輔助膠凝材料和外加劑對海工混凝土耐腐蝕性的影響

楊行興

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210000)

海洋工程由于長時間受到海水或者海風的影響，必然會對海洋工程中的混凝土結構造成一定的腐蝕，從而影響到海洋工程的強度、質量和耐久性。畢竟海水中的氯離子、鎂離子和硫酸根離子能夠通過混凝土的空隙來形成滲透的情況。氯離子滲透到鋼筋后會對鋼筋造成腐蝕，而鎂離子以及硫酸根離子則會造成混凝土膨脹出現裂縫的情況。由于工業工程受到環境侵蝕相對嚴重，因此使用壽命相對較短，而且因為破壞以及維護而消耗的成本也過高，因此對海洋工程混凝土耐腐蝕性的研究是非常重要的。

1 原材料選擇

在本試驗中所采用的的原材料如下：首先是水泥，本次試驗所采用的水泥利用了P·O42.5R級水泥，其細度為1.2%而密度則為3.08kg/m3。而粉煤灰則采用了二級灰，細度為22%而密度為2.35kg/m3。礦渣則利用了S95級礦渣，細度為0.9%，比表面積則是479kg/m2，而密度是2.87kg/m3。硅粉則是利用了EBS-S型硅粉，在經過氮吸附法進行檢測之后確定了比表面積為20g/m2，而密度是2.26kg/m3。

細集料則根據相關施工規范進行選擇，畢竟工業工程對于混凝土骨料質量的要求非常高，因此本次試驗采用了東江砂，其細度模數是2.6，而級配區則是二區的中砂，級配非常好，而表觀密度是2 630kg/m3，堆積密度則是1 410kg/m3，含泥量達到了2%，而泥塊含量則是0.5%，從中還包含了0.003%的氯離子。粗集料則利用了福州市場的碎石料，粒徑控制在5mm～31.5mm之間，級配也非常好，同時堆積密度是1 470kg/m3，表觀密度達到了2 590kg/m3，針片狀顆粒含量為5.4%，而含泥量是0.1%。而膨脹劑則是采用了HME-III型膨脹劑。

減水劑采用了兩種，首先是FDN型萘系液體緩凝減水劑，這個減水劑的固含量為29.2%，而氯離子則為0.029%；另外則是PCA-I聚羧酸緩凝高性能減水劑，其中固含量為24.1%，氯離子包含了0.008%，通常會利用到含硅粉的混凝土中。引氣劑則利用了GYQ-III型引氣型減水劑，其中固含量為30.7%而氯離子則包含了0.02%，引氣量為3%。防水劑則利用了KLJ-I型液態防水劑，其中固態含量為26.1%，氯離子則包含了0.02%。

2 試驗采用的方法以及試驗中的配合比

2.1 利用電量法對混凝土氯離子的腐蝕性進行測試

該試驗采用了美國的標準電量法來對混凝土氯離子的腐蝕性進行測量，而我國的相關標準依然對此方法做了一定的參考，只不過我國混凝土的試驗基本利用了立方體試驗塊，而美國基本采用了圓柱體。因此，本試驗將100mm×100mm×100mm的立方體切割而成了100mm×100mm×50mm試驗塊來進行該方法的試驗。在進行六小時的試驗后，通過對50mm厚試驗塊的電量值來進行檢測，如果電量值低則說明了混凝土的抗滲透性就越強。對于大部分陸地用的混凝土來說，電流值小于1 500C就能夠充分滿足建設要求，而水下區域則需要電量值小于1 000C的才可滿足，對于混凝土耐久性要求更高的工業工程則需要小于800C才能確保其質量。

2.2 強度比

本試驗對于強度比的研究采用了全浸泡的方法，并且利用了100mm×100mm×100mm的立方體試驗塊來進行，并且在標準養護的情況下浸泡28d進行去除，在放入到5%的硫酸鈉溶液中繼續浸泡，而受腐蝕的時間則從試驗塊浸泡到硫酸鈉溶液中開始計算。之后再根據試驗的設計齡期來取出浸泡在硫酸鈉溶液以及水中的試驗塊，并且對二者混凝土的抗壓強度進行試驗，從而得出二者抗壓強度的區別。

硫酸鹽在對混凝土進行侵蝕后會讓混凝土內部形成一定的鈣礬石，而鈣礬石的結構則是發射性針狀結構，同時也會互相緊密搭接，這種結構非常有利于加強混凝土的抗折強度，所以單純利用抗折強度來對比很難得出更加真實的數據，甚至不利于混凝土抗腐蝕性的后續研究工作，因此本試驗則改用了對抗壓強度進行對比，進而確保抗腐蝕性試驗數據的真實性。

