地等工程，處于高硫酸鹽土壤地帶，如不采取相應(yīng)的防腐措施，會對構(gòu)筑物帶來巨大的侵蝕破壞。本技術(shù)是新疆西建科研檢測有限責(zé)任公司于2012年奇臺縣芨芨湖站防腐蝕混凝土技術(shù)服務(wù)工作基礎(chǔ)上的進一步深入研究，對于解決高硫酸鹽土壤地帶的構(gòu)筑物腐蝕問題，有著顯著的效果。

鹽漬土環(huán)境嚴(yán)重威脅到建筑物的安全，因此耐腐蝕混凝土配制技術(shù)的開發(fā)顯得尤為重要。本項目根據(jù)鹽漬土地區(qū)特殊的土質(zhì)與水質(zhì)，通過摻加高性能礦物摻合料與新型外加劑，優(yōu)化配合比，降低混凝土氯離子滲透能力，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力，從而得到一種能在鹽漬土地區(qū)應(yīng)用的新型耐腐蝕混凝土。

1　試驗

1.1試驗原材料

水泥:吉木薩爾縣天宇華鑫水泥開發(fā)有限公司P?O 42.5R水泥，28d抗壓強度為 51.3MPa，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.9%，其余各項性能指標(biāo)符合GB/T 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》的要求。

粉煤灰：紅雁池二電廠 Ⅱ 級灰，細(xì)度為 15.2%，需水量比為 95%。

磨細(xì)粉煤灰：中建西部建設(shè)股份有限公司烏魯木齊分公司生產(chǎn)，比表面積為 590m2/kg，需水量比為 97%，28d 活性指數(shù)為 96%。

粒化高爐礦渣：中建西部建設(shè)股份有限公司烏魯木齊分公司生產(chǎn)，比表面積為 440 m2/kg，需水量比為 97%，28d 活性指數(shù)為 103%。

硅灰：新疆哈密硅灰石礦生產(chǎn)的硅灰粉，SiO2含量為95%，需水量比為 122%，28d 活性指數(shù)為 114%。

細(xì)骨料：采用天然水洗砂，屬于 I 區(qū)粗砂，細(xì)度模數(shù)為3.5。

粗骨料：采用 5～20mm，20～40mm 連續(xù)級配的卵石。

外加劑：采用江蘇蘇博特聚羧酸減水劑，減水率達(dá)25%以上，防腐劑采用河北同邦抗硫酸鹽侵蝕防腐劑，摻量為6%～10%。

1.2試驗方法

耐腐蝕混凝土混凝土膠砂試驗按照 GB/T 17671-1999《水泥強度檢驗方法（ISO法）》進行。

耐腐蝕混凝土膠砂抗硫酸鹽侵蝕試驗按照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》浸泡抗蝕性能試驗方法（K 法）進行。

耐腐蝕混凝土力學(xué)性能試驗按照 GB/T 50081-2002 《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。

耐腐蝕混凝土抗氯離子滲透試驗按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）與電通量法進行。

耐腐蝕混凝土抗硫酸鹽侵蝕按照 GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗硫酸鹽侵蝕試驗進行。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1礦物摻合料抗蝕系數(shù)試驗

礦物摻合料種類與不同礦物摻合料之間的比例是影響混凝土耐腐蝕的重要因素，不同種類的礦物摻合料具有不同的作用，不同礦物摻合料之間的比例也會產(chǎn)生不同的疊加效應(yīng)。本項目通過正交設(shè)計與水泥膠砂試驗的方法，通過水泥膠砂抗硫酸鹽侵蝕試驗的結(jié)果來選擇礦物摻合料種類與比例。具體見下表 1，2。

表1　粉煤灰+粒化高爐礦渣+硅灰水泥膠砂試驗

表2　磨細(xì)粉煤灰+粒化高爐礦渣+硅灰水泥膠砂試驗

試驗結(jié)果分析：通過表 1 可以看出，當(dāng)粉煤灰、粒化高爐礦渣、硅灰共同摻入時，試驗結(jié)果極差（R）最大的是粉煤灰摻量，其次是粒化高爐礦渣，最后是硅灰，這是由于粉煤灰相比粒化高爐礦渣雖然粒型較好，但是比表面積小、活性低，并且隨摻量的變化，膠砂強度波動性較大，因此對結(jié)果產(chǎn)生了較大影響，當(dāng)粉煤灰摻量大于 30%，抗蝕系數(shù) K 均小于 0.9，因此優(yōu)選方案選擇序號2、3、5、9。

