新疆地區地下建筑混凝土抗侵蝕技術研究

楊武 ，石亮 ， 蔡景順 ，曾偉

(1.新疆建筑科學硏究院，新疆 烏魯木齊830054;2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京211100)

0 引言

新疆地區地下水中硫酸鹽和氯鹽含量較高，鹽侵蝕破壞是造成新疆地區地下建筑混凝土結構耐久性劣化的重要誘因。研究表明，低水膠比和大摻量礦物摻合料混凝土在長期標準養護條件下具有良好的抗鹽侵蝕破壞能力[1-2]。但由于混凝土單方用水量低，導致結構收縮開裂風險增大。此外，水泥用量少，導致混凝土易碳化且早期抗侵蝕介質滲透能力弱。隨著混凝土技術的發展，功能型外加劑在新疆地區混凝土工程中的應用逐漸增多，在不過度依賴低水膠比和大摻量礦物摻合料技術的同時，可保障混凝土結構的耐久性能。

采用新疆地區原材料，根據工程實際環境特點，通過對比試驗，研究功能型外加劑對混凝土力學性能、吸水率、抗離子擴散性能、抗硫酸鹽腐蝕性能以及鋼筋銹蝕行為的影響，提出適用于新疆地區地下建筑混凝土侵蝕抑制技術，為混凝土結構耐久性保障提供借鑒。

1 實驗

1.1 原材料與配合比

選用新疆雁池新型建材有限公司P·O 42.5水泥，新疆瑪納斯電廠Ⅱ級粉煤灰，各膠凝組分的化學成分如表1所示。粗骨料為5～20 mm連續級配石灰巖碎石，堆積密度1 327 kg/m3，細骨料為河砂，細度模數2.6。

表1 膠凝材料化學組成(wt%)

減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA@-I聚羧酸減水劑，功能型外加劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的硬脂酸胺類SBT@-TIA（I）和脂肪酸醇胺類 SBT@-TIA（II）混凝土抗侵蝕抑制劑。試驗混凝土配合比如表2所示。

1.2 實驗與評價方法

（1）混凝土力學性能

混凝土力學性能測試參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB 50081進行。

（2）混凝土吸水率

混凝土吸水率試件采用上口內徑為175 mm、下口內徑為185 mm和高度為150 mm的圓臺體試模成型，每組3塊。試件成型1 d后拆模，標準養護3 d后取出，鉆取直徑為（75±3）mm的混凝土芯樣，切除上下表面后制備高度為 （75±3）mm的圓柱體芯樣。將試件置于（105±5） ℃烘箱干燥（72±2） h，且每個試件距離其他試件或加熱面距離不小于25 mm。試件取出在（25±3） ℃環境的干燥器中冷卻（24±0.5） h，稱重并記錄W1，以圓柱底面與水面垂直的方式將試件置于（25±3）℃的水中浸泡，試件間隔不得小于 10 mm，試件最高點距離水面（25±5） mm，（30±0.5）min后將試件取出并用抹布擦去表面的水，稱重并記錄W2。稱量采用感量為0.05 g，最大稱量范圍不超過5 000 g的天平。

混凝土試件的吸水率按照下式計算：

式中：f—混凝土試件的吸水率/%（精確至0.1%）；W2—混凝土試件浸泡后質量/g（精確至 0.1g）；W1—混凝土試件浸泡前質量/g（精確至0.1g）。

（3）混凝土抗離子擴散系數和抗硫酸鹽侵蝕系數

混凝土抗離子擴散系數和抗硫酸鹽侵蝕系數測試參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB 50082進行。

表2 混凝土配合比

（4）鋼筋銹蝕行為

鋼筋銹蝕行為測試參照《Standard Test Method for Determining Effects of Chemical Admixtures on Corrosion of Embedded Steel Reinforcement in Concrete Exposed to Chloride Environments》ASTM G109-07進行。

2 實驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

抗侵蝕抑制劑對混凝土力學性能影響如圖1所示。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑對混凝土早期強度的發展有促進作用，混凝土3 d抗壓強度提升11%，但后期混凝土強度增長較慢。脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑的摻入，混凝土早期強度略有降低，3 d強度下降約20%，但隨著齡期的增長，混凝土強度發展與基準相當。硬脂酸胺類和脂肪酸胺類物質在混凝土拌合物堿性環境下反應機制不同，離子釋放速率存在差異，導致混凝土強度發展規律不同。

