宋 超，馬淑琴

(中交二航局六分公司，武漢市430070)

自從1892年Michaelis提出水泥混凝土受硫酸鹽侵蝕形成“水泥桿菌”造成混凝土破壞之后，混凝土的耐久性問題開始得到建筑材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。一般來說，混凝土通常具有較好的耐久性，但是由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部中含有大量連通性的毛細(xì)孔，為離子提供了傳質(zhì)通道，各種侵蝕性離子如等在混凝土內(nèi)部發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)遭受腐蝕產(chǎn)生劣化。其中值得一提的是，硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不良的一個(gè)非常重要因素。有報(bào)道發(fā)現(xiàn):蘭州市境內(nèi)八盤峽大壩的左平洞內(nèi)地下水中 SO42-含量非常高，最大含量可達(dá)到15417.6mg/L，有關(guān)人員在左平洞巖基面上開挖原澆注混凝土，發(fā)現(xiàn)原底板以上10m～15m部分已經(jīng)失去膠凝性，與巖基面接觸的0.5cm～1.5cm混凝土手可剝落［1］。當(dāng)受到硫酸鹽侵蝕時(shí)，混凝土發(fā)生體積膨脹開裂，隨著裂縫擴(kuò)展混凝土產(chǎn)生粉化、剝落等現(xiàn)象。當(dāng)外界環(huán)境中的SO42-進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，主要發(fā)生如下反應(yīng):(1)當(dāng)溶液中SO42-濃度大于1000ml/L，與孔隙溶液中的Ca(OH)2生成二水石膏和氫氧化鈉，生成二水石膏量較大時(shí)，本身可以在水泥石空隙結(jié)晶，體積增大24%，產(chǎn)生類似于溶出腐蝕的作用，導(dǎo)致混凝土及水泥硬化漿體因內(nèi)應(yīng)力而破壞，其破壞的特征是混凝土表面沒有粗大裂縫但遍體潰散;(2)二水石膏可以繼續(xù)與水泥石中的水化鋁酸鹽反應(yīng)生產(chǎn)針狀鈣礬石晶體，體積繼續(xù)增加，引起很大內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂強(qiáng)度降低，混凝土表面出現(xiàn)裂縫及脫落［2］。

傳統(tǒng)的混凝土抗硫酸鹽侵蝕采用3種方式:(1)提高混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級，降低水膠比，從而提高混凝土的密實(shí)性，但是混凝土成本顯著增加;(2)采用抗硫酸鹽水泥，抗硫酸鹽水泥工藝要求較高、價(jià)格昂貴，抗Cl-、Mg2+等腐蝕性離子的效果較弱;(3)混凝土表面涂敷涂料防腐層，但是防腐層容易脫落，作用周期較短。以上3種方法均存在一定的局限性，抗侵蝕能力有限。1986年中國建筑材料研究總院展開“水泥砂漿或混凝土抗侵蝕材料(劑)”課題立項(xiàng)研究。岳云德［3］等人研制出一種CM型防腐劑可以有效抵抗化學(xué)侵蝕以及物理的作用，提高鋼筋混凝土的耐久性。張迪［4］等人研制的BDY型防腐劑也對混凝土抗硫酸鹽侵蝕強(qiáng)度等級的提高有明顯影作用。故而應(yīng)用防腐劑對于提高混凝土抗硫酸等級具有重要貢獻(xiàn)作用，而本文采用抗硫劑和粉煤灰雙摻技術(shù)配制混凝土，提高抗硫酸鹽侵蝕能力，通過試驗(yàn)分析抗硫劑和粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響，并通過工程實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證抗硫劑和粉煤灰雙摻技術(shù)在提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力上的可行性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥:采用永登祁連山水泥廠生產(chǎn)的普通42.5級硅酸鹽水泥。粉煤灰:采用蘭鋁電廠的Ⅱ級粉煤灰。細(xì)集料:采用華凱河灣砂廠的河砂，細(xì)度模數(shù)2.9。粗集料:采用永靖縣天熙采石廠的碎石，粒級范圍:5mm～31.5mm?？沽騽?具體物理性能指標(biāo)見表1。