2.3 試驗配合比

本試驗的用水量統一化制定為170kg/m3，并且在進行改變水膠比、摻合料類型和摻量以及摻入到混凝土中各種能夠提高混凝土抗滲能力的材料，從而得到耐久性最高而且成本最低的幾種配合比。在對各種配合比進行試驗之后，除了摻入硅粉的配合比粘，其他配合比的和易性都非常好，而且試驗的配合比坍落度也能夠控制在160mm～200mm之間，1h的坍落度損失能夠控制在30mm之內。摻入硅粉的混凝土在混入FDN型萘系液體緩凝減水劑為2.5%的時候，硅粉混凝土的流動性會稍顯不足，因此，需要增大減水劑的用量，不過在減水劑增加到2.8%時，則會出現和易性以及可泵性不佳的情況，而且凝結的時間也非常長，因此，后期的試驗便改成了PCA-I聚羧酸系緩凝高性能減水劑，其和易性以及可泵性的效果會更好一些。

3 試驗結果

3.1 水灰比的影響

首先是水灰比對混凝土抗氯離子腐蝕的情況，其中電量值也直接反應了混凝土對氯離子抗腐蝕性能的優劣性。在試驗中我們可以得知，混凝土的電量值也會隨著水灰比的上升而上升，其中每上升0.5則會增加200C電量值，其中水灰比越大而電量值的增加也會越來越明顯。由此可見，對混凝土氯離子滲透性的影響基本存在兩種情況，首先是混凝土對于氯離子滲透擴散的阻力，其次則是混凝土對氯離子物理結合或者化學結合的能力，也就是固化能力。混凝土對于氯離子滲透的阻力會受到混凝土的密實性以及空隙結構所干擾。不過在提高混凝土水灰比的過程中，必然會出現泌水的情況，因此也會造成骨料以及漿體變得相對疏松，而且泌水也會對沒有規則的毛細孔通道進行連通，從而減少了混凝土的抗滲性，造成外部介質更加容易入侵到里面，進而影響了混凝土的耐久性。其次則是混凝土的抗硫酸鹽侵蝕，這方面可以通過觀察混凝土的抗壓強度來進行對比，從試驗中我們可以得知，當水膠比從0.4上升到0.45的時候，強度相對來說會減少，曲線也會形成水平狀態，而在超過0.45時則會出現強度曲線下降的情況，因此可以得知水膠比的上升也會對混凝土抗硫酸鹽腐蝕的能力帶來極大的負面影響。畢竟硫酸鹽是利用其擴散的形式進入到混凝土內部，而且會和水化產物產生化學反應，并且產生結晶膨脹而破壞混凝土的結構。在提高混凝土水膠比的過程中，水泥石中連通的毛細孔通道會增加，進而降低了混凝土的抗滲性。因此，水膠比過大的情況下必定會出現泌水的情況，進而造成外部硫酸根離子的侵入，從而讓混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力得到顯著下降。

3.2 凝膠材料的影響

首先是凝膠材料對抗氯離子侵蝕性能的影響，在試驗中我們可以得知，不同比例雙摻粉煤灰以及礦渣混凝土的電量變化，在摻入25%的粉煤灰后混凝土的電量會出現大幅度下降的情況，會接近空白樣的30%，而降摻合料的摻量增加到45%的時候，電量依然會出現下降的情況，因此可以得出摻合料對于混凝土電量值的降低是非常有用的，所以能夠加強混凝土對于氯離子侵蝕的抵抗力。因此當摻合料保持在45%的時候，粉煤灰以及礦渣改變，尤其是礦渣比例的提高，更有利于加強混凝土的抗氯離子滲透性。其次則是抗硫酸鹽的侵蝕，在對雙摻粉煤灰以及礦渣混凝土的抗壓強度對比試驗后我們可以得知，加入25%粉煤灰后的混凝土強度會得到有效提升，因此摻合料的產量也會促進強度的增加，也就是能夠有效提升混凝土的抗硫酸鹽性能。當摻合料的產量加大時，對于加強混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能便會更加有利。