試驗結(jié)果分析：通過表2 可知，磨細(xì)粉煤灰相對于粉煤灰具有更高的比表面積，更高的活性指數(shù)，它已經(jīng)不單單是一種礦物摻合料，而是同硅灰一樣納入了礦物外加劑的行列。表2 中還可以看出，在其他礦物摻合料種類與摻量相同的情況下，摻入磨細(xì)粉煤灰的抗蝕系數(shù)均大于摻入粉煤灰的試件，同時，摻入磨細(xì)粉煤灰后，試驗結(jié)果也具有更小的極差。

因此，本研究根據(jù)水泥膠砂抗硫酸鹽侵蝕試驗中各種礦物摻合料種類與摻量的抗蝕系數(shù)及其離散性，選取磨細(xì)粉煤灰、粒化高爐礦渣、硅灰作為耐腐蝕混凝土的礦物摻合料，推薦摻量①(10%：15%：4%)、②(10%：20%：6%)、③(15%：10%：4%)、④(20%：10%：6%)。

2.2耐腐蝕混凝土力學(xué)性能與耐腐蝕性能研究

2.2.1耐腐蝕混凝土配合比設(shè)計

表3　C40 耐腐蝕混凝土配合比

2.2.2力學(xué)性能與耐腐蝕性試驗方法

力學(xué)性能試驗方法參照 GB/T 50081-2002《混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸 150mm×150mm×150mm。

氯離子遷移系數(shù)試驗（RCM法）、電通量試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗方法參照 GB/T50082-2009《普通混凝土長期性與耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，其中氯離子遷移系數(shù)試驗（RCM法）、電通量試驗試件尺寸直徑 (100±1)mm，高度(50±2)mm，采用多功能混凝土滲透性綜合試驗儀。

抗硫酸鹽侵蝕試驗試件尺寸 100mm×100mm×100mm，應(yīng)在養(yǎng)護至28d 齡期的前2d，將試件取出，擦干表面水分，烘干 48h 冷卻干燥至室溫后，利用混凝土干濕循環(huán)機進行試驗，浸泡溶液為 5% 的 Na2SO4溶液，100 次循環(huán)后，測定混凝土耐蝕系數(shù) K，其計算如下：

2.2.3耐腐蝕混凝土強度分析

表4　C40 耐腐蝕混凝土28d 抗壓強度　　　MPa

試驗結(jié)果分析：從表 4 可以看出所設(shè)計配合比均符合C40 要求，與基準(zhǔn)試件相比，C40-1 與 C40-3 由于礦物摻合料摻量基本相同，但是磨細(xì)粉煤灰與硅灰活性比粉煤灰高，因此強度高于基準(zhǔn)配合比，而 C40-2 與 C40-4 雖然礦物摻合料摻量高于基準(zhǔn)配合比，但是較高的硅灰摻量與優(yōu)質(zhì)的磨細(xì)粉煤灰補償了混凝土強度的損失，最終28d 混凝土抗壓強度也達(dá)到與基準(zhǔn)配合比持平的水準(zhǔn)。

2.2.4耐腐蝕混凝土抗氯離子滲透性能分析

表5　C40 耐腐蝕混凝土抗氯離子滲透性能

試驗結(jié)果分析：由表 5 和圖 1、圖2 可以明顯看出相比于基準(zhǔn)配合比，C40-1～C40-4 氯離子遷移系數(shù)與電通量均低于基準(zhǔn)配合比 C40-0，混凝土抗氯離子滲透能力明顯得到加強，對于防止鋼筋銹蝕起到了至關(guān)重要的作用。這是由于磨細(xì)粉煤灰、硅灰等作為礦物摻合料的加入相對于傳統(tǒng)的粉煤灰具有更小的粒徑，更高的比表面積，更高的活性，“微集料效應(yīng)”與“礦物減水劑”作用更加明顯，混凝土水化過程變快，孔隙得到減少，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，有效的提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

