冻融-硫酸盐多因素耦合下新型抗冻耐酸耐盐混凝土材料研究

赵多明

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

我国北疆地区土中含有大量具有腐蚀性的硫酸根和氯离子，北疆地区冬季寒冷且漫长，高寒区冬季最低温度可达零下40℃，受昼夜温差等不良因素，混凝土建筑在冻融循环的和腐蚀性盐和酸的环境中，其强度和耐久性备受考验[1]。

对于在冻融条件下硫酸盐侵蚀混凝土，目前开展了大量的研究[2- 6]，李欣然等通过质量损失率、质量衰减规律、弹性模量和抗压强度几个方面研究了冻融条件下混凝土的特性，并研究发现水胶比达到0.35时，水工混凝土的耐久最优[7]。薛国斌等开展了混凝土碾压试验，研究了混凝土在冻融和Na2SO4溶液耦合下的损伤机理[8]。余雪峰等研究了混凝土在自然侵蚀、冻融干湿循环-硫酸盐侵蚀下的质量损失等一系列力学试验，研究发现抗压强度与侵蚀时间存在良好的线性关系[9]。李小山在混凝土中加入粉煤灰，以降低碳排放和节约能源的角度出发，研究了加入粉煤灰后混凝土在冻融和Na2SO4溶液耦合下的力学特性和宏观特性[10]。

渠道混凝土在运行期间受到各种复杂因素的影响，其中包括力学、物理、化学等多方面的因素，以上研究都只是从单方面研究了冻融-硫酸盐耦合下的混凝土的耐久性，而现实渠道运行中应该考虑抗盐腐蚀和抗硫酸腐蚀的多重环境影响，才能真正的反应混凝土的真实情况。

为此，本研究对不同配比的混凝土面板材料的抗酸和抗盐性能试验，同时针对混凝土面板连接的关键位置，混凝土接缝止水材料的盐冻性能进行了单面盐冻和快速盐冻试验研究，为我国西北低温盐碱环境混凝土渠道的正常运行提供了技术支持。

1 原材料及性能

1.1 水泥

采用天山水泥股份有限公司生产的P.I42.5硅酸盐水泥，其物理力学性能试验结果见表1。由检验结果可知，所检项目均符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中42.5的技术要求。

表1 水泥物理力学性能检验结果

1.2 粉煤灰

试验中使用的粉煤灰由乌鲁木齐四汇通锦建材科技有限公司生产。粉煤灰各项物理性能检测结果见表2。由检验结果可知，所检项目符合GB 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ级粉煤灰技术要求。

表2 粉煤灰技术性能检验结果

1.3 矿渣微粉

本次试验采用的是强联矿粉有限公司生产的矿粉，其各项物理、化学性能检测结果符合GB 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粉化高炉矿渣粉》中(S75)技术要求。

1.4 骨料

粗、细骨料均为乌鲁木齐河的砂石骨料，其各项技术性能检测结果符合SL 677—2014《水工混凝土施工规范》技术要求。

1.5 外加剂

采用五家渠格辉新材料有限责任公司生产的聚羧酸高性能减水剂和引气剂。

1.6 水

乌鲁木齐地下水水质较好，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中技术指标要求。

2 耐盐混凝土面板材料

2.1 不同配合比抗压强度

混凝土配合比优化设计主要包括配合比参数的确定、计算、试配和调整等步骤。配合比设计原则按SL 677—2014规定满足混凝土强度和耐久性的要求。本次试验混凝土配合比及其对应抗压强度见表3。

从表3可以看出，KT- 1配比下的混凝土90d抗压强度最大，具有较高的强度。KT- 2、KT- 3配比下的混凝土90d抗压强度也达到了40MPa以上。

表3 抗冻耐盐混凝土配合比及抗压强度

2.2 抗盐性能测试与结果分析

2.2.1抗硫酸性能

试验按GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“抗硫酸盐侵蚀试验”进行，侵蚀介质为浓度5%的Na2SO4溶液选取浓度为5%。具体试验步骤不再赘述。根据不同循环次数下混凝土试件的抗压强度变化来评判混凝土抗硫酸盐性能。不同配比下的混凝土抗硫酸盐性能见表4。

表4 不同配合比混凝土抗硫酸盐性能

试验结果表明，各组配合比抗压强度耐蚀系数均大于75%，均能达到KS120的抗硫酸盐等级；掺矿渣粉和激发剂组的耐腐蚀系数较大，不掺粉煤灰或者矿渣粉的配比耐蚀系数偏低。

2.2.2合抗盐腐蚀性能

表5 不同配合比混凝土抗盐腐蚀性能

对比表4和表5发现，90次冻融循环后，各种试件的抗硫酸性能高于抗盐性能。

KT- 4配比下的混凝土抗盐腐蚀性能最好，KT- 2、KT- 3、KT- 4配比下的混凝土120次循环后的抗压强度耐蚀系数也都在85%以上。

3 渠道面板接缝止水混凝土材料

3.1 单面盐冻性能测试与结果分析

根据混凝土抗压强度等相关综合因数分析，选定相同水胶比0.40、掺粉煤灰、矿渣微粉不同掺量进行单面冻融试验，选用不同的盐溶液侵蚀介质为2%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液和5%NaCl溶液来检测混凝土在不同环境中的质量损失、相对动弹性模量和吸水率，其单面冻融试验方案见表6。