表1 防腐劑的技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土抗硫酸鹽侵蝕等級按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法執(zhí)行?；炷恋娜印⒃嚰闹谱骱宛B(yǎng)護(hù)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T50082-2009要求。本試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×l00mm的立方體試件。試驗(yàn)步驟如下:①將進(jìn)行干濕循環(huán)的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d取出，擦干表面水分并放入烘箱中，在(80±5)℃環(huán)境下烘48h，烘干結(jié)束試件應(yīng)放在干燥的環(huán)境下冷卻至室溫。②將試件放人試件架中，放入配好的5%的Na2SO4溶液，浸泡(15±0.5)h，控制溶液pH值在6～8之間，溫度控制在(25～30)℃。③浸泡結(jié)束后排出溶液并風(fēng)干1h。④加熱升溫到80℃，烘干過程溫度控制在(80±5)℃，烘干6h。⑤冷卻2h，使試件表面溫度達(dá)到(25～30)℃。⑥每個(gè)干濕循環(huán)總時(shí)間應(yīng)為(24±2)h，上述步驟②～⑤為一個(gè)干濕循環(huán)。⑦規(guī)定的干濕循環(huán)次數(shù)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如果有嚴(yán)重缺角、剝落等現(xiàn)象應(yīng)用高強(qiáng)石膏補(bǔ)平后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);對比試件應(yīng)繼續(xù)保持原有的養(yǎng)護(hù)條件，與進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)的試件同時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。⑧并按式(3)計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)。［5］

式中:Kf—抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)(%);fcn—N次干濕循環(huán)后硫酸鹽侵蝕的一組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測定值(MPa)，精確到0.1;fc0—與干濕循環(huán)試件同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的一組對比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測定值(MPa)，精確到 0.1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粉煤灰摻量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

表2為不同粉煤灰摻量混凝土配合比，結(jié)合圖1和圖2可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各組混凝土的抗蝕系數(shù)K不斷減小、質(zhì)量損失出現(xiàn)不同程度的增加，其中F2組中粉煤灰摻量為20%時(shí)，其抗蝕系數(shù)K最大，質(zhì)量損失明顯小于其他2組，這主要是由于隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度損失逐漸降低，這是由于粉煤灰主要是表面光滑的圓珠狀顆粒，粒徑范圍主要分布在 0～100μm，水泥顆粒粒徑大于100μm，摻加粉煤灰有利于優(yōu)化膠凝材料的顆粒級配，細(xì)化混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)性，抑制離子傳質(zhì)作用。此外，由于粉煤灰存在潛在火山灰效應(yīng)，可以與水泥石中Ca(OH)2反應(yīng)生成低鈣水化產(chǎn)物，降低水泥石中的晶體含量，提高了體系的密實(shí)性，抑制水泥石內(nèi)部傳質(zhì)作用。但是粉煤灰摻量超過20%之后，由于膠凝材料的水化活性減弱，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展不成熟，混凝土內(nèi)部連通孔隙率較高，導(dǎo)致內(nèi)部傳質(zhì)能力增強(qiáng)，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力有所降低，K值較其他2組較大。此外，從圖2中也可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量在20%時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展良好，干濕循環(huán)下，混凝土的質(zhì)量損失最小。

表2 單方C30混凝土配合比

圖1 不同粉煤灰摻量混凝土K

圖2 不同粉煤灰摻量混凝土質(zhì)量損失

2.2 抗硫劑摻量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

表3 單方C30混凝土配合比

表3為不同抗硫劑摻量混凝土配合比，結(jié)合圖3和表3可以看出，隨著抗硫劑摻量的增加，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕等級逐漸增加，因此，提高抗硫劑的摻量有助于提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。這主要是由于抗硫劑的微細(xì)顆粒均勻的分布在水泥顆粒中，這樣就填充了水泥顆粒間的孔隙，進(jìn)而改善了膠凝材料的顆粒級配，從而提高了混凝土的微觀密度［6］，因此混凝土抗硫酸鹽類侵蝕抗硫劑，提高了混凝土抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕能力。圖4也顯示出，隨著抗硫劑摻量提高，混凝土的質(zhì)量損失逐漸減小。但是隨著抗硫劑摻量繼續(xù)增加，抗硫劑摻量為8%的K值僅略高于摻量為5%的試樣，混凝土的抗硫酸鹽能力增加較小，僅略有增加。因此，基于對成本考慮，宜控制抗硫劑摻量為5%。

