程棋鋒

（合誠工程咨詢股份有限公司，福建 廈門 361009）

防腐劑對高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響的相關(guān)性分析

程棋鋒

（合誠工程咨詢股份有限公司，福建 廈門 361009）

本文通過對添加和不添加防腐劑的不同典型強度等級的混凝土的力學(xué)性能、ASTM電通量、RCM氯離子擴散性、Permit原位氯離子滲透性、Autoclam吸水性、抗凍融性進行對比研究，得出防腐劑對于不同強度等級混凝土的耐久性的影響，以此來評價各種防腐劑對于高性能混凝土的耐久性的作用。

混凝土；防腐劑；耐久性；相關(guān)性；原位氯離子滲透性

0　引言

混凝土以其原材料易得、易澆注成型、適應(yīng)性強、性價比高、綜合能耗低等優(yōu)點而成為當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料。由于環(huán)境污染、溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變暖和生態(tài)惡化對用量最大的混凝土材料提出了可持續(xù)發(fā)展的要求。實現(xiàn)混凝土工程的高耐久和長壽命是效益巨大的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展舉措，因此混凝土的耐久性成為影響混凝土技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵問題。

為了延長混凝土的耐久性很多工程采用添加混凝土防腐劑的方法。摻加防腐劑直接使混凝土的造價提高 10% 左右，但是對于防腐劑與高性能混凝土耐久性的相關(guān)性目前沒有一個綜合的相關(guān)性分析，因此有必要對其相關(guān)性進行深入綜合研究，以得出防腐劑對于混凝土耐久性的貢獻。

1　混凝土防腐劑

依據(jù)國家標準 GB 8075—2005《混凝土外加劑定義、分類、命名與術(shù)語》，外加劑的定義為：混凝土外加劑是拌制混凝土過程中摻放，用以改善混凝土性能的物質(zhì)，摻量不大于水泥質(zhì)量的 5%（特殊情況除外）。規(guī)范里列出了 20 余種外加劑，但并沒有防腐劑，更沒有相關(guān)檢測標準[1]。

混凝土防腐通?？梢钥紤]物理防腐和化學(xué)防腐。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場上的防腐劑有兩大類：粉劑材料主要以礦粉（或粉煤灰）＋硅粉＋亞硝酸鈣為主，實際上還是阻銹劑，通過摻加到混凝土中起到阻銹效果，雖然不計入膠凝材料，但實際上造成膠凝材料變大，水膠比減小，提高了混凝土的密實性，其弊端是混凝土坍落度損失很大，不利于混凝土的工作性。水劑材料：主要是減水劑+亞硝酸鈣或其他種類的阻銹成分。

2　混凝土耐久性表征技術(shù)

混凝土的耐久性材料層次的研究重點是劣化機理、防劣化技術(shù)措施、評定標準和劣化狀態(tài)識別等，目前對于高性能混凝土的耐久性評價方法主要有：

（1） 混凝土力學(xué)性能指標作為混凝土發(fā)揮功能的最基本的一個指標，具有極度重要的意義。目前建筑高性能混凝土的力學(xué)性能主要以承壓為主，所以本文主要采用混凝土立方體抗壓強度變化情況作為混凝土耐久性評定指標之一，其測試設(shè)備如圖 1(a) 所示。

（2）混凝土的密實性指標作為混凝土耐久性評價的最重要指標，主要通過測定氯離子在混凝土中的遷移速率來表征。本文采用 ASTM 電通量法和優(yōu)化后的 RCM 氯離子擴散系數(shù)測定法測定所得的氯離子遷移量和氯離子擴散速率作為混凝土耐久性評定的指標之一，其測試設(shè)備如圖 1(b) 和圖1(c) 所示。

（3） 實體結(jié)構(gòu)混凝土耐久性指標對于綜合評價混凝土耐久性亦非常重要，因此本文采用英國女王大學(xué)引進的Permit原位混凝土氯離子遷移速率測定儀和 Autoclam 混凝土表面滲透性來評價混凝土實體結(jié)構(gòu)的耐久性，其測試設(shè)備如圖 (d) 和圖 1(e) 所示。

Permit 原位混凝土氯離子遷移速率計算相關(guān)公式為：

電導(dǎo)梯度轉(zhuǎn)化為濃度梯度公式：dc/dt=5.68ds/dt+1.13

離子遷移系數(shù)的計算公式：

其中：

dc/dt——陽極電解液濃度變化情況，mol/(L·s)；

T——絕對溫度，K；

R——通用氣體常數(shù)；

Z——離子的原價；

C——離子源溶液的濃度，mol/L；

F——法拉第常數(shù)；

E——正負極間的電勢差，V；

V——陽極電解液的體積，m3；

L/A——流動長度與外部面積的比值。

（4）混凝土結(jié)構(gòu)在中國北方地區(qū)都面臨凍融破壞問題，并且混凝土防腐劑在北方地區(qū)應(yīng)用比南方地區(qū)廣泛，因此為了全面評價防腐劑對混凝土耐久性的影響，本文把混凝土的抗凍融耐久性指數(shù)作為評價混凝土耐久性的指標之一，其測試設(shè)備如圖 1(f) 所示。

圖1　本試驗使用儀器設(shè)備

3　混凝土試驗配合比設(shè)計

試驗原材料選用普通硅酸鹽 P·O42.5 水泥、S95 礦粉和F-Ⅱ級粉煤灰作為膠凝材料，選用閩江中砂作為細集料、薊縣 5～25mm 碎石作為粗集料，選用高效聚羧酸減水劑和市場流通量最大最典型的兩種粉劑和一種液體防腐劑 FA（粉劑）、FB（粉劑）、FC（液態(tài)）作為外加劑，拌合用水采用飲用自來水。

