抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

胡 宗 容， 金 鈺

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 中心試驗(yàn)室，四川 成都 610066)

1 概 述

新疆伊犁河攔河引水及北岸干渠工程位于伊寧縣與察布查爾縣交界的伊犁河干流段，由伊犁河攔河引水樞紐、北岸干渠(長(zhǎng)128.189 km)、察渠總干渠(長(zhǎng)9.11 km)及灌區(qū)分干渠組成，為I等大(1)型工程，干渠、沿線(xiàn)分水閘、節(jié)制退水閘、輸水涵洞、輸水渡槽、隧洞、排洪建筑物、灌區(qū)交叉建筑物為3級(jí)建筑物。工程地處東經(jīng)80°26'～81°43'、北緯43°39'～44°06'。建筑物包括：渠道面板、輸水渠涵、農(nóng)渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(納洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、縱橫排水、集水井、灌區(qū)連接渠、連接道路及交通橋等，所有建筑物基礎(chǔ)均浸泡在地下水中。新疆伊犁河攔河引水及北岸干渠工程所在地區(qū)地下水豐富，地下水位距地表淺，根據(jù)地下水樣勘察，渠道地下水中的SO42-濃度為161～10 971 mg/L。

相關(guān)研究表明：具有一定硫酸鹽的環(huán)境水在混凝土毛細(xì)管的作用下被吸入混凝土體中，而暴露在大氣中的混凝土由于毛細(xì)管作用將傳遞水分蒸發(fā)[1]。溶解在水中的礦物質(zhì)經(jīng)濃縮而析出殘留在混凝土的表面和內(nèi)部，呈現(xiàn)出白跡、白霜，使混凝土遭受硫酸鹽結(jié)晶的膨脹壓力，促使混凝土從表層開(kāi)始破壞，其破壞首先發(fā)生在水位變化區(qū)、干濕交替地帶以及單側(cè)受水頭壓力的混凝土薄壁結(jié)構(gòu)。在返潮段遭受到侵蝕，地面上某些地段出現(xiàn)霜狀鹽的結(jié)晶，有的地區(qū)呈現(xiàn)豆腐渣狀，導(dǎo)致建筑物混凝土強(qiáng)度降低，最后完全破壞(圖1)。

新疆北疆地區(qū)的地下水普遍具有侵蝕性，根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，該地區(qū)絕大部分地段地下水、地表水均具有弱硫酸型酸性侵蝕和中等溶出型侵蝕(含碳酸鹽侵蝕)，對(duì)混凝土侵蝕較嚴(yán)重。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)采用的原材料

拌制抗硫酸鹽混凝土一般采用抗硫酸鹽水泥或高摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰，均可獲得較好的效果。該工程考慮工程成本和當(dāng)?shù)卦牧希瑳Q定采用高摻粉煤灰或礦粉設(shè)計(jì)配合比。

(a)地下水滲流對(duì)混凝土的侵蝕 (b)對(duì)混凝土表面侵蝕圖1 混凝土被含硫酸鹽水侵蝕后的情況

2.1 水 泥

采用青松南崗建材有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥；水泥熟料中化學(xué)成分及熟料中礦物成分、物理力學(xué)性能成果見(jiàn)表1、2。

2.2 粉煤灰

粉煤灰采用新疆瑪納斯發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其性能見(jiàn)表3。

2.3 礦 粉

礦粉采用伊犁興鋼環(huán)保建材有限公司生產(chǎn)的S75級(jí)粒化高爐礦渣粉，其性能見(jiàn)表4。

2.4 砂石料

砂石料采用阿熱吾斯塘鄉(xiāng)篩分料場(chǎng)產(chǎn)品，其質(zhì)量見(jiàn)表5。

2.5 外加劑

外加劑采用五家渠格輝化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FND減水劑和GH-AE型引氣劑，其性能見(jiàn)表6。

表1 水泥熟料中化學(xué)成分及熟料中礦物成分表

表2 水泥物理力學(xué)性能成果表

表3 粉煤灰性能成果表

表4 粒化高爐礦渣粉性能成果表

表5 砂石料質(zhì)量成果表

表6 外加劑性能成果表

2.6 混凝土拌和用水

混凝土拌和用水為伊犁地區(qū)生活飲用水。

3 配合比設(shè)計(jì)前的砂漿試件試驗(yàn)

