楊武 ，石亮 ， 蔡景順 ，曾偉

(1.新疆建筑科學(xué)硏究院，新疆 烏魯木齊830054;2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京211100)

0 引言

新疆地區(qū)地下水中硫酸鹽和氯鹽含量較高，鹽侵蝕破壞是造成新疆地區(qū)地下建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的重要誘因。研究表明，低水膠比和大摻量礦物摻合料混凝土在長期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下具有良好的抗鹽侵蝕破壞能力[1-2]。但由于混凝土單方用水量低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)增大。此外，水泥用量少，導(dǎo)致混凝土易碳化且早期抗侵蝕介質(zhì)滲透能力弱。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，功能型外加劑在新疆地區(qū)混凝土工程中的應(yīng)用逐漸增多，在不過度依賴低水膠比和大摻量礦物摻合料技術(shù)的同時(shí)，可保障混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。

采用新疆地區(qū)原材料，根據(jù)工程實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，通過對(duì)比試驗(yàn)，研究功能型外加劑對(duì)混凝土力學(xué)性能、吸水率、抗離子擴(kuò)散性能、抗硫酸鹽腐蝕性能以及鋼筋銹蝕行為的影響，提出適用于新疆地區(qū)地下建筑混凝土侵蝕抑制技術(shù)，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性保障提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

選用新疆雁池新型建材有限公司P·O 42.5水泥，新疆瑪納斯電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，各膠凝組分的化學(xué)成分如表1所示。粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，堆積密度1 327 kg/m3，細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.6。

表1 膠凝材料化學(xué)組成(wt%)

減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA@-I聚羧酸減水劑，功能型外加劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的硬脂酸胺類SBT@-TIA（I）和脂肪酸醇胺類 SBT@-TIA（II）混凝土抗侵蝕抑制劑。試驗(yàn)混凝土配合比如表2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法

（1）混凝土力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能測(cè)試參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB 50081進(jìn)行。

（2）混凝土吸水率

混凝土吸水率試件采用上口內(nèi)徑為175 mm、下口內(nèi)徑為185 mm和高度為150 mm的圓臺(tái)體試模成型，每組3塊。試件成型1 d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d后取出，鉆取直徑為（75±3）mm的混凝土芯樣，切除上下表面后制備高度為 （75±3）mm的圓柱體芯樣。將試件置于（105±5） ℃烘箱干燥（72±2） h，且每個(gè)試件距離其他試件或加熱面距離不小于25 mm。試件取出在（25±3） ℃環(huán)境的干燥器中冷卻（24±0.5） h，稱重并記錄W1，以圓柱底面與水面垂直的方式將試件置于（25±3）℃的水中浸泡，試件間隔不得小于 10 mm，試件最高點(diǎn)距離水面（25±5） mm，（30±0.5）min后將試件取出并用抹布擦去表面的水，稱重并記錄W2。稱量采用感量為0.05 g，最大稱量范圍不超過5 000 g的天平。

混凝土試件的吸水率按照下式計(jì)算：

式中：f—混凝土試件的吸水率/%（精確至0.1%）；W2—混凝土試件浸泡后質(zhì)量/g（精確至 0.1g）；W1—混凝土試件浸泡前質(zhì)量/g（精確至0.1g）。

（3）混凝土抗離子擴(kuò)散系數(shù)和抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)

混凝土抗離子擴(kuò)散系數(shù)和抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)測(cè)試參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB 50082進(jìn)行。

表2 混凝土配合比

（4）鋼筋銹蝕行為

鋼筋銹蝕行為測(cè)試參照《Standard Test Method for Determining Effects of Chemical Admixtures on Corrosion of Embedded Steel Reinforcement in Concrete Exposed to Chloride Environments》ASTM G109-07進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響如圖1所示。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展有促進(jìn)作用，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度提升11%，但后期混凝土強(qiáng)度增長較慢。脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑的摻入，混凝土早期強(qiáng)度略有降低，3 d強(qiáng)度下降約20%，但隨著齡期的增長，混凝土強(qiáng)度發(fā)展與基準(zhǔn)相當(dāng)。硬脂酸胺類和脂肪酸胺類物質(zhì)在混凝土拌合物堿性環(huán)境下反應(yīng)機(jī)制不同，離子釋放速率存在差異，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同。

