抗硫酸盐侵蚀桩基混凝土制备及耐蚀性能研究

苏开春 张杰 许圣祥 周孝军 薛吉虬

摘要：为了满足南充嘉陵江大桥C45水下桩基础混凝土高流动性施工要求，并考虑工程所处高硫酸盐侵蚀服役环境，文章探讨了消泡剂、流变密实剂和抗硫酸盐侵蚀抑制剂等复掺对混凝土性能的影响，同时通过硫酸盐干湿循环侵蚀试验，对桩基混凝土的耐蚀性进行了研究。结果表明：消泡剂的掺入有利于混凝土工作性能与力学性能的提升；流变密实剂可增加混凝土的稠度与粘聚性，但一定程度上会降低混凝土和易性与力学性能；抗侵蚀抑制剂的加入，与消泡剂、流变密实剂适配性较高，混凝土坍落度均在250 mm以上，扩展度在600 mm以上，所制得的混凝土耐蚀系数达到KS150，满足实际工程桩基施工与耐蚀性需要。

关键词：桩基混凝土；抗硫酸盐侵蚀；配合比设计；干湿循环；抗侵蚀抑制剂

中图分类号：U416.03   文献标识码：A

文章编号：1673-4974（2024）04-0022-04

0 引言

硫酸盐侵蚀破坏是影响混凝土材料损伤破坏与耐久性的重要因素之一，且损伤后难以修复［1-4］。嘉陵江大桥A4标段桩基础处于硫酸盐环境，地下水循环交替强烈，水内SO2-4含量高达1 691.36 mg/L。服役环境中的SO2-4进入桩基混凝土内部，与混凝土中的水化产物氢氧化钙、水化铝酸钙发生化学反应生成石膏和钙钒石等难溶的盐类矿物，难溶的盐类矿物吸收水分子而产生体积膨胀，形成膨胀内应力和龟裂。硫酸盐侵蚀不仅破坏混凝土微结构，而且会使混凝土酸性增强，溶解混凝土中的钙化合物和金属补偿材料，降低混凝土的强度和耐久性，影响桩基承载能力，增加结构的变形和破坏风险［5-8］。因此有必要对硫酸盐环境中的桩基混凝土进行抗硫酸盐侵蚀设计。

抗硫酸盐侵蚀混凝土设计应保证混凝土的密实度与早期强度，能够减缓硫酸根离子迁移，避免其侵蚀混凝土内部微结构［9-10］。考虑嘉陵江大桥桩基混凝土采用导管法水下施工，质量要求高，为实现高流态且具有抗硫酸盐侵蚀能力的混凝土制备，本文选择消泡剂［11-12］、流变密实剂以及抗侵蚀抑制剂混掺对混凝土性能进行调整，以改善混凝土流变性与早期强度［13-14］，并结合抗硫酸盐侵蚀耐久性试验研究混凝土耐蚀性能［15-16］，为嘉陵江大桥桩基混凝土浇筑施工与耐蚀性能的提升提供技术支撑。

1 原材料与配合比设计

1.1 原材料

试验所采用的水泥为海螺牌P瘙簚O42.5水泥，水泥的技术指标详见表1。粉煤灰采用江油Ⅱ级粉煤灰，细度22.5%（45 [WTBZ]μm方孔筛筛余），需水量比100%，烧失量6.8%，技术指标详见表2。硅灰采用成都东蓝星新材料有限公司EBS-94微硅粉，SiO2含量95.2%，需水量比107%，烧失量2.4%，技术指标详见表3。细集料采用机制砂，表观密度2 605 kg/m3，堆积密度1 640 kg/m3，空隙率39.6%，细度模数2.7，石粉含量8.6%，MB值1.0。粗集料采用卵碎石，按大、小石子比例6∶4选用，压碎指标8.6%、针片状含量7.7%，表观密度2 645 kg/m3，堆积密度1 550 kg/m3，空隙率41.6%。减水剂采用山西诚鑫聚生产的减水剂CXJ-AH，其减水率为26.3%。抗侵蚀抑制剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBT-TIA抗侵蚀抑制剂，技术指标见表4。

1.2 试验方案

试验旨在探究消泡剂、流变密实剂与抗侵蚀抑制剂复掺，对新拌混凝土工作性能、力学性能的影响。工作性能测定包括坍落度、扩展度；力学性能主要测试7 d抗压强度、28 d抗压强度。通过试验选出适宜配合比再进行耐蚀性能研究。

试验采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试件。试件成型后自然养护24 h后拆模，将试件移入养护箱标准养护。坍落度、扩展度、倒坍时间及7 d、28 d抗压强度测试方法均按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016）执行测定。