膠砂試件：每個(gè)侵蝕時(shí)間養(yǎng)護(hù)到齡期，對(duì)試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)定并計(jì)算抗蝕系數(shù)[3]，以抗蝕系數(shù)≥0.8為抗侵蝕合格并作為判定標(biāo)準(zhǔn)[4]。

膠砂試件在淡水與SO42-溶液中浸泡(SO42-濃度分別為2 500 mg/L、5 000 mg/L、10 000 mg/L、20 000 mg/L的侵蝕溶液中，分別進(jìn)行為期1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月、10個(gè)月、12個(gè)月時(shí)間的侵蝕模擬試驗(yàn))。膠砂試件配合比制備情況見(jiàn)表7。

砂漿試件在淡水、侵蝕溶液中不同時(shí)間的抗折強(qiáng)度與抗蝕系數(shù)見(jiàn)表8。

表7 膠砂侵蝕試驗(yàn)試件配合比組成表

表8的試驗(yàn)結(jié)果顯示：膠砂中摻礦渣微粉或粉煤灰50%或各25%時(shí)，含SO42-20 000 mg/L的溶液侵蝕12個(gè)月時(shí)的抗蝕系數(shù)≥0.8。

4 配合比設(shè)計(jì)

4.1 試配強(qiáng)度

抗侵蝕性能混凝土的試配強(qiáng)度按下式確定：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

式中fcu,o為混凝土試配強(qiáng)度(MPa)；fcu,k為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)無(wú)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，混凝土可取4.5 MPa[5]。

根據(jù)混凝土配合比配制要求確定的抗侵蝕性能混凝土配合比見(jiàn)表9，對(duì)抗侵蝕混凝土抗侵蝕性能再次進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其配合比見(jiàn)表10。

4.2 混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)檢測(cè)

混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)見(jiàn)表11。

表11中的試驗(yàn)結(jié)果顯示：混凝土中摻礦渣微粉或粉煤灰量為50%時(shí)，KS150抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)值為最高，混凝土中高摻礦渣微粉或粉煤灰可以改善混凝土抗SO42-侵蝕性能。同時(shí)，采用低水膠比能更好地改善混凝土抗侵蝕性，其原因在于低水膠比在減少水泥石孔隙的同時(shí)，又使超細(xì)礦粉在水泥漿中的顆粒填充作用更完善和更充分，極大地增加了混凝土的密實(shí)性，防止攜帶侵蝕介質(zhì)的環(huán)境水入侵水泥石，從而有效提高了其抗侵蝕性。

4.3 配合比確定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及當(dāng)?shù)卦牧锨闆r，最終選定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比見(jiàn)表12。

5 應(yīng)用情況及取得的效果

將采用該配合比的混凝土用于工程渠道面板、輸水渠涵、農(nóng)渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(納洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、縱橫排水、集水井、灌區(qū)連接渠、連接道路及交通橋地下建筑物施工，一年后，面板混凝土表面未見(jiàn)被侵蝕破壞痕跡，施工后的效果見(jiàn)圖2。

圖2 采用高抗侵蝕配合比生產(chǎn)的混凝土

表8 膠砂抗蝕系數(shù)表

備注：表中各欄中“/”左上方為抗折強(qiáng)度，單位“MPa”；右下方為抗蝕系數(shù)，欄中無(wú)數(shù)字表明抗蝕系數(shù)<0.8，抗侵蝕不合格。

表9 配制確定抗侵蝕性能混凝土的配合比表

表10 混凝土侵蝕試驗(yàn)試件配比組成表

表11 混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)表

表12 最終確定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比表 /kg

6 結(jié) 語(yǔ)

新疆北疆地區(qū)地下水中普遍含有較高的硫酸根離子，若使用抗硫酸鹽水泥則拌制混凝土成本較高，故一般采用高摻粉煤灰以改善混凝土的抗侵蝕性能。該工程因運(yùn)距較遠(yuǎn)，成本亦比較高。使用當(dāng)?shù)氐V碴粉兼有改善抗侵蝕性能成本較低且混凝土早期強(qiáng)度有保障等優(yōu)點(diǎn)，取得了較好的工程效果。