圖1 抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

2.2 混凝土吸水率

圖2為三組混凝土7 d齡期吸水率。通過85組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，混凝土抗侵蝕抑制劑的加入可以大幅降低混凝土的吸水率，基準(zhǔn)混凝土7 d齡期平均吸水率為1.99%，摻入硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑后，混凝土吸水率降低至0.99%，降幅為50%；摻入脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑后，混凝土吸水率降低至0.66%，降幅達(dá)67%?；炷量骨治g抑制劑與混凝土中的鈣離子反應(yīng)，生成納米尺度不溶于水的顆粒，附著于硬化混凝土的毛細(xì)孔壁上，改變了混凝土毛細(xì)孔的表面能，優(yōu)化了孔隙的表面微結(jié)構(gòu)，達(dá)到了疏水效果?；炷廖试谝欢ǔ潭壬蠜Q定了混凝土結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)條件下的飽和度發(fā)展，基于非飽和狀態(tài)離子擴(kuò)散理論分析，吸水率更低的混凝土，在含有有害離子的水位變化環(huán)境中服役，有害離子需要更長時(shí)間才能遷移到混凝土內(nèi)部鋼筋表面，因此混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性更優(yōu)[3-4]。實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)環(huán)境中有害離子含量、混凝土結(jié)構(gòu)服役結(jié)構(gòu)部位和設(shè)計(jì)服役年限選擇合適的混凝土抗侵蝕抑制技術(shù)。

圖2 抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土7 d齡期吸水率的影響

2.3 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響如表3所示。混凝土抗侵蝕抑制劑的加入，在一定程度上降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑降低混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的能力稍弱，28 d混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅降低14%，這與硬脂酸胺類物質(zhì)與水泥反應(yīng)生成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑摻入到混凝土中后，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低23%，達(dá)到了摻入礦粉等礦物摻合料的水平。由于脂肪酸醇胺類物質(zhì)與混凝土中的鈣離子反應(yīng)生成的顆粒尺寸與有害毛細(xì)孔相當(dāng)，因此在外界水壓作用下，混凝土的毛細(xì)孔會(huì)發(fā)生閉合，孔隙率降低或孔曲折度增大，因此氯離子擴(kuò)散行為受阻，擴(kuò)散系數(shù)降低。對(duì)于飽和程度較高，或者對(duì)離子擴(kuò)散要求較高的工程結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)采用脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑提升混凝土耐久性能。

表3 抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土28 d齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

2.4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)

抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)影響如圖3所示。由圖3可以看出，混凝土抗侵蝕抑制劑摻入后，混凝土抗硫酸鹽循環(huán)腐蝕的性能大幅改善，混凝土抗壓耐蝕系數(shù)均高于0.9，即混凝土強(qiáng)度損失均小于10%。硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕過程中混凝土劣化主要誘因是毛細(xì)管吸附作用，干燥混凝土在浸水條件下，毛細(xì)管大量吸附含有硫酸鹽的溶液，干燥過程中，水分散失，硫酸鹽存留于毛細(xì)管中，循環(huán)往復(fù)，混凝土中會(huì)形成大量的硫酸鹽結(jié)晶，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂破壞[5]?；炷量骨治g抑制劑的加入，降低了混凝土的吸水率即降低了毛細(xì)管吸附作用的驅(qū)動(dòng)力，因此混凝土的抗硫酸鹽結(jié)晶膨脹腐蝕破壞能力得到提升。對(duì)于半埋或半浸泡的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土抗侵蝕抑制劑可以有效緩解鹽結(jié)晶破壞的現(xiàn)象，延長工程的服役壽命。

圖3 抗侵蝕抑制劑對(duì)混凝土120次硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后抗壓耐蝕系數(shù)的影響

2.5 鋼筋銹蝕行為

鋼筋腐蝕電量累積反應(yīng)鋼筋受侵蝕性介質(zhì)腐蝕后鋼筋腐蝕的狀態(tài)，腐蝕累積電量越高，鋼筋腐蝕的程度越大。混凝土抗侵蝕抑制對(duì)鋼筋腐蝕電量的影響如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，脂肪酸醇胺類混凝土抗侵蝕抑制劑能夠顯著的降低鋼筋腐蝕電量，即使是在模擬加速腐蝕情況下，腐蝕電量與基準(zhǔn)相比仍可降低90%。硬脂酸胺類混凝土抗侵蝕抑制劑僅能降低腐蝕電量50%左右。混凝土抗侵蝕抑制劑與傳統(tǒng)的防水劑或防腐劑相比，可在提升混凝土抗?jié)B防腐性能外，保護(hù)內(nèi)部鋼筋，起到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體保護(hù)的功效。

圖4 抗侵蝕抑制劑對(duì)鋼筋腐蝕電量的影響

3 結(jié)語

（1）針對(duì)新疆地區(qū)地下建筑混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在的鹽侵蝕破壞問題，混凝土抗侵蝕抑制劑是除了低水膠比和大摻量礦物摻合料外的抗侵蝕混凝土制備有效技術(shù)手段。

（2）混凝土抗侵蝕抑制劑可在不影響混凝土力學(xué)性能發(fā)展的基礎(chǔ)上，大幅降低混凝土毛細(xì)管吸水率，抑制侵蝕性離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，有效避免硫酸鹽干濕循環(huán)后的鹽結(jié)晶破壞現(xiàn)象，提升混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的耐蝕能力。

（3）實(shí)際工程應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境中的有害離子含量、結(jié)構(gòu)浸泡或埋置情況以及工程設(shè)計(jì)使用年限，選擇合適的混凝土抗侵蝕抑制技術(shù)，保障工程的服役壽命。