多种内防腐措施对提高混凝土耐久性的作用效果对比研究

梁锐 ，张琰 ，王彦良 ，刘宗杰 ，殷晓鹏

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272023）

0 引言

在电力行业高速发展的同时，电力基础设施的结构耐久性问题也开始受到关注。现行的电力行业设计标准中结构耐久性相关技术规范尚不健全，而实际上大量电力设施需要在腐蚀性的盐渍土地区和受重工业排放污染地区中建设并长期使用[1]。面对大量具有腐蚀性的盐渍土地区和受重工业排放污染地区，电站、电网等基础设施的结构耐久性如何保证，是电力工程建设领域需要解决的问题。

电力工程建设中常用的混凝土内防腐措施[2]主要包括：（1）提高混凝土设计强度等级；（2）采用较高掺量矿物掺合料的高性能混凝土；（3）掺加混凝土防腐剂或防腐阻锈剂；（4）采用抗硫酸盐水泥。已有研究表明[3]，当混凝土具有良好的密实性且水泥熟料中C3A含量低于5.5%时，发生硫酸盐腐蚀的概率较低。在混凝土中掺入硅灰、粉煤灰、矿粉等代替水泥都有改善混凝土抗硫酸盐腐蚀的效果[4]。减小混凝土水胶比，有提高混凝土密实性、降低渗透性的作用。防腐剂通过提高混凝土密实性，降低腐蚀因子的渗透作用，提高了混凝土抗腐蚀性能。在混凝土中引入更多大小适宜的气孔，可缓解盐类结晶或冰结晶带来的应力作用，提高混凝土的抗盐类结晶和抗冻融性能。抗硫酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的主要区别在于熟料中C3A含量不同，普通硅酸盐水泥中C3A含量为8%～10%，而抗硫酸盐水泥中C3A含量不超过3%。本研究对多种混凝土内防腐措施的防腐效果进行对比，并结合混凝土耐久性设计的要求，提出不同腐蚀环境下混凝土适用的防腐措施。

1 试验方案

试验采用C30混凝土，以工程现场搅拌配比为基准，结合预拌商品混凝土、高性能混凝土、内掺防腐剂等多种内防腐措施优化设计混凝土配比，根据混凝土耐久性试验方法进行分组测试，结合耐久性检验评定标准对不同内防腐措施的试验结果进行评价。按照混凝土耐久性设计规范要求，将试验结果与耐久性指标要求进行对照，提出不同防腐措施的适用条件。

1.1 原材料

水泥：北京北水P·O42.5水泥和山东华银高抗硫酸盐水泥P·HSR 42.5，比表面积分别为 384、365 m2/kg，安定性合格，主要性能指标见表1；粉煤灰：Ⅱ级，河北唐山，性能指标见表2；矿渣粉：S95级，河北银水，性能指标见表3；粗骨料：5～25 mm连续级配碎石，河北滦平；细骨料：Ⅱ区中砂，细度模数2.6，含泥量1.8%；聚羧酸高性能减水剂和引气剂：中国建筑材料研究总院生产，减水剂含固量20%，减水率31%，引气剂的性能指标见表4；混凝土防腐剂：共4种，其中1#防腐剂主要成分包含矿粉、硅灰等，北京华砼公司生产，2#防腐剂主要成分包含矿粉、粉煤灰等，河北同邦建材生产，3#防腐剂主要成分包含矿粉、硅灰、膨胀剂等，唐山北极熊建材生产，4#防腐阻锈剂主要成分为偏高岭土、硅灰、阻锈组分等，中国建筑材料研究总院生产，具体性能指标见表5。

表1 2种水泥的主要性能指标

表2 粉煤灰的主要性能指标

表3 矿渣粉的主要性能指标

表4 引气剂的主要性能指标

表5 4种防腐剂的主要性能指标

1.2 配合比设计

本研究共设计12组混凝土，其中A-1基准配比为现场搅拌混凝土；A-2为商品混凝土；A-3和A-4为高性能混凝土；B-1～B-4分别掺加1#～4#防腐剂；C-1采用抗硫酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥，C-2采用抗硫酸盐水泥并掺4#防腐剂；D-2是在A-2基础上加入0.1%的引气剂；E-1为增加水泥用量，提高设计强度。除E-1配比设计强度等级为C40，其余配比混凝土设计强度等级为C30。试验配合比如表6所示。

