新疆改性高抗硫耐腐蚀混凝土的研究与应用

改性高抗硫耐腐蚀混凝土的研究与应用康明，刘军，朱炎宁，艾洪祥(中建西部建设股份有限公司，新疆，830006)摘要：本项目通过三掺粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰等取代部分水泥，再掺入一定量的抗裂防腐剂，通过三掺矿物掺合料及抗裂防腐剂共同作用下，充分发挥其互补效应，减少了水泥石的孔隙，提高了混凝土的密实度，优化配合比，配制改性高抗硫耐腐蚀混凝土。试验结果表明，掺入35%〜40%的磨细粉煤灰和粒化高炉矿渣及4%〜6%的硅灰能有效的提高混凝土抗氯离子渗透性能，抗硫酸盐侵蚀能力及抗压强度。关键词：矿物掺合料、抗裂防腐剂、密实度、抗硫酸盐侵蚀引言新疆地处干旱地区，盐碱土地面积大，而盐碱地的土壤与地下水中含有很高的硫酸盐，同时往往还伴随着镁盐，其中SO42-浓度常在1000mg/L以上，有的甚至高达30000mg/L，例如乌鲁木齐市南湖区地下水中SO42-浓度达3784mg/L，沙区北园春地下水中SO42-浓度达1244mg/L。根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中“水、土中硫酸盐和酸类物质环境作用等级”相应的判定标准，上述环境水中的SO42-浓度会对水泥混凝土造成非常严重的硫酸盐侵蚀。常规的防腐手段多为采用高抗硫水泥或者外层涂抹保护层，成本高、效果持续时间短，而本项目研制的改性高抗硫耐腐蚀混凝土采用普通水泥、矿物掺合料、新型抗裂防腐剂，优化混凝土配合比后可以显著提高混凝土抗硫酸侵蚀能力。针对2013年开始施工建设的源凯第壹城、高新区科研总部基地等工程，处于高硫酸盐土壤地带，如不采取相应的防腐措施，会对构筑物带来巨大的侵蚀破坏。本技术是新疆西建科研检测有限责任公司于2012年奇台县芨芨湖站防腐蚀混凝土技术服务工作基础上的进一步深入研究，对于解决高硫酸盐土壤地带的构筑物腐蚀问题，有着显著的效果。盐渍土环境严重威胁到建筑物的安全，因此耐腐蚀混凝土配制技术的开发显得尤为重要。本项目根据盐渍土地区特殊的土质与水质，通过掺加高性能矿物掺合料与新型外加剂，优化配合比，降低混凝土氯离子渗透能力，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力，从而得到一种能在盐渍土地区应用的新型耐腐蚀混凝土。试验2.1试验原材料水泥:吉木萨尔县天宇华鑫水泥开发有限公司P-O42.5R水泥，28d抗压强度为51.3MPa，标准稠度用水量为27.9%，其余各项性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB/T175-2007)的要求。粉煤灰:红雁池二电厂II级灰，细度为15.2%，需水量比为95%。磨细粉煤灰:中建西部建设股份有限公司乌鲁木齐分公司生产，比表面积为590m2/kg，需水量比为97%，28d活性指数为96%。粒化高炉矿渣:中建西部建设股份有限公司乌鲁木齐分公司生产，比表面积为440m2/kg，需水量比为97%，28d活性指数为103%。硅灰:新疆哈密硅灰石矿生产的硅灰粉，SiO2含量为95%，需水量比为122%，28d活性指数为114%。细骨料:采用天然水洗砂，属于I区粗砂，细度模数为3.5。粗骨料:采用(5〜20)mm，(20〜40)mm连续级配的卵石。外加剂:采用江苏苏博特聚羧酸减水剂，减水率达25%以上，防腐剂采用河北同邦抗硫酸盐侵蚀防腐剂，掺量为(6〜10)%。2.2试验方法耐腐蚀混凝土混凝土胶砂试验按照《水泥强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)进行。耐腐蚀混凝土胶砂抗硫酸盐侵蚀试验按照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB/T749-2009)浸泡抗蚀性能试验方法(K法)进行。耐腐蚀混凝土力学性能试验按照《混凝土力学性能试验方法标准》进行(GB/T50081-2002)。耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透试验按照《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)快速氯离子迁移系数法(RCM法)与电通量法进行。耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀按照《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中抗硫酸盐侵蚀试验进行。实验结果与分析3.1矿物掺合料抗蚀系数试验矿物掺合料种类与不同矿物掺合料之间的比例是影响混凝土耐腐蚀的重要因素，不同种类的矿物掺合料具有不同的作用，不同矿物掺合料之间的比例也会产生不同的叠加效应。本项目通过正交试验与水泥胶砂试验的方法，通过水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀试验的结果来选择矿物掺合料种类与比例。具体见下表1，2。