表6 单面冻融试验方案

不同侵蚀溶液中进行单面盐冻试验，试件质量损失和动弹性模量损失结果统计如图1—3所示。28次单面冻融试验后试件表面剥蚀程度如图4所示。

从图1—3中可以看出，试验溶液为5%氯化钠溶液、2%硫酸钠溶液，经过单面冻融循环后，质量损失的规律是KT- 8

图1 试样在5%硫酸钠溶液冻融相质量损失和对动弹性模量

图2 试样在5%氯化钠溶液冻融相质量损失和对动弹性模量

图3 试样在2%硫酸钠溶液冻融质量损失相对动弹性模量

由试验结果可知，在试验液体为5%硫酸钠溶液，经过单面冻融循环后，质量损失的规律是KT- 7

图4 试样28次单面冻融循环后照片

上述试验数据显示，相同混凝土配合比在不同试验溶液环境中，混凝土在5%氯化钠溶液下的抗冻性最差，2%硫酸钠溶液下的抗冻性次之，5%硫酸钠溶液下的抗冻性最好；在试验溶液为5%硫酸钠溶液中，掺入20%粉煤灰经过112次冻融循环后，质量损失最小，说明在5%硫酸盐环境中，抑制对硫酸盐侵蚀效果最佳；在混凝土抗压强度、含气量、坍落度等基本相同的情况下，单掺矿渣微粉没有复掺(矿粉+粉煤灰)抵抗硫酸盐侵蚀好；粉煤灰对硫酸盐的抵抗侵蚀能力优于矿渣微粉；无论是硫酸盐侵蚀还是氯盐侵蚀，优先在混凝土中掺加粉煤灰，其次是粉煤灰+矿渣微粉。大掺量掺合料应使用在龄期较长的部位。

3.2 快速盐冻性能测试与结果分析

试验选用不同的试验液体，即蒸馏水、2%硫酸钠、5%硫酸钠的溶液，来测定动弹模量和质量损失率。根据混凝土抗压强度试验结果，混凝土快速冻融试验方案见表7。

表7 快速冻融试验方案

依据试验方案，到28d试验龄期后，按每50个循环进行质量损失和动弹性模量检测其试验结果如图5—7所示。

由图5—7可见，在冻融介质为水溶液和2%硫酸钠溶液300次冻融循环质量损失为KT- 8﹤KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6，但在相同水胶比的情况下，掺合料越多，其质量损失越大，水胶比越大，质量损失也越大；而在冻融介质为5%硫酸钠溶液中，300次冻融循环质量损失为KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6﹤KT- 8，掺入掺合料后，300次冻融循环质量损失比不掺小，特别是掺20%的粉煤灰质量损失是不掺粉煤灰的2.3倍；此外，单掺20%粉煤灰(KT- 7)，其无论是在水溶液中还是在5%硫酸钠溶液中经过300个冻融循环之后的质量损失相差不大；在掺合料掺量相同的情况下，水胶比越大，质量损失也越大；0.45水胶比，300次冻融循环后质量损失﹥5%，在掺合料掺量为60%的情况下，0.45水胶比是0.40水胶比质量损失的1.8倍；不掺矿物掺和料(KT- 8)的混凝土，在不同浓度的硫酸钠溶液下经过300个冻融循环之后，其混凝土的质量损失率随溶液浓度的增高而增大，5%硫酸钠溶液中质量损失率是在2%硫酸钠溶液下的2.6倍，是在水溶液中的8.7倍。

图5 水溶液冻融循环下质量损失和相对动弹性模量

图6 试样在2%硫酸钠溶液冻融循环下质量损失和相对动弹性模量

图7 试样在5%硫酸钠溶液冻融循环下质量损失和相对动弹性模量

由此可见，混凝土以硫酸钠溶液为冻融介质时掺加20%粉煤灰后质量损失最少。其原因是，掺加20%粉煤灰之后粉煤灰微小颗粒的填充效应进一步提高了混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗冻性能。大掺量混凝土出现2%硫酸盐下的冻融质量损失大于5%硫酸盐下的质量损失的原因:大掺量混凝土内部结构虽然经过了微集料的填充作用，但是其自身前期水化速度慢，生成的水化硅酸钙胶凝较少导致混凝土内部空隙填充不充分导致强度低，从而引起抵抗外界破坏的能力越弱。

4 结论

围绕高寒区供水渠道混凝土，开展冻融与盐侵蚀共同作用下的混凝土损伤劣化研究。主要结论如下：

(1)矿物掺量降低了混凝土强度和低浓度盐溶液中的抗冻融性能，但提高了其在高浓度盐溶液中的抗冻融和耐腐蚀性能。

(2)针对硫酸盐和氯盐的侵蚀，应优先在混凝土中掺加粉煤灰，其次是粉煤灰+矿渣微粉。大掺量掺合料应使用在龄期较长的部位。KT- 6配比下的混凝土较适合作为面板止水封的材料。研究可为咸寒区水利工程掺矿物混凝土材料的配比选择提供参考。