圖1 抗侵蝕抑制劑對混凝土力學性能的影響

2.2 混凝土吸水率

圖2為三組混凝土7 d齡期吸水率。通過85組重復性實驗數據統計發現，混凝土抗侵蝕抑制劑的加入可以大幅降低混凝土的吸水率，基準混凝土7 d齡期平均吸水率為1.99%，摻入硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑后，混凝土吸水率降低至0.99%，降幅為50%；摻入脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑后，混凝土吸水率降低至0.66%，降幅達67%。混凝土抗侵蝕抑制劑與混凝土中的鈣離子反應，生成納米尺度不溶于水的顆粒，附著于硬化混凝土的毛細孔壁上，改變了混凝土毛細孔的表面能，優化了孔隙的表面微結構，達到了疏水效果。混凝土吸水率在一定程度上決定了混凝土結構在干濕循環條件下的飽和度發展，基于非飽和狀態離子擴散理論分析，吸水率更低的混凝土，在含有有害離子的水位變化環境中服役，有害離子需要更長時間才能遷移到混凝土內部鋼筋表面，因此混凝土結構的耐久性更優[3-4]。實際工程應根據環境中有害離子含量、混凝土結構服役結構部位和設計服役年限選擇合適的混凝土抗侵蝕抑制技術。

圖2 抗侵蝕抑制劑對混凝土7 d齡期吸水率的影響

2.3 混凝土氯離子擴散系數

抗侵蝕抑制劑對混凝土氯離子擴散系數影響如表3所示。混凝土抗侵蝕抑制劑的加入，在一定程度上降低了混凝土的氯離子擴散系數。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑降低混凝土氯離子擴散系數的能力稍弱，28 d混凝土氯離子擴散系數僅降低14%，這與硬脂酸胺類物質與水泥反應生成物質的結構有關。脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑摻入到混凝土中后，混凝土氯離子擴散系數降低23%，達到了摻入礦粉等礦物摻合料的水平。由于脂肪酸醇胺類物質與混凝土中的鈣離子反應生成的顆粒尺寸與有害毛細孔相當，因此在外界水壓作用下，混凝土的毛細孔會發生閉合，孔隙率降低或孔曲折度增大，因此氯離子擴散行為受阻，擴散系數降低。對于飽和程度較高，或者對離子擴散要求較高的工程結構部位，應采用脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑提升混凝土耐久性能。

表3 抗侵蝕抑制劑對混凝土28 d齡期混凝土氯離子擴散系數的影響

2.4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數

抗侵蝕抑制劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數影響如圖3所示。由圖3可以看出，混凝土抗侵蝕抑制劑摻入后，混凝土抗硫酸鹽循環腐蝕的性能大幅改善，混凝土抗壓耐蝕系數均高于0.9，即混凝土強度損失均小于10%。硫酸鹽干濕循環腐蝕過程中混凝土劣化主要誘因是毛細管吸附作用，干燥混凝土在浸水條件下，毛細管大量吸附含有硫酸鹽的溶液，干燥過程中，水分散失，硫酸鹽存留于毛細管中，循環往復，混凝土中會形成大量的硫酸鹽結晶，導致混凝土膨脹開裂破壞[5]。混凝土抗侵蝕抑制劑的加入，降低了混凝土的吸水率即降低了毛細管吸附作用的驅動力，因此混凝土的抗硫酸鹽結晶膨脹腐蝕破壞能力得到提升。對于半埋或半浸泡的混凝土結構，混凝土抗侵蝕抑制劑可以有效緩解鹽結晶破壞的現象，延長工程的服役壽命。

圖3 抗侵蝕抑制劑對混凝土120次硫酸鹽干濕循環侵蝕后抗壓耐蝕系數的影響

2.5 鋼筋銹蝕行為

鋼筋腐蝕電量累積反應鋼筋受侵蝕性介質腐蝕后鋼筋腐蝕的狀態，腐蝕累積電量越高，鋼筋腐蝕的程度越大。混凝土抗侵蝕抑制對鋼筋腐蝕電量的影響如圖4所示。試驗結果表明，脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑能夠顯著的降低鋼筋腐蝕電量，即使是在模擬加速腐蝕情況下，腐蝕電量與基準相比仍可降低90%。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑僅能降低腐蝕電量50%左右。混凝土抗侵蝕抑制劑與傳統的防水劑或防腐劑相比，可在提升混凝土抗滲防腐性能外，保護內部鋼筋，起到鋼筋混凝土結構整體保護的功效。

圖4 抗侵蝕抑制劑對鋼筋腐蝕電量的影響

3 結語

（1）針對新疆地區地下建筑混凝土結構普遍存在的鹽侵蝕破壞問題，混凝土抗侵蝕抑制劑是除了低水膠比和大摻量礦物摻合料外的抗侵蝕混凝土制備有效技術手段。

（2）混凝土抗侵蝕抑制劑可在不影響混凝土力學性能發展的基礎上，大幅降低混凝土毛細管吸水率，抑制侵蝕性離子在混凝土內部的擴散，有效避免硫酸鹽干濕循環后的鹽結晶破壞現象，提升混凝土內部結構鋼筋的耐蝕能力。

（3）實際工程應根據混凝土結構服役環境中的有害離子含量、結構浸泡或埋置情況以及工程設計使用年限，選擇合適的混凝土抗侵蝕抑制技術，保障工程的服役壽命。