抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比设计研究

胡 宗 容， 金 钰

(中国水利水电第五工程局有限公司 中心试验室，四川 成都 610066)

1 概 述

新疆伊犁河拦河引水及北岸干渠工程位于伊宁县与察布查尔县交界的伊犁河干流段，由伊犁河拦河引水枢纽、北岸干渠(长128.189 km)、察渠总干渠(长9.11 km)及灌区分干渠组成，为I等大(1)型工程，干渠、沿线分水闸、节制退水闸、输水涵洞、输水渡槽、隧洞、排洪建筑物、灌区交叉建筑物为3级建筑物。工程地处东经80°26'～81°43'、北纬43°39'～44°06'。建筑物包括：渠道面板、输水渠涵、农渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(纳洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、纵横排水、集水井、灌区连接渠、连接道路及交通桥等，所有建筑物基础均浸泡在地下水中。新疆伊犁河拦河引水及北岸干渠工程所在地区地下水丰富，地下水位距地表浅，根据地下水样勘察，渠道地下水中的SO42-浓度为161～10 971 mg/L。

相关研究表明：具有一定硫酸盐的环境水在混凝土毛细管的作用下被吸入混凝土体中，而暴露在大气中的混凝土由于毛细管作用将传递水分蒸发[1]。溶解在水中的矿物质经浓缩而析出残留在混凝土的表面和内部，呈现出白迹、白霜，使混凝土遭受硫酸盐结晶的膨胀压力，促使混凝土从表层开始破坏，其破坏首先发生在水位变化区、干湿交替地带以及单侧受水头压力的混凝土薄壁结构。在返潮段遭受到侵蚀，地面上某些地段出现霜状盐的结晶，有的地区呈现豆腐渣状，导致建筑物混凝土强度降低，最后完全破坏(图1)。

新疆北疆地区的地下水普遍具有侵蚀性，根据水质化验报告，该地区绝大部分地段地下水、地表水均具有弱硫酸型酸性侵蚀和中等溶出型侵蚀(含碳酸盐侵蚀)，对混凝土侵蚀较严重。

2 混凝土配合比设计采用的原材料

拌制抗硫酸盐混凝土一般采用抗硫酸盐水泥或高掺优质粉煤灰，均可获得较好的效果。该工程考虑工程成本和当地原材料，决定采用高掺粉煤灰或矿粉设计配合比。

(a)地下水渗流对混凝土的侵蚀 (b)对混凝土表面侵蚀图1 混凝土被含硫酸盐水侵蚀后的情况

2.1 水 泥

采用青松南岗建材有限公司生产的P·O42.5级水泥；水泥熟料中化学成分及熟料中矿物成分、物理力学性能成果见表1、2。

2.2 粉煤灰

粉煤灰采用新疆玛纳斯发电有限责任公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其性能见表3。

2.3 矿 粉

矿粉采用伊犁兴钢环保建材有限公司生产的S75级粒化高炉矿渣粉，其性能见表4。

2.4 砂石料

砂石料采用阿热吾斯塘乡筛分料场产品，其质量见表5。

2.5 外加剂

外加剂采用五家渠格辉化工有限责任公司生产的FND减水剂和GH-AE型引气剂，其性能见表6。

表1 水泥熟料中化学成分及熟料中矿物成分表

表2 水泥物理力学性能成果表

表3 粉煤灰性能成果表

表4 粒化高炉矿渣粉性能成果表

表5 砂石料质量成果表

表6 外加剂性能成果表

2.6 混凝土拌和用水

混凝土拌和用水为伊犁地区生活饮用水。

3 配合比设计前的砂浆试件试验

胶砂试件：每个侵蚀时间养护到龄期，对试件进行抗折强度测定并计算抗蚀系数[3]，以抗蚀系数≥0.8为抗侵蚀合格并作为判定标准[4]。

胶砂试件在淡水与SO42-溶液中浸泡(SO42-浓度分别为2 500 mg/L、5 000 mg/L、10 000 mg/L、20 000 mg/L的侵蚀溶液中，分别进行为期1个月、2个月、3个月、4个月、6个月、8个月、10个月、12个月时间的侵蚀模拟试验)。胶砂试件配合比制备情况见表7。

砂浆试件在淡水、侵蚀溶液中不同时间的抗折强度与抗蚀系数见表8。

表7 胶砂侵蚀试验试件配合比组成表

表8的试验结果显示：胶砂中掺矿渣微粉或粉煤灰50%或各25%时，含SO42-20 000 mg/L的溶液侵蚀12个月时的抗蚀系数≥0.8。

4 配合比设计

4.1 试配强度

抗侵蚀性能混凝土的试配强度按下式确定：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

式中fcu,o为混凝土试配强度(MPa)；fcu,k为混凝土强度标准值(MPa)；σ为混凝土强度标准差，当无统计数据时，混凝土可取4.5 MPa[5]。

根据混凝土配合比配制要求确定的抗侵蚀性能混凝土配合比见表9，对抗侵蚀混凝土抗侵蚀性能再次进行对比试验，其配合比见表10。

4.2 混凝土抗压强度耐蚀系数检测

混凝土抗压强度耐蚀系数见表11。

表11中的试验结果显示：混凝土中掺矿渣微粉或粉煤灰量为50%时，KS150抗压强度耐蚀系数值为最高，混凝土中高掺矿渣微粉或粉煤灰可以改善混凝土抗SO42-侵蚀性能。同时，采用低水胶比能更好地改善混凝土抗侵蚀性，其原因在于低水胶比在减少水泥石孔隙的同时，又使超细矿粉在水泥浆中的颗粒填充作用更完善和更充分，极大地增加了混凝土的密实性，防止携带侵蚀介质的环境水入侵水泥石，从而有效提高了其抗侵蚀性。

4.3 配合比确定

根据试验结果以及当地原材料情况，最终选定的抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比见表12。

5 应用情况及取得的效果

将采用该配合比的混凝土用于工程渠道面板、输水渠涵、农渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(纳洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、纵横排水、集水井、灌区连接渠、连接道路及交通桥地下建筑物施工，一年后，面板混凝土表面未见被侵蚀破坏痕迹，施工后的效果见图2。

图2 采用高抗侵蚀配合比生产的混凝土

表8 胶砂抗蚀系数表

备注：表中各栏中“/”左上方为抗折强度，单位“MPa”；右下方为抗蚀系数，栏中无数字表明抗蚀系数<0.8，抗侵蚀不合格。

表9 配制确定抗侵蚀性能混凝土的配合比表

表10 混凝土侵蚀试验试件配比组成表

表11 混凝土抗压强度耐蚀系数表

表12 最终确定的抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比表 /kg

6 结 语

新疆北疆地区地下水中普遍含有较高的硫酸根离子，若使用抗硫酸盐水泥则拌制混凝土成本较高，故一般采用高掺粉煤灰以改善混凝土的抗侵蚀性能。该工程因运距较远，成本亦比较高。使用当地矿碴粉兼有改善抗侵蚀性能成本较低且混凝土早期强度有保障等优点，取得了较好的工程效果。