圖3 不同抗硫劑摻量混凝土K

圖4 不同抗硫劑摻量混凝土質(zhì)量損失

3 抗硫酸鹽混凝土的應(yīng)用

蘭州(新城)至永靖沿黃河快速通道土建工程LY1標(biāo)項(xiàng)目:蘭州新城至河口段沿線黃河邊的水澆地和洼地中多為黃河低階黃土狀土，由于水位較高，地下水沿土層的毛細(xì)管升高至地表或接近地表，水中易溶鹽經(jīng)過蒸發(fā)作用，鹽分殘留、凝聚地表而形成鹽漬區(qū)。其易溶鹽含量為0.17% ～0.92%，為氯化鹽、硫酸鹽和亞硫酸鹽，屬弱-強(qiáng)鹽漬土，厚度在0.5m～1.5m，對混凝土結(jié)構(gòu)具弱-中腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微-中腐蝕性。對混凝土進(jìn)行抗硫酸侵蝕處理，是一個(gè)重中之重的關(guān)鍵點(diǎn)。施工中采用抗硫劑與粉煤灰復(fù)摻配制混凝土，從表4和5可知，采用粉煤灰和抗硫劑復(fù)摻完全可以替代抗硫酸鹽水泥，并獲得與抗硫酸鹽水泥混凝土相同的抗硫酸鹽侵蝕能力。當(dāng)混凝土抗硫劑與粉煤灰同時(shí)應(yīng)用于混凝土中，其活性SiO2與Ca(OH)2反應(yīng)產(chǎn)生低鈣的水化凝膠，其平衡所需石灰極限濃度為0.05～0.09g/L，比硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物硅酸二鈣穩(wěn)定時(shí)所需的石灰濃度低得多;同時(shí)使高堿性水化鋁酸鹽轉(zhuǎn)化為低堿性水化鋁酸鹽［7］。抗硫劑和粉煤灰的共同作用下混凝土的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，降低腐蝕性離子的擴(kuò)散擴(kuò)散速率，從而提高混凝土的耐腐蝕性。由于采用抗硫劑和粉煤灰復(fù)摻配制混凝土可以降低抗硫酸鹽水泥混凝土的生產(chǎn)成本，單方節(jié)約12元。同時(shí)充分利用工業(yè)廢渣有利于降低混凝土工業(yè)的廢渣和碳排放。

表4 單方C30混凝土配合比

表5 C30混凝土配合比

4 結(jié)論

(1)摻加粉煤灰有利于混凝土獲得良好的密實(shí)性，因此適當(dāng)提高粉煤灰摻量可以提高混凝土的抗硫酸鹽能力等級;但粉煤灰摻量過高，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度發(fā)展不良，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力下降。(2)提高抗硫劑的摻量有助于混凝土獲得良好的抗硫酸鹽侵蝕能力，但隨著摻量增加，抗硫劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的貢獻(xiàn)作用減小。(3)通過抗硫劑和粉煤灰復(fù)摻配制的混凝土可以獲得抗硫酸鹽水泥混凝土相同的抗硫酸鹽侵蝕能力，同時(shí)可以降低混凝土的生產(chǎn)成本。

［1］ 楊本菊.混凝土抗硫酸鹽侵蝕防腐劑的試驗(yàn)研究［D］.青島:青島理工大學(xué):2011:2-3.

［2］ 黃沙，羅建成，劉航.WG-高效抗腐蝕劑提高給排水構(gòu)件耐久性研究［J］.混凝土.2010(6):91-94.

［3］ 岳云德，劉柏林.CM型抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑對鋼筋混凝土耐久性的作用［J］.混凝土.2009(7):67-69.

［4］ 張迪，劉斌云，徐天杰.防腐劑對混凝土抗硫酸鹽性能影響的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2013(10):95-97.

［5］ GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，2009.

［6］ 張亞梅，陳勝霞，高岳毅.浸-烘循環(huán)作用下橡膠水泥混凝土的性能研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2005(12):665-671.

［7］ 袁潤章.膠凝材料學(xué)［M］.武漢理工大學(xué)出版社.1996.