新疆地区地下建筑混凝土抗侵蚀技术研究

杨武 ，石亮 ， 蔡景顺 ，曾伟

(1.新疆建筑科学硏究院，新疆 乌鲁木齐830054;2.江苏苏博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京211100)

0 引言

新疆地区地下水中硫酸盐和氯盐含量较高，盐侵蚀破坏是造成新疆地区地下建筑混凝土结构耐久性劣化的重要诱因。研究表明，低水胶比和大掺量矿物掺合料混凝土在长期标准养护条件下具有良好的抗盐侵蚀破坏能力[1-2]。但由于混凝土单方用水量低，导致结构收缩开裂风险增大。此外，水泥用量少，导致混凝土易碳化且早期抗侵蚀介质渗透能力弱。随着混凝土技术的发展，功能型外加剂在新疆地区混凝土工程中的应用逐渐增多，在不过度依赖低水胶比和大掺量矿物掺合料技术的同时，可保障混凝土结构的耐久性能。

采用新疆地区原材料，根据工程实际环境特点，通过对比试验，研究功能型外加剂对混凝土力学性能、吸水率、抗离子扩散性能、抗硫酸盐腐蚀性能以及钢筋锈蚀行为的影响，提出适用于新疆地区地下建筑混凝土侵蚀抑制技术，为混凝土结构耐久性保障提供借鉴。

1 实验

1.1 原材料与配合比

选用新疆雁池新型建材有限公司P·O 42.5水泥，新疆玛纳斯电厂Ⅱ级粉煤灰，各胶凝组分的化学成分如表1所示。粗骨料为5～20 mm连续级配石灰岩碎石，堆积密度1 327 kg/m3，细骨料为河砂，细度模数2.6。

表1 胶凝材料化学组成(wt%)

减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA@-I聚羧酸减水剂，功能型外加剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的硬脂酸胺类SBT@-TIA（I）和脂肪酸醇胺类 SBT@-TIA（II）混凝土抗侵蚀抑制剂。试验混凝土配合比如表2所示。

1.2 实验与评价方法

（1）混凝土力学性能

混凝土力学性能测试参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB 50081进行。

（2）混凝土吸水率

混凝土吸水率试件采用上口内径为175 mm、下口内径为185 mm和高度为150 mm的圆台体试模成型，每组3块。试件成型1 d后拆模，标准养护3 d后取出，钻取直径为（75±3）mm的混凝土芯样，切除上下表面后制备高度为 （75±3）mm的圆柱体芯样。将试件置于（105±5） ℃烘箱干燥（72±2） h，且每个试件距离其他试件或加热面距离不小于25 mm。试件取出在（25±3） ℃环境的干燥器中冷却（24±0.5） h，称重并记录W1，以圆柱底面与水面垂直的方式将试件置于（25±3）℃的水中浸泡，试件间隔不得小于 10 mm，试件最高点距离水面（25±5） mm，（30±0.5）min后将试件取出并用抹布擦去表面的水，称重并记录W2。称量采用感量为0.05 g，最大称量范围不超过5 000 g的天平。

混凝土试件的吸水率按照下式计算：

式中：f—混凝土试件的吸水率/%（精确至0.1%）；W2—混凝土试件浸泡后质量/g（精确至 0.1g）；W1—混凝土试件浸泡前质量/g（精确至0.1g）。

（3）混凝土抗离子扩散系数和抗硫酸盐侵蚀系数

混凝土抗离子扩散系数和抗硫酸盐侵蚀系数测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB 50082进行。

表2 混凝土配合比

（4）钢筋锈蚀行为

钢筋锈蚀行为测试参照《Standard Test Method for Determining Effects of Chemical Admixtures on Corrosion of Embedded Steel Reinforcement in Concrete Exposed to Chloride Environments》ASTM G109-07进行。

2 实验结果与分析

2.1 混凝土力学性能

抗侵蚀抑制剂对混凝土力学性能影响如图1所示。硬脂酸胺类混凝土抗侵蚀抑制剂对混凝土早期强度的发展有促进作用，混凝土3 d抗压强度提升11%，但后期混凝土强度增长较慢。脂肪酸醇胺类混凝土抗侵蚀抑制剂的掺入，混凝土早期强度略有降低，3 d强度下降约20%，但随着龄期的增长，混凝土强度发展与基准相当。硬脂酸胺类和脂肪酸胺类物质在混凝土拌合物碱性环境下反应机制不同，离子释放速率存在差异，导致混凝土强度发展规律不同。

