凍融-硫酸鹽多因素耦合下新型抗凍耐酸耐鹽混凝土材料研究

趙多明

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國北疆地區土中含有大量具有腐蝕性的硫酸根和氯離子，北疆地區冬季寒冷且漫長，高寒區冬季最低溫度可達零下40℃，受晝夜溫差等不良因素，混凝土建筑在凍融循環的和腐蝕性鹽和酸的環境中，其強度和耐久性備受考驗[1]。

對于在凍融條件下硫酸鹽侵蝕混凝土，目前開展了大量的研究[2- 6]，李欣然等通過質量損失率、質量衰減規律、彈性模量和抗壓強度幾個方面研究了凍融條件下混凝土的特性，并研究發現水膠比達到0.35時，水工混凝土的耐久最優[7]。薛國斌等開展了混凝土碾壓試驗，研究了混凝土在凍融和Na2SO4溶液耦合下的損傷機理[8]。余雪峰等研究了混凝土在自然侵蝕、凍融干濕循環-硫酸鹽侵蝕下的質量損失等一系列力學試驗，研究發現抗壓強度與侵蝕時間存在良好的線性關系[9]。李小山在混凝土中加入粉煤灰，以降低碳排放和節約能源的角度出發，研究了加入粉煤灰后混凝土在凍融和Na2SO4溶液耦合下的力學特性和宏觀特性[10]。

渠道混凝土在運行期間受到各種復雜因素的影響，其中包括力學、物理、化學等多方面的因素，以上研究都只是從單方面研究了凍融-硫酸鹽耦合下的混凝土的耐久性，而現實渠道運行中應該考慮抗鹽腐蝕和抗硫酸腐蝕的多重環境影響，才能真正的反應混凝土的真實情況。

為此，本研究對不同配比的混凝土面板材料的抗酸和抗鹽性能試驗，同時針對混凝土面板連接的關鍵位置，混凝土接縫止水材料的鹽凍性能進行了單面鹽凍和快速鹽凍試驗研究，為我國西北低溫鹽堿環境混凝土渠道的正常運行提供了技術支持。

1 原材料及性能

1.1 水泥

采用天山水泥股份有限公司生產的P.I42.5硅酸鹽水泥，其物理力學性能試驗結果見表1。由檢驗結果可知，所檢項目均符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中42.5的技術要求。

表1 水泥物理力學性能檢驗結果

1.2 粉煤灰

試驗中使用的粉煤灰由烏魯木齊四匯通錦建材科技有限公司生產。粉煤灰各項物理性能檢測結果見表2。由檢驗結果可知，所檢項目符合GB 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級粉煤灰技術要求。

表2 粉煤灰技術性能檢驗結果

1.3 礦渣微粉

本次試驗采用的是強聯礦粉有限公司生產的礦粉，其各項物理、化學性能檢測結果符合GB 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粉化高爐礦渣粉》中(S75)技術要求。

1.4 骨料

粗、細骨料均為烏魯木齊河的砂石骨料，其各項技術性能檢測結果符合SL 677—2014《水工混凝土施工規范》技術要求。

1.5 外加劑

采用五家渠格輝新材料有限責任公司生產的聚羧酸高性能減水劑和引氣劑。

1.6 水

烏魯木齊地下水水質較好，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》中技術指標要求。

2 耐鹽混凝土面板材料

2.1 不同配合比抗壓強度

混凝土配合比優化設計主要包括配合比參數的確定、計算、試配和調整等步驟。配合比設計原則按SL 677—2014規定滿足混凝土強度和耐久性的要求。本次試驗混凝土配合比及其對應抗壓強度見表3。

從表3可以看出，KT- 1配比下的混凝土90d抗壓強度最大，具有較高的強度。KT- 2、KT- 3配比下的混凝土90d抗壓強度也達到了40MPa以上。

表3 抗凍耐鹽混凝土配合比及抗壓強度

2.2 抗鹽性能測試與結果分析

2.2.1抗硫酸性能

試驗按GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗”進行，侵蝕介質為濃度5%的Na2SO4溶液選取濃度為5%。具體試驗步驟不再贅述。根據不同循環次數下混凝土試件的抗壓強度變化來評判混凝土抗硫酸鹽性能。不同配比下的混凝土抗硫酸鹽性能見表4。

表4 不同配合比混凝土抗硫酸鹽性能

試驗結果表明，各組配合比抗壓強度耐蝕系數均大于75%，均能達到KS120的抗硫酸鹽等級；摻礦渣粉和激發劑組的耐腐蝕系數較大，不摻粉煤灰或者礦渣粉的配比耐蝕系數偏低。

2.2.2合抗鹽腐蝕性能

表5 不同配合比混凝土抗鹽腐蝕性能

對比表4和表5發現，90次凍融循環后，各種試件的抗硫酸性能高于抗鹽性能。

KT- 4配比下的混凝土抗鹽腐蝕性能最好，KT- 2、KT- 3、KT- 4配比下的混凝土120次循環后的抗壓強度耐蝕系數也都在85%以上。

3 渠道面板接縫止水混凝土材料

3.1 單面鹽凍性能測試與結果分析

根據混凝土抗壓強度等相關綜合因數分析，選定相同水膠比0.40、摻粉煤灰、礦渣微粉不同摻量進行單面凍融試驗，選用不同的鹽溶液侵蝕介質為2%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液和5%NaCl溶液來檢測混凝土在不同環境中的質量損失、相對動彈性模量和吸水率，其單面凍融試驗方案見表6。