表1粉煤灰+粒化高炉矿渣+硅灰耐腐蚀混凝土胶砂试验序号掺合料种类与掺量(%)抗蚀系数K粉煤灰粒化高炉矿渣硅灰1101000.862101540.913102060.934103080.875151040.926151500.867152080.898153060.849201060.9010201580.8711202000.8412203040.8513301080.8314301560.8115302040.7616303000.76K10.8950.8800.833K20.8770.8630.860K30.8650.8550.870K40.7900.8300.865R010500500037注：因素主-次粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰。优选方案序号2、3、5。试验结果分析：通过表1可以看出，当粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰共同掺入时，试验结果极差(R)最大的是粉煤灰掺量，其次是粒化高炉矿渣，最后是硅灰，这是由于粉煤灰相比粒化高炉矿渣虽然粒型较好，但是比表面积小、活性低，并且随掺量的变化，胶砂强度波动性较大，因此对结果产生了较大影响，当粉煤灰掺量大于30%，抗蚀系数K均不大0.9,因此优选方案选择序号2、3、5。

表2磨细粉煤灰+粒化高炉矿渣+硅灰耐腐蚀混凝土胶砂试验序号掺合料种类与掺量（％）抗蚀系数K磨细粉煤灰粒化高炉矿渣硅灰33101000.8734101540.9335102060.9536103080.8937151040.9438151500.8839152080.9040153060.8641201060.9142201580.8943202000.8644203040.8745301080.8646301560.8447302040.8048303000.79K10.9100.8950.850K20.8950.8850.885K30.8830.8770.890K40.8230.8530.885R0.0870.0420.040注：因素主-次磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰。优选方案序号18、19、21、25。试验结果分析：磨细粉煤灰相对于粉煤灰具有更高的比表面积，更高的活性指数，它已经不单单是一种矿物掺合料，而是同硅灰一样纳入了矿物外加剂的行列。由表2也可以看出，在其他矿物掺合料种类与掺量相同的情况下，掺入磨细粉煤灰的抗蚀系数均大于掺入粉煤灰的试件，同时，掺入磨细粉煤灰后，试验结果也具有更小的极差。因此，本研究根据水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀试验中各种矿物掺合料种类与掺量的抗蚀系数及其离散性，选取磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰作为耐腐蚀混凝土的矿物掺合料，推荐掺量①（20%：25%：4%）、②（20%：30%：6%）、③（25%：20%：4%）、④（30%：20%：6%）。3.2耐腐蚀混凝土力学性能与耐腐蚀性能研究3.2.1耐腐蚀混凝土配合比设计表3C40耐腐蚀混凝土配合比 kg/m3编号CFAKMKSiGSW减水剂防腐剂C40-02905555C40-1284406016C40-22564080241178692160832C40-3284604016C40-4256804024C40-0为基准配合比，C40-1〜C40-4配合比中的磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰用量分别与上述①〜④配合比对应。考虑到磨细粉煤灰、硅灰比表面积较大，因而需水量大，为保证混凝土拌合物的和易性，应适当提高减水剂掺量与用水量。3.2.2力学性能与耐腐蚀性试验方法力学性能试验方法参照《混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002），试件尺寸150mmx150mmx150mm。氯离子迁移系数试验（RCM法）、电通量试验、抗硫酸盐侵蚀试验方法参照《普通混凝土长期性与耐久性试验方法标准》（GB/T50082-2009），其中氯离子迁移系数试验（RCM法）、电通量试验试件尺寸直径（100±1）mm，高度（50±2）mm，采用多功能混凝土渗透性综合试验仪。抗硫酸盐侵蚀试验试件尺寸100mmx100mmx100mm，应在养护至28d龄期的前2d，将试件取出，擦干表面水分，烘干48h冷却干燥至室温后，利用混凝土干湿循环机进行试验，浸泡溶液为5%的Na2SO4溶液，100次循环后，测定混凝土耐蚀系数K，其计算如下：K=腐蚀后试件强度同龄期标养试件强度3.2.3耐腐蚀混凝土强度分析表4C40耐腐蚀混凝土抗压强度编号C40-0C40-1C40-2C40-3C40-4R28(MPa)52.556.552.456.352.0试验结果分析：从表4可以看出所设计配合比均符合C40要求，与基准试件相比，C40-1与C40-3由于矿物掺合料掺量基本相同，但是磨细粉煤灰与硅灰活性比粉煤灰高，因此强度高于基准配合比，而C40-2与C40-4虽然矿物掺合料掺量高于基准配合比，但是较高的硅灰掺量与优质的磨细粉煤灰补偿了混凝土强度的损失，最终28d混凝土抗压强度也达到与基准配合比持平的水准。