為了綜合評價混凝土防腐劑對不同強度等級的混凝土耐久性的影響的相關(guān)性，按照目前中國地區(qū)使用最為常見的混凝土設(shè)計強度等級，根據(jù)本單位在典型高性能混凝土配合比設(shè)計方面長期積累的經(jīng)驗來進行混凝土配比設(shè)計。本文以不摻加防腐劑的混凝土為基準配合比，以摻加不同種類防腐劑的配合比作為對比配合比，具體的試驗配合比如表 1 所示。

4　實驗結(jié)果分析

按照表 1 的混凝土配合比設(shè)計方案，依據(jù)標準規(guī)定進行混凝土的拌制和相關(guān)性能試驗，每個配合比進行三組平行試驗，以三組代表值的平均值作為對應(yīng)配合比性能的代表值。本文主要對基準和對比混凝土配合比的混凝土立方體抗壓強度、ASTM 電通量、RCM 氯離子滲透系數(shù)、混凝土板 Permit表面穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)測試、混凝土板 Autoclam 表面吸水性測試以及混凝土快速凍融耐久性指數(shù)進行測試。其中混凝土立方體抗壓強度 3d、7d、28d、56d 所得結(jié)果匯總分析如圖2 所示，其他耐久性試驗結(jié)果匯總分析如圖 3 所示。

表1　試驗基準及對比配合比設(shè)計

圖2　混凝土強度隨時間變化情況匯總分析表

由圖 2 可以看出：（1）摻加粉劑防腐劑的 FA 系列混凝土和 FB 系列混凝土的 3d 和 7d 早期強度比基準配合比要高得多，而基準配合比的早期強度又比液態(tài)的稍微更高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該是由于粉劑防腐劑中的主要成分包括礦粉、粉煤灰等膠凝材料，在與基準混凝土相同水灰比的情況下間接降低了摻防腐劑類配比的水灰比，因此混凝土的強度在防腐劑的作用下得到一定的提高；（2）粉劑防腐劑對于混凝土早期強度的增強效果隨著設(shè)計強度的增大在不斷降低，對于 C50 的混凝土其早期強度的增強效果并不顯著。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為高強混凝土的強度發(fā)展速度比低等級的快，降低了防腐劑對于混凝土早期強度的影響作用。（3）防腐劑對于 56d 齡期混凝土強度的變化影響并不明顯，這是因為防腐劑在提高混凝土早期強度的同時大量消耗了水泥水化物中Ca(OH)2的含量，從而影響了混凝土的后期強度發(fā)展，所以說防腐劑對于混凝土的長期強度提高作用有限。

圖3　耐久性能試驗測試結(jié)果

由圖 3(a)、(b) 和 (c) 的電通量、RCM 氯離子擴散系數(shù)及 Permit 原位氯離子滲透試驗結(jié)果可以看出摻加粉劑防腐劑的混凝土抗氯離子侵蝕性能比基準和摻液態(tài)防腐劑的更優(yōu)，低強度等級混凝土的抗氯離子侵蝕性提高程度比高強度混凝土比例大，原位氯離子遷移速率 Dmiginsitu變化情況也基本類似。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是因為低等級混凝土的密實性較低，而摻加防腐劑，尤其是粉劑防腐劑之后，會降低混凝土的水膠比，同時引入防腐成分，大大增加了混凝土的密實性，同時防腐劑中摻入了部分阻止離子滲透的材料，使得混凝土的抗氯離子滲透性大大增強。

由圖4 (d) 可以看出防腐劑對于低等級混凝土的吸水性有較大地提高，但是當(dāng)混凝土強度高于 C40 之后其吸水性減小情況變緩。出現(xiàn)這種情況是因為水在沒有壓力的作用下其滲透性很弱，當(dāng)混凝土密實性達到一定程度之后，水分子要繼續(xù)滲透就會變得非常困難，因此當(dāng)高性能混凝土的強度等級大于 C40 之后吸水性系數(shù)變化就不明顯。

由圖 3(e) 看出防腐劑對于混凝土的抗凍融耐久性提高程度非常大，對于不同強度等級的混凝土都有顯著的提高效果。這是因為很多防腐劑中都摻加了一定量的引氣劑，使得新拌混凝土中加入了大量的微型氣泡，這些氣泡能抵消混凝土由于熱脹冷縮引起的內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)混凝土的含氣量能控制在 3%～5% 時，氣泡對于混凝土的抗凍融性具有很好的提高效應(yīng)。同時，防腐劑具有一定的增密性，進一步提高了混凝土的抗凍融性。

5　結(jié)論

（1）由圖 2 和圖 3 的試驗結(jié)果分析可以得出，對于低于C40 的混凝土摻加防腐劑能在一定程度上能提高混凝土的早期強度，同時能提高混凝土的 28d 抗氯離子侵蝕性能。

（2）對于不小于 C40 的混凝土，防腐劑對于其抗氯離子侵蝕性的提高作用不明顯。

（3）由于防腐劑中的引氣成分給混凝土中引入適量的微型氣泡，因此防腐劑對于混凝土抗凍融性能的提升效應(yīng)是最為顯著的。

（4）由于防腐劑的摻加將導(dǎo)致混凝土造價增加 6%～8%，因此對于混凝土中是否摻加防腐劑應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的防腐要求、混凝土強度設(shè)計等級以及工程造價來綜合判定。

[1] 聞寶聯(lián)．沿海地區(qū)樁基礎(chǔ)腐蝕防護與相關(guān)問題探討[C]．2011 樁基礎(chǔ)腐蝕北京研討會論文集[A]，2011.6．

［通訊地址］廈門市湖里區(qū)枋鐘路 2368 號（361009）

程棋鋒（1986—），男，工程師，長期從事混凝土耐久性等研究工作。