表6 單面凍融試驗方案

不同侵蝕溶液中進行單面鹽凍試驗，試件質量損失和動彈性模量損失結果統計如圖1—3所示。28次單面凍融試驗后試件表面剝蝕程度如圖4所示。

從圖1—3中可以看出，試驗溶液為5%氯化鈉溶液、2%硫酸鈉溶液，經過單面凍融循環后，質量損失的規律是KT- 8

圖1 試樣在5%硫酸鈉溶液凍融相質量損失和對動彈性模量

圖2 試樣在5%氯化鈉溶液凍融相質量損失和對動彈性模量

圖3 試樣在2%硫酸鈉溶液凍融質量損失相對動彈性模量

由試驗結果可知，在試驗液體為5%硫酸鈉溶液，經過單面凍融循環后，質量損失的規律是KT- 7

圖4 試樣28次單面凍融循環后照片

上述試驗數據顯示，相同混凝土配合比在不同試驗溶液環境中，混凝土在5%氯化鈉溶液下的抗凍性最差，2%硫酸鈉溶液下的抗凍性次之，5%硫酸鈉溶液下的抗凍性最好；在試驗溶液為5%硫酸鈉溶液中，摻入20%粉煤灰經過112次凍融循環后，質量損失最小，說明在5%硫酸鹽環境中，抑制對硫酸鹽侵蝕效果最佳；在混凝土抗壓強度、含氣量、坍落度等基本相同的情況下，單摻礦渣微粉沒有復摻(礦粉+粉煤灰)抵抗硫酸鹽侵蝕好；粉煤灰對硫酸鹽的抵抗侵蝕能力優于礦渣微粉；無論是硫酸鹽侵蝕還是氯鹽侵蝕，優先在混凝土中摻加粉煤灰，其次是粉煤灰+礦渣微粉。大摻量摻合料應使用在齡期較長的部位。

3.2 快速鹽凍性能測試與結果分析

試驗選用不同的試驗液體，即蒸餾水、2%硫酸鈉、5%硫酸鈉的溶液，來測定動彈模量和質量損失率。根據混凝土抗壓強度試驗結果，混凝土快速凍融試驗方案見表7。

表7 快速凍融試驗方案

依據試驗方案，到28d試驗齡期后，按每50個循環進行質量損失和動彈性模量檢測其試驗結果如圖5—7所示。

由圖5—7可見，在凍融介質為水溶液和2%硫酸鈉溶液300次凍融循環質量損失為KT- 8﹤KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6，但在相同水膠比的情況下，摻合料越多，其質量損失越大，水膠比越大，質量損失也越大；而在凍融介質為5%硫酸鈉溶液中，300次凍融循環質量損失為KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6﹤KT- 8，摻入摻合料后，300次凍融循環質量損失比不摻小，特別是摻20%的粉煤灰質量損失是不摻粉煤灰的2.3倍；此外，單摻20%粉煤灰(KT- 7)，其無論是在水溶液中還是在5%硫酸鈉溶液中經過300個凍融循環之后的質量損失相差不大；在摻合料摻量相同的情況下，水膠比越大，質量損失也越大；0.45水膠比，300次凍融循環后質量損失﹥5%，在摻合料摻量為60%的情況下，0.45水膠比是0.40水膠比質量損失的1.8倍；不摻礦物摻和料(KT- 8)的混凝土，在不同濃度的硫酸鈉溶液下經過300個凍融循環之后，其混凝土的質量損失率隨溶液濃度的增高而增大，5%硫酸鈉溶液中質量損失率是在2%硫酸鈉溶液下的2.6倍，是在水溶液中的8.7倍。

圖5 水溶液凍融循環下質量損失和相對動彈性模量

圖6 試樣在2%硫酸鈉溶液凍融循環下質量損失和相對動彈性模量

圖7 試樣在5%硫酸鈉溶液凍融循環下質量損失和相對動彈性模量

由此可見，混凝土以硫酸鈉溶液為凍融介質時摻加20%粉煤灰后質量損失最少。其原因是，摻加20%粉煤灰之后粉煤灰微小顆粒的填充效應進一步提高了混凝土的密實性，從而提高混凝土的抗凍性能。大摻量混凝土出現2%硫酸鹽下的凍融質量損失大于5%硫酸鹽下的質量損失的原因:大摻量混凝土內部結構雖然經過了微集料的填充作用，但是其自身前期水化速度慢，生成的水化硅酸鈣膠凝較少導致混凝土內部空隙填充不充分導致強度低，從而引起抵抗外界破壞的能力越弱。

4 結論

圍繞高寒區供水渠道混凝土，開展凍融與鹽侵蝕共同作用下的混凝土損傷劣化研究。主要結論如下：

(1)礦物摻量降低了混凝土強度和低濃度鹽溶液中的抗凍融性能，但提高了其在高濃度鹽溶液中的抗凍融和耐腐蝕性能。

(2)針對硫酸鹽和氯鹽的侵蝕，應優先在混凝土中摻加粉煤灰，其次是粉煤灰+礦渣微粉。大摻量摻合料應使用在齡期較長的部位。KT- 6配比下的混凝土較適合作為面板止水封的材料。研究可為咸寒區水利工程摻礦物混凝土材料的配比選擇提供參考。