3.3 外加劑的影響

首先是外加劑的抗氯離子侵蝕性能，在對二次摻入15%粉煤灰以及30%礦渣的基礎上在加入其它改善混凝土抗氯離子滲透能力組分后可以得到混凝土的電量，在進行分析后得出，外加劑能夠有效改變混凝土對氯離子的抗滲透能力，而改善能力為硅粉會大于膨脹劑，膨脹劑大于引氣劑，而引氣劑則大于防水劑。在對硅粉和膨脹劑進行復摻之后我們發現，電量值比單獨摻入等量硅粉會增加不少，因此可以得出恢復加膨脹劑并不能產生良好的疊加反應。而防水對于加強混凝土耐久度來說是非常重要的，尤其是防水所形成的隔離層，能夠有效改變混凝土的表面性質，從而防止氯離子的入侵，進而減緩混凝土的老化。其次則是抗硫酸鹽腐蝕的性能。在對二次摻入15%粉煤灰以及30%礦渣的基礎上在加入其它改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力組分后，我們可以得到混凝土抗壓情況的變化。在對試驗數據分析后我們可以發現，所有措施都能有效改善混凝土中的抗硫酸鹽腐蝕能力，尤其是引氣劑以及膨脹劑，防水劑相對不足，而硅粉則是最后。若是將硅粉和膨脹劑進行復合，則效果會介于單獨摻入硅粉和膨脹劑之間。其中防水劑能夠在混凝土的外面形成有效的隔離層，確保能夠阻止硫酸鹽的侵入，因此，相對來說更有利于抵抗硫酸鹽的腐蝕性。

4 實驗結論

在完成實驗后，根據實驗結果分析我們可以得出如下結論。

(1)水灰比對于混凝土抗滲性的影響是成正比的，如果水灰比越大，混凝土的抗滲性影響也會越大，若是水灰比超過0.45時，混凝土的抗滲性則會因為出現離析泌水而產生大幅度下降的趨勢，同時混凝土的抗氯離子以及抗硫酸鹽侵蝕的性能也會出現下降的趨勢。

(2)粉煤灰以及礦渣等礦物的摻合料能夠有效改變水化產物以及優化界面結構，有致于混凝土抗滲性的提升。而且摻合料本身具有非常強大的初始固化能力以及二次水化反應物的物理化學吸附和固化作用，因此能夠非常有效地減少氯離子在混凝土中的滲透速度，并且加強混凝土中抵抗氯離子侵蝕的能力，同時礦渣的吸附能力要強于粉煤灰的吸附能力，因此，礦渣更有利于加強混凝土抗氯離子的侵蝕性。

(3)粉煤灰和礦渣等摻合料所產生的二次水化物能夠有效降低水泥石的孔隙率，從而確保水泥石密實性的增加，而且還會對水化產物進行優化，有助于提高混凝土整體的抗硫酸鹽腐蝕能力。同時由于礦渣的微細集料和活性效應變得更加顯著，因此，在改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕性的過程中會顯現出更加明顯的作用。

(4)在海洋工程當中經常會利用到改善混凝土抗氯離子腐蝕的措施，各措施對混凝土抗氯離子腐蝕的改善能力為硅粉大于膨脹劑大于引氣劑大于防水劑，畢竟硅粉具有非常強的填充作用，而且還具有高火山灰活性的優勢，因此，硅粉成為了改善混凝土抗氯離子腐蝕性最理想的外加劑。

(5)在海洋工程當中經常會利用到改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕的措施，各個措施對混凝土抗硫酸鹽腐蝕的改善能力為硅粉大于膨脹劑大于引氣劑大于防水劑，該措施同樣運用了硅粉具有強填充作用以及具有高火山灰活性的優勢，不過相對來說硅粉的價格過高，而且在使用之后會產生混凝土和易性不容易控制的情況，因此在實際的操作和應用過程中，可以盡量利用效果稍有不足但成本較低的膨脹劑。

(6)如果將硅灰以及膨脹劑進行復摻的話，混凝土的抗滲性反而會出現下降的趨勢。在完成復摻實驗并且對實驗結果進行分析之后我們可以得出如下結論：摻入有利于提高混凝土抗滲性的材料和組分時一定要對其摻入量進行控制，摻入量過高則會對混凝土本身的密實結構造成一定的破壞，進而會造成混凝土抗氯離子和抗硫酸鹽侵蝕能力出現降低情況。

5 結 語

總的來說，在經過不斷的試驗之后我們能夠清楚的了解輔助膠凝材料以及外加劑對于海洋工程混凝土抗腐蝕性的影響，并且得出一系列的結論和措施，像是控制水膠比在0.45左右、加強粉煤灰和礦渣的摻合料、積極在混凝土中摻入硅粉、利用粉煤灰以及礦渣摻合料的二次水化物可以減少水泥石的孔隙率等等，希望能為海洋工程混凝土抗腐蝕性的發展提出一些寶貴的意見。