3.2.4耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能分析表5C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能编号C40-0C40-1C40-2C40-3C40-4D(0.1x10T2m2/s)RCM2.71.11.81.31.6Q(C)1124.5692.1832.5676.4871.4试验结果分析：由表5和图1、图2可以明显看出相比于基准配合比，C40-1〜C40-4氯离子迁移系数与电通量均低于基准配合比C40-0，混凝土抗氯离子渗透能力明显得到加强，对于防止钢筋锈蚀起到了至关重要的作用。这是由于磨细粉煤灰、硅灰等作为矿物掺合料的加入相对于传统的粉煤灰具有更小的粒径，更高的比表面积，更高的活性，“微集料效应”与“矿物减水剂”作用更加明显，混凝土水化过程变快，孔隙得到减少，混凝土内部结构更加密实，有效的提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。图1C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能

图2C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能3.2.5耐腐蚀混凝土抗硫酸侵蚀性能分析表6C40耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀性能编号C40-0C40-1C40-2C40-3C40-4耐蚀系数K0.840.970.960.990.92图3C40耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验结果分析：由表6和图3可以看出，相比于基准混凝土，掺入磨细粉煤灰代替粉煤灰，并掺入硅灰后，可以明显的改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。硫酸钠溶液的侵蚀影响表现为自由膨胀率增大，抗压强度减小，溶液中的SO42-离子与混凝土中的Ca(OH)2起反应生成石膏，产生结晶膨胀，继而石膏又与混凝土中水化铝酸钙反应生成钙矶石，使得原水化产物进一步产生体积膨胀，对混凝土结构起破坏作用。这样，就使混凝土的抗压强度降低。加入磨细粉煤灰后，磨细粉煤灰在硫酸盐和碱激发剂的双重作用下，与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化，生成在低碱条件下更稳定的低钙硅比的水化硅酸钙和致密的硫酸盐，填充于混凝土内部中的孔隙，成为混凝土结构的有效成分，提高了混凝土结构的密实度，减小了混凝土的渗透性，从而减少了进入混凝土中的SO42-离子，改善了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。未掺入硅粉时，水泥颗粒之间的空隙较大，水泥水化生成的产物向这些空间扩散填充，难以达到非常密实的程度，所以混凝土中水泥凝胶体结构存在着较多的毛细孔以及粗大的气孔，介质溶液容易渗入混凝土内部引起腐蚀。用硅粉取代部分水泥后，首先，硅粉粒径仅为水泥颗粒的1/50~1/100，它自身能填充在水泥颗粒之间，使水泥凝胶体更加密实；其次，硅粉中含有75%〜85%的无定形SiO2，它的活性很高，能够与水化物Ca(OH)2进一步反应，生成水化硅酸钙凝胶，形成更加均匀、密实的结构，使混凝土的孔隙结构和其他性能得到改善，所以混凝土的强度及耐腐蚀性大幅度提高。4.结论相比于传统的掺合料粉煤灰以及“双掺”技术，粒径更小，比表面积更大的磨细粉煤灰、硅灰以及复合粒化高炉矿渣的“三掺”技术更能够有效的改善盐渍土地区混凝土抗氯离子渗透与抗硫酸盐侵蚀的能力。磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰并不是简单的叠加使用，而是存在着最佳组合，当达到最佳组合是会产生1+1+1>3的作用。磨细粉煤灰及粒化高炉矿渣掺量在35%〜40%，硅灰掺量在4%〜6%时能有效的提高混凝土抗氯离子渗透性能，抗硫酸盐侵蚀能力及抗压强度。由于不同的盐渍土地区水质、土质成分均不相同，而传统的技术人员往往只重视硫酸盐腐蚀而忽视氯离子渗透，这是不合理的，只有当两者共同兼顾是才能够合理的设计耐腐蚀混凝土配合比。参考文献：王琴.干湿交替环境下混凝土硫酸盐侵蚀的试验研究[J].混凝土,2008(6):29-31.杨瑞海.复合矿物掺和料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响[J].粉煤灰综合利用.2007(4):21-24.赵尚传，宋国栋.高抗氯离子渗透性能混凝土试验研究[J].公路,2003(7