表6 试验混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

（1）混凝土试拌和成型：参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，按设计配合比和测试项目要求尺寸浇注成型，在温度（20±5）℃的环境中静置24 h，然后编号、脱模，放入温度（20±2）℃、相对湿度95%以上的标准养护室内养护到所需龄期。

（2）抗压强度测试：采用100 mm×100 mm×100 mm非标准试件，尺寸换算系数0.95，参照GB/T 50081—2002进行。

（3）耐久性测试：参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》，抗氯离子侵蚀试验采用电通量法和RCM法，分别测试混凝土试块28 d、56 d的电通量和氯离子扩散系数DRCM。抗硫酸盐侵蚀采用混凝土抗硫酸盐侵蚀干湿循环试验方法，测试56 d的混凝土耐蚀系数。

2 试验结果及分析

2.1 不同防腐措施下混凝土的抗压强度（见表7）

表7 不同防腐措施下各组混凝土的抗压强度

由表7可见：

（1）A-1配比满足C30强度等级，早期抗压强度增长较高，7 d、28 d抗压强度增长更快，56 d、90 d增长趋势放缓；A-2配比的水胶比降低，采用粉煤灰和矿粉双掺，7 d强度不高，28 d时与A-1差距不大，到56 d、90 d时仍然保持增长趋势；A-3与A-4配比的水胶比更低，矿物掺合料掺量更高，7、28 d强度与A-1接近，到56、90 d仍然保持较高的增长趋势，与以往的研究和试验结论一致。

（2）B-1、B-4掺防腐剂的配比，7 d强度普遍低于基准，但28 d、56 d、90 d的强度均高于基准；B-2、B-3配比各龄期强度均低于基准。

（3）C-1与C-2抗硫酸盐水泥的强度增长与普硅水泥相似，在56 d、90 d仍保持较高增长；D-2掺引气剂，含气量提高了2.2%，7、28、56、90 d抗压强度与未掺引气剂的A-2相比，分别降低了7.2%、7.3%、9.4%、8.6%；E-1配比满足C40强度等级要求。

2.2 不同防腐措施下混凝土的电通量

不同防腐措施下混凝土的电通量见表8，根据JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》，按电通量划分抗氯离子渗透等级，矿物掺合料总量超过总量50%的A-4配比采用56d龄期评定，其余采用28 d龄期评定。

表8 不同防腐措施下混凝土的电通量及抗渗性

由表8可见：

（1）A-2～A-4配比的电通量与A-1基准配比相比降低1～2个渗透等级，其中A-3配比的56 d电通量已经达到最低的Q-Ⅴ等级，抗氯离子渗透性很强。同时表明并不是水胶比越低、掺合料掺量越高，混凝土的渗透性越低、密实度越高。水胶比和掺合料比例存在最合理范围，且与养护龄期有关。

（2）B-1～B-4各组掺防腐剂配比的电通量与A-2相比，除B-1电通量高于A-2外，其它各组均有明显下降，B-4配比的电通量最低。

（3）C-1与A-1相比电通量差异不大，抗硫酸盐水泥对抗氯离子渗透性没有明显影响；D-2与A-2相比电通量差异不大，表明含气量对电通量没有明显影响；E-1与A-1相比电通量有明显下降，表明降低水胶比是提高混凝土密实性的有效措施，但与A-2相比，抗渗性提高不明显。

2.3 不同防腐措施下混凝土的氯离子扩散系数

（见图1）

图1 不同防腐措施下混凝土的氯离子扩散系数DRCM

由图1可见：

（1）A-2～A-4配比与基准相比，DRCM都有明显降低；A-3与A-2相比，28 d的DRCM差别不大，56 d的DRCM明显降低，大掺量矿物掺合料需要更长时间的养护。

（2）B-1～B-4与基准比较，DRCM均有明显降低，掺防腐剂的混凝土密实度更高，提高了抗氯离子渗透性能。

（3）C-1采用抗硫酸盐水泥，与采用普通硅酸盐水泥A-1相比，DRCM差异不大，说明抗硫酸盐水泥对抗氯离子的渗透性没有明显作用；C-2采用抗硫酸盐水泥掺加防腐剂，与未掺的A-2相比，DRCM有降低，抗氯离子渗透性更强；D-2提高了混凝土的含气量，与A-2相比对DRCM没有明显作用；E-1与A-1相比，DRCM有明显降低，但与A-2相比，抗氯离子渗透性能提高不明显。

