抗硫剂和粉煤灰复掺技术配制C30抗硫酸盐混凝土的应用

宋 超，马淑琴

(中交二航局六分公司，武汉市430070)

自从1892年Michaelis提出水泥混凝土受硫酸盐侵蚀形成“水泥杆菌”造成混凝土破坏之后，混凝土的耐久性问题开始得到建筑材料领域的广泛关注。一般来说，混凝土通常具有较好的耐久性，但是由于混凝土结构内部中含有大量连通性的毛细孔，为离子提供了传质通道，各种侵蚀性离子如等在混凝土内部发生物理化学反应，导致混凝土结构遭受腐蚀产生劣化。其中值得一提的是，硫酸盐侵蚀是导致混凝土结构耐久性不良的一个非常重要因素。有报道发现:兰州市境内八盘峡大坝的左平洞内地下水中 SO42-含量非常高，最大含量可达到15417.6mg/L，有关人员在左平洞岩基面上开挖原浇注混凝土，发现原底板以上10m～15m部分已经失去胶凝性，与岩基面接触的0.5cm～1.5cm混凝土手可剥落［1］。当受到硫酸盐侵蚀时，混凝土发生体积膨胀开裂，随着裂缝扩展混凝土产生粉化、剥落等现象。当外界环境中的SO42-进入到混凝土内部，主要发生如下反应:(1)当溶液中SO42-浓度大于1000ml/L，与孔隙溶液中的Ca(OH)2生成二水石膏和氢氧化钠，生成二水石膏量较大时，本身可以在水泥石空隙结晶，体积增大24%，产生类似于溶出腐蚀的作用，导致混凝土及水泥硬化浆体因内应力而破坏，其破坏的特征是混凝土表面没有粗大裂缝但遍体溃散;(2)二水石膏可以继续与水泥石中的水化铝酸盐反应生产针状钙矾石晶体，体积继续增加，引起很大内应力，导致混凝土膨胀开裂强度降低，混凝土表面出现裂缝及脱落［2］。

传统的混凝土抗硫酸盐侵蚀采用3种方式:(1)提高混凝土的强度设计等级，降低水胶比，从而提高混凝土的密实性，但是混凝土成本显著增加;(2)采用抗硫酸盐水泥，抗硫酸盐水泥工艺要求较高、价格昂贵，抗Cl-、Mg2+等腐蚀性离子的效果较弱;(3)混凝土表面涂敷涂料防腐层，但是防腐层容易脱落，作用周期较短。以上3种方法均存在一定的局限性，抗侵蚀能力有限。1986年中国建筑材料研究总院展开“水泥砂浆或混凝土抗侵蚀材料(剂)”课题立项研究。岳云德［3］等人研制出一种CM型防腐剂可以有效抵抗化学侵蚀以及物理的作用，提高钢筋混凝土的耐久性。张迪［4］等人研制的BDY型防腐剂也对混凝土抗硫酸盐侵蚀强度等级的提高有明显影作用。故而应用防腐剂对于提高混凝土抗硫酸等级具有重要贡献作用，而本文采用抗硫剂和粉煤灰双掺技术配制混凝土，提高抗硫酸盐侵蚀能力，通过试验分析抗硫剂和粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响，并通过工程实例进一步验证抗硫剂和粉煤灰双掺技术在提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力上的可行性。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

水泥:采用永登祁连山水泥厂生产的普通42.5级硅酸盐水泥。粉煤灰:采用兰铝电厂的Ⅱ级粉煤灰。细集料:采用华凯河湾砂厂的河砂，细度模数2.9。粗集料:采用永靖县天熙采石厂的碎石，粒级范围:5mm～31.5mm。抗硫剂:具体物理性能指标见表1。

表1 防腐剂的技术性能

1.2 试验方法

混凝土抗硫酸盐侵蚀等级按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法执行。混凝土的取样、试件的制作和养护符合标准GB/T50082-2009要求。本试验采用尺寸为100mm×100mm×l00mm的立方体试件。试验步骤如下:①将进行干湿循环的试件在标准养护室中养护28d取出，擦干表面水分并放入烘箱中，在(80±5)℃环境下烘48h，烘干结束试件应放在干燥的环境下冷却至室温。②将试件放人试件架中，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之间，温度控制在(25～30)℃。③浸泡结束后排出溶液并风干1h。④加热升温到80℃，烘干过程温度控制在(80±5)℃，烘干6h。⑤冷却2h，使试件表面温度达到(25～30)℃。⑥每个干湿循环总时间应为(24±2)h，上述步骤②～⑤为一个干湿循环。⑦规定的干湿循环次数结束后应及时进行抗压强度试验，如果有严重缺角、剥落等现象应用高强石膏补平后进行抗压强度试验;对比试件应继续保持原有的养护条件，与进行干湿循环试验的试件同时进行抗压强度试验。⑧并按式(3)计算混凝土抗压强度耐蚀系数。［5］

式中:Kf—抗压强度耐蚀系数(%);fcn—N次干湿循环后硫酸盐侵蚀的一组混凝土试件的抗压强度测定值(MPa)，精确到0.1;fc0—与干湿循环试件同龄期的标准养护的一组对比混凝土试件的抗压强度测定值(MPa)，精确到 0.1。