图1 抗侵蚀抑制剂对混凝土力学性能的影响

2.2 混凝土吸水率

图2为三组混凝土7 d龄期吸水率。通过85组重复性实验数据统计发现，混凝土抗侵蚀抑制剂的加入可以大幅降低混凝土的吸水率，基准混凝土7 d龄期平均吸水率为1.99%，掺入硬脂酸胺类混凝土抗侵蚀抑制剂后，混凝土吸水率降低至0.99%，降幅为50%；掺入脂肪酸醇胺类混凝土抗侵蚀抑制剂后，混凝土吸水率降低至0.66%，降幅达67%。混凝土抗侵蚀抑制剂与混凝土中的钙离子反应，生成纳米尺度不溶于水的颗粒，附着于硬化混凝土的毛细孔壁上，改变了混凝土毛细孔的表面能，优化了孔隙的表面微结构，达到了疏水效果。混凝土吸水率在一定程度上决定了混凝土结构在干湿循环条件下的饱和度发展，基于非饱和状态离子扩散理论分析，吸水率更低的混凝土，在含有有害离子的水位变化环境中服役，有害离子需要更长时间才能迁移到混凝土内部钢筋表面，因此混凝土结构的耐久性更优[3-4]。实际工程应根据环境中有害离子含量、混凝土结构服役结构部位和设计服役年限选择合适的混凝土抗侵蚀抑制技术。

图2 抗侵蚀抑制剂对混凝土7 d龄期吸水率的影响

2.3 混凝土氯离子扩散系数

抗侵蚀抑制剂对混凝土氯离子扩散系数影响如表3所示。混凝土抗侵蚀抑制剂的加入，在一定程度上降低了混凝土的氯离子扩散系数。硬脂酸胺类混凝土抗侵蚀抑制剂降低混凝土氯离子扩散系数的能力稍弱，28 d混凝土氯离子扩散系数仅降低14%，这与硬脂酸胺类物质与水泥反应生成物质的结构有关。脂肪酸醇胺类混凝土抗侵蚀抑制剂掺入到混凝土中后，混凝土氯离子扩散系数降低23%，达到了掺入矿粉等矿物掺合料的水平。由于脂肪酸醇胺类物质与混凝土中的钙离子反应生成的颗粒尺寸与有害毛细孔相当，因此在外界水压作用下，混凝土的毛细孔会发生闭合，孔隙率降低或孔曲折度增大，因此氯离子扩散行为受阻，扩散系数降低。对于饱和程度较高，或者对离子扩散要求较高的工程结构部位，应采用脂肪酸醇胺类混凝土抗侵蚀抑制剂提升混凝土耐久性能。

表3 抗侵蚀抑制剂对混凝土28 d龄期混凝土氯离子扩散系数的影响

2.4 混凝土抗硫酸盐侵蚀系数

抗侵蚀抑制剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀系数影响如图3所示。由图3可以看出，混凝土抗侵蚀抑制剂掺入后，混凝土抗硫酸盐循环腐蚀的性能大幅改善，混凝土抗压耐蚀系数均高于0.9，即混凝土强度损失均小于10%。硫酸盐干湿循环腐蚀过程中混凝土劣化主要诱因是毛细管吸附作用，干燥混凝土在浸水条件下，毛细管大量吸附含有硫酸盐的溶液，干燥过程中，水分散失，硫酸盐存留于毛细管中，循环往复，混凝土中会形成大量的硫酸盐结晶，导致混凝土膨胀开裂破坏[5]。混凝土抗侵蚀抑制剂的加入，降低了混凝土的吸水率即降低了毛细管吸附作用的驱动力，因此混凝土的抗硫酸盐结晶膨胀腐蚀破坏能力得到提升。对于半埋或半浸泡的混凝土结构，混凝土抗侵蚀抑制剂可以有效缓解盐结晶破坏的现象，延长工程的服役寿命。

图3 抗侵蚀抑制剂对混凝土120次硫酸盐干湿循环侵蚀后抗压耐蚀系数的影响

2.5 钢筋锈蚀行为

钢筋腐蚀电量累积反应钢筋受侵蚀性介质腐蚀后钢筋腐蚀的状态，腐蚀累积电量越高，钢筋腐蚀的程度越大。混凝土抗侵蚀抑制对钢筋腐蚀电量的影响如图4所示。试验结果表明，脂肪酸醇胺类混凝土抗侵蚀抑制剂能够显著的降低钢筋腐蚀电量，即使是在模拟加速腐蚀情况下，腐蚀电量与基准相比仍可降低90%。硬脂酸胺类混凝土抗侵蚀抑制剂仅能降低腐蚀电量50%左右。混凝土抗侵蚀抑制剂与传统的防水剂或防腐剂相比，可在提升混凝土抗渗防腐性能外，保护内部钢筋，起到钢筋混凝土结构整体保护的功效。

图4 抗侵蚀抑制剂对钢筋腐蚀电量的影响

3 结语

（1）针对新疆地区地下建筑混凝土结构普遍存在的盐侵蚀破坏问题，混凝土抗侵蚀抑制剂是除了低水胶比和大掺量矿物掺合料外的抗侵蚀混凝土制备有效技术手段。

（2）混凝土抗侵蚀抑制剂可在不影响混凝土力学性能发展的基础上，大幅降低混凝土毛细管吸水率，抑制侵蚀性离子在混凝土内部的扩散，有效避免硫酸盐干湿循环后的盐结晶破坏现象，提升混凝土内部结构钢筋的耐蚀能力。

（3）实际工程应根据混凝土结构服役环境中的有害离子含量、结构浸泡或埋置情况以及工程设计使用年限，选择合适的混凝土抗侵蚀抑制技术，保障工程的服役寿命。