2.4 不同防腐措施下混凝土的抗硫酸盐性能

不同防腐措施下混凝土的抗硫酸盐干湿循环耐蚀系数如图2所示。

图2 不同防腐措施下混凝土的抗硫酸盐耐蚀系数

根据JGJ/T 193—2009，将混凝土的抗硫酸盐等级划分为6个等级。由图2可知，A-1基准配比的抗硫酸盐等级只达到KS30；A-2、A-3、A-4配比的抗硫酸盐等级相比基准配比有明显提高，分别达到 KS90、KS120、KS120；B-1～B-4 的 4组掺加防腐剂配比的抗硫酸盐等级相比未掺防腐剂的A-2有显著提高，分别达到 KS120、KS150、＞KS150、KS120；C-1、C-2 配比的抗硫酸盐耐蚀性能非常好，已达到＞KS150，尤其是C-2配比在150次循环后强度无降低；D-2引气混凝土的抗硫酸盐等级比A-2未引气配比有明显提高，达到KS120；E-1配比的抗硫酸盐等级与A-1基准相比有提升，达到KS60。

2.5 防腐措施的适用环境条件

电力工程建（构）筑物作为一般工业工程结构，设计使用寿命为50～60年，相应采用混凝土耐久性设计可以采用年限为50（60）年的技术要求，对混凝土防腐措施进行性能评价和使用建议。

由于电力行业尚未出台相关混凝土结构耐久性设计规范，采用GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》的技术要求，并以铁路行业的TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》作为参考。根据2个混凝土结构耐久性设计规范中对环境作用等级的划分所对应的耐久性要求如表9所示。其中氯盐环境按GB/T50476—2008的要求，硫酸盐环境按TB 10005—2010的要求，根据作用机理分成化学腐蚀（H）和盐类结晶（Y）两类。

表9 不同环境作用的耐久性要求

根据不同环境作用的耐久性要求，对本次试验结果的耐久性适用环境等级进行划分，见表10。

表10 不同配比混凝土的适用环境

由此可知：（1）现场搅拌的普通混凝土强度满足设计要求，在腐蚀环境下耐久性较差，在中等强度及以上腐蚀环境不宜采用这种只满足强度要求的普通混凝土；（2）一般商品混凝土的耐久性比现场搅拌的普通混凝土已有明显提升，在微腐蚀或弱腐蚀环境下已经满足耐久性要求，可以有条件的选择使用；（3）高性能混凝土在满足强度设计前提下，耐久性指标提升。高性能混凝土的不同水胶比、矿物掺合料掺量、养护龄期最优性能选择范围有待进一步验证；（4）混凝土防腐剂对提高抗氯离子渗透和硫酸盐腐蚀都有一定的效果，可以作为辅助措施用于混凝土提高耐久性能；（5）引气混凝土对提高抗硫酸盐腐蚀性能有一定效果，并且使用简单、成本较低，在弱腐蚀环境可单独使用，在强腐蚀环境时可以作为辅助措施与其它措施共用；（6）抗硫酸盐水泥对抗硫酸盐腐蚀具有最好的效果。由于产量低、价格高的原因，通常只在少数特别严重的硫酸盐腐蚀环境中才会选用。但因其对抗氯离子渗透性无明显作用，存在氯离子和硫酸根共同作用的腐蚀因素环境下不建议单独使用；（7）提高混凝土强度等级的方式对耐久性提高程度有限，主要是提供更高的结构承载力方面采取的措施，在强腐蚀环境并不能起到很好的作用，在微腐蚀、弱腐蚀环境中可以考虑。

3 结论

（1）不同内防腐措施对提高混凝土耐久性的效果不同，应根据腐蚀环境的具体条件采用适宜的防腐措施。

（2）高性能混凝土对耐氯盐和硫酸盐腐蚀都有较好的效果，抗硫酸盐水泥对抗硫酸盐腐蚀具有较好的作用效果。

（3）不同的混凝土防腐剂（复合防腐阻锈剂）存在性能差异，满足技术要求的合格产品具体的混凝土防腐尚需试验验证。

（4）防腐剂与高性能混凝土配合使用效果有待进一步验证。