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

表2为不同粉煤灰掺量混凝土配合比，结合图1和图2可以看出，随着循环次数的增加，各组混凝土的抗蚀系数K不断减小、质量损失出现不同程度的增加，其中F2组中粉煤灰掺量为20%时，其抗蚀系数K最大，质量损失明显小于其他2组，这主要是由于随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度损失逐渐降低，这是由于粉煤灰主要是表面光滑的圆珠状颗粒，粒径范围主要分布在 0～100μm，水泥颗粒粒径大于100μm，掺加粉煤灰有利于优化胶凝材料的颗粒级配，细化混凝土的内部结构，提高混凝土的密实性，抑制离子传质作用。此外，由于粉煤灰存在潜在火山灰效应，可以与水泥石中Ca(OH)2反应生成低钙水化产物，降低水泥石中的晶体含量，提高了体系的密实性，抑制水泥石内部传质作用。但是粉煤灰掺量超过20%之后，由于胶凝材料的水化活性减弱，混凝土结构发展不成熟，混凝土内部连通孔隙率较高，导致内部传质能力增强，混凝土抗硫酸盐侵蚀能力有所降低，K值较其他2组较大。此外，从图2中也可以看出，当粉煤灰掺量在20%时，混凝土结构发展良好，干湿循环下，混凝土的质量损失最小。

表2 单方C30混凝土配合比

图1 不同粉煤灰掺量混凝土K

图2 不同粉煤灰掺量混凝土质量损失

2.2 抗硫剂掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

表3 单方C30混凝土配合比

表3为不同抗硫剂掺量混凝土配合比，结合图3和表3可以看出，随着抗硫剂掺量的增加，混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级逐渐增加，因此，提高抗硫剂的掺量有助于提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。这主要是由于抗硫剂的微细颗粒均匀的分布在水泥颗粒中，这样就填充了水泥颗粒间的孔隙，进而改善了胶凝材料的颗粒级配，从而提高了混凝土的微观密度［6］，因此混凝土抗硫酸盐类侵蚀抗硫剂，提高了混凝土抗压强度和抗硫酸盐侵蚀能力。图4也显示出，随着抗硫剂掺量提高，混凝土的质量损失逐渐减小。但是随着抗硫剂掺量继续增加，抗硫剂掺量为8%的K值仅略高于掺量为5%的试样，混凝土的抗硫酸盐能力增加较小，仅略有增加。因此，基于对成本考虑，宜控制抗硫剂掺量为5%。

图3 不同抗硫剂掺量混凝土K

图4 不同抗硫剂掺量混凝土质量损失

3 抗硫酸盐混凝土的应用

兰州(新城)至永靖沿黄河快速通道土建工程LY1标项目:兰州新城至河口段沿线黄河边的水浇地和洼地中多为黄河低阶黄土状土，由于水位较高，地下水沿土层的毛细管升高至地表或接近地表，水中易溶盐经过蒸发作用，盐分残留、凝聚地表而形成盐渍区。其易溶盐含量为0.17% ～0.92%，为氯化盐、硫酸盐和亚硫酸盐，属弱-强盐渍土，厚度在0.5m～1.5m，对混凝土结构具弱-中腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微-中腐蚀性。对混凝土进行抗硫酸侵蚀处理，是一个重中之重的关键点。施工中采用抗硫剂与粉煤灰复掺配制混凝土，从表4和5可知，采用粉煤灰和抗硫剂复掺完全可以替代抗硫酸盐水泥，并获得与抗硫酸盐水泥混凝土相同的抗硫酸盐侵蚀能力。当混凝土抗硫剂与粉煤灰同时应用于混凝土中，其活性SiO2与Ca(OH)2反应产生低钙的水化凝胶，其平衡所需石灰极限浓度为0.05～0.09g/L，比硅酸盐水泥水化产物硅酸二钙稳定时所需的石灰浓度低得多;同时使高碱性水化铝酸盐转化为低碱性水化铝酸盐［7］。抗硫剂和粉煤灰的共同作用下混凝土的毛细孔结构得到细化，降低腐蚀性离子的扩散扩散速率，从而提高混凝土的耐腐蚀性。由于采用抗硫剂和粉煤灰复掺配制混凝土可以降低抗硫酸盐水泥混凝土的生产成本，单方节约12元。同时充分利用工业废渣有利于降低混凝土工业的废渣和碳排放。

表4 单方C30混凝土配合比

表5 C30混凝土配合比

4 结论

(1)掺加粉煤灰有利于混凝土获得良好的密实性，因此适当提高粉煤灰掺量可以提高混凝土的抗硫酸盐能力等级;但粉煤灰掺量过高，导致混凝土强度发展不良，混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力下降。(2)提高抗硫剂的掺量有助于混凝土获得良好的抗硫酸盐侵蚀能力，但随着掺量增加，抗硫剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的贡献作用减小。(3)通过抗硫剂和粉煤灰复掺配制的混凝土可以获得抗硫酸盐水泥混凝土相同的抗硫酸盐侵蚀能力，同时可以降低混凝土的生产成本。

［1］ 杨本菊.混凝土抗硫酸盐侵蚀防腐剂的试验研究［D］.青岛:青岛理工大学:2011:2-3.

［2］ 黄沙，罗建成，刘航.WG-高效抗腐蚀剂提高给排水构件耐久性研究［J］.混凝土.2010(6):91-94.

［3］ 岳云德，刘柏林.CM型抗硫酸盐类侵蚀防腐剂对钢筋混凝土耐久性的作用［J］.混凝土.2009(7):67-69.

［4］ 张迪，刘斌云，徐天杰.防腐剂对混凝土抗硫酸盐性能影响的试验研究［J］.混凝土，2013(10):95-97.

［5］ GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，2009.

［6］ 张亚梅，陈胜霞，高岳毅.浸-烘循环作用下橡胶水泥混凝土的性能研究［J］.建筑材料学报，2005(12):665-671.

［7］ 袁润章.胶凝材料学［M］.武汉理工大学出版社.1996.