圖1　C40 耐腐蝕混凝土抗氯離子滲透性能

圖2　C40 耐腐蝕混凝土抗氯離子滲透性能

2.2.5耐腐蝕混凝土抗硫酸侵蝕性能分析

表6　C40 耐腐蝕混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

圖3　C40 耐腐蝕混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

試驗結(jié)果分析：由表 6 和圖 3 可以看出，相比于基準(zhǔn)混凝土，摻入磨細(xì)粉煤灰代替粉煤灰，并摻入硅灰后，可以明顯的改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

硫酸鈉溶液的侵蝕影響表現(xiàn)為自由膨脹率增大，抗壓強度減小，溶液中的 SO42-離子與混凝土中的 Ca(OH)2起反應(yīng)生成石膏，產(chǎn)生結(jié)晶膨脹，繼而石膏又與混凝土中水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，使得原水化產(chǎn)物進一步產(chǎn)生體積膨脹，對混凝土結(jié)構(gòu)起破壞作用。這樣，就使混凝土的抗壓強度降低。

加入磨細(xì)粉煤灰后，磨細(xì)粉煤灰在硫酸鹽和堿激發(fā)劑的雙重作用下，與水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2發(fā)生二次水化，生成在低堿條件下更穩(wěn)定的低鈣硅比的水化硅酸鈣和致密的硫酸鹽，填充于混凝土內(nèi)部中的孔隙，成為混凝土結(jié)構(gòu)的有效成分，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，減小了混凝土的滲透性，從而減少了進入混凝土中的 SO42-離子，改善了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

未摻入硅粉時，水泥顆粒之間的空隙較大，水泥水化生成的產(chǎn)物向這些空間擴散填充，難以達(dá)到非常密實的程度，所以混凝土中水泥凝膠體結(jié)構(gòu)存在著較多的毛細(xì)孔以及粗大的氣孔，介質(zhì)溶液容易滲入混凝土內(nèi)部引起腐蝕。用硅粉取代部分水泥后，首先，硅粉粒徑僅為水泥顆粒的1/50～1/100，它自身能填充在水泥顆粒之間，使水泥凝膠體更加密實； 其次，硅粉中含有 75%～85% 的無定形 SiO2，它的活性很高，能夠與水化物 Ca(OH)2進一步反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，形成更加均勻、密實的結(jié)構(gòu)，使混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和其他性能得到改善，所以混凝土的強度及耐腐蝕性大幅度提高。

3　應(yīng)用實例

根據(jù)本試驗研制的改性高抗硫耐腐蝕混凝土在2013年開始施工建設(shè)的源凱第壹城、高新區(qū)科研總部基地等工程中共應(yīng)用了 5500m3，經(jīng)相關(guān)部門檢測與普通混凝土相比，電通量、氯離子遷移系數(shù)降低了20%，耐蝕系數(shù) K 提高 0.12，達(dá)到工程設(shè)計需求。

圖4　源凱第一城施工現(xiàn)場

圖5　高新區(qū)科研總部施工現(xiàn)場

4　結(jié)論

（1）相比于傳統(tǒng)的摻合料粉煤灰以及“雙摻”技術(shù)，粒徑更小，比表面積更大的磨細(xì)粉煤灰、硅灰以及復(fù)合粒化高爐礦渣的“三摻”技術(shù)更能夠有效的改善鹽漬土地區(qū)混凝土抗氯離子滲透與抗硫酸鹽侵蝕的能力。

（2）磨細(xì)粉煤灰、粒化高爐礦渣、硅灰并不是簡單的疊加使用，而是存在著最佳組合，當(dāng)達(dá)到最佳組合是會產(chǎn)生1+1+1＞3 的作用。

（3）磨細(xì)粉煤灰及粒化高爐礦渣摻量在 35%～40%，硅灰摻量在 4%～6% 時能有效的提高混凝土抗氯離子滲透性能，抗硫酸鹽侵蝕能力及抗壓強度。

（4）由于不同的鹽漬土地區(qū)水質(zhì)、土質(zhì)成分均不相同，而傳統(tǒng)的技術(shù)人員往往只重視硫酸鹽腐蝕而忽視氯離子滲透，這是不合理的，只有當(dāng)兩者共同兼顧是才能夠合理的設(shè)計耐腐蝕混凝土配合比。

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［通訊地址］新疆烏魯木齊市西虹東路 456 號騰飛大廈 12 樓（830063）

艾洪祥，男，研究方向：建筑材料的新產(chǎn)品研發(fā)、新技術(shù)新工藝推廣。