耐蚀性能测试选用干湿循环试验装置进行，采用5% Na2SO4溶液浸泡，分别在干湿循环侵蚀90次、120次、150次时进行耐蚀系数测定。试验方法均按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）执行。

1.3 配合比设计

试验共设计8组配合比，详见表5。XA、XB组分别设计消泡剂掺量为0.15%、0.20%。L25、L50组分别设计流变密实剂复合掺量为25 g/t、50 g/t。JC1、JC2、JC3分别对应三种不同胶材体系，水泥用量分别为340 kg/m3、330 kg/m3、350 kg/m3。S1组改变用水量，调节水胶比至0.36。

2 试验结果与分析

2.1 掺入消泡剂的影响

消泡剂掺量变化对混凝土工作与力学性能的影响规律如图1所示。随消泡剂掺量的增加，混凝土工作性能与力学性能均有所提升。消泡剂掺量从0.15%增加至0.20%，混凝土坍落度与扩展度均有所提升，有利于桩基础的灌注；混凝土7 d、28 d抗压强度分别增长6.5 MPa、4.7 MPa，且7 d抗压强度均达到28 d的80%左右。这是由于消泡剂能减少新拌混凝土中的气泡，大气泡的减少有利于增加混凝土密实性，使混凝土的强度得到了提升。气泡的减少还会降低混凝土硬化后的孔隙，孔隙是有害离子传输的通道，孔隙的减少也会提升混凝土抗侵蚀能力，从而提升混凝土耐久性。因此，消泡剂掺量宜为0.20%。

2.2 掺入流变密实剂的影响

随流变密实剂掺量的增加，混凝土和易性有所降低，掺量为50 g/t时下降幅度过大，不利于水下桩基混凝土浇筑。消泡剂与流变剂的复掺增加了混凝土的稠度与粘聚性，提升了混凝土包裹性、润滑性，但流动性有所损失。此外，由于混凝土拌和物稠度增加，影响消泡、排气效果，混凝土容重有所降低，且随流变密实剂掺量增加，混凝土强度也有一定程度下降（如图2所示）。工程应用应考虑流变密实剂与消泡剂的匹配，掺0.20%消泡剂时，流变密实剂的掺量宜为25 g/t。

2.3 掺入抗侵蚀抑制剂影响

复掺抗侵蚀抑制剂对混凝土性能影响如图3所示。抑制剂的掺加对混凝土和易性有少许影响，但混凝土流动性、包裹性与粘聚性仍然较好，坍落度在250 mm以上，扩展度在600 mm以上；混凝土早期抗压强度较不掺时均有增长。如图4所示，消泡剂+流变密实剂+抗侵蚀抑制剂复掺时，不同胶材体系的混凝土工作性能变化不大，力学性能主要与水泥用量相关，掺合料基本不变时，水泥用量越多，早期强度越高。可见，抑制剂的掺加对工作性能与力学性能没有明显影响。

2.4 水胶比的影响

各组混凝土均有较好均质性，浆体饱满，流动性好。混凝土性能变化规律如图5所示，用水量每增加7 kg/m3后，混凝土坍落度与扩展度明显增加，而7 d抗压强度基本不变，28 d抗压强度仅少许下降。掺加高品质粉煤灰与硅灰后，混凝土对用水量敏感度下降，一定程度上可增加混凝土性能稳定性，减少因砂石材料含水率波动对混凝土性能的影响。

3 混凝土耐蚀性能

嘉陵江大桥A4标段桩基础所处环境中SO2-4高达1 691.36 mg/L，且地下水循环交替强烈，对桩基混凝土的抗侵蚀性能要求高。按照表6配合比制备试件，进行硫酸盐干湿循环侵蚀试验研究，其中组别A为前述研究推荐配合比（与表5中JC1组一致）；在A组配合比基础上，组别B将普通硅酸盐水泥替代为抗硫水泥，而组别C则不掺加抑制剂。各组试件在经历不同次数干湿循环侵蚀后，混凝土抗压强度耐蚀系数见下页表7。

结果表明，抗侵蚀抑制剂能明显提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能，在经过150次干湿循环后抗压强度耐蚀系数仍有90%，且抗侵蚀效果比采用抗硫水泥更佳。若不掺入抗侵蚀抑制剂，随干湿循环次数增加，耐蚀系数下降幅度最明显，不利于混凝土在硫酸盐环境下的长期抗侵蚀耐久性。如下页图6所示。

4 工程应用

根据上述试验结果，嘉陵江大桥A4标段桩基础混凝土采用表6中A组推荐配合比。按照0.2%消泡剂+25 g/t流变密实剂+20 kg/m3抗侵蚀抑制剂复掺，并与优质活性掺合料相结合的技术方案，制备出了高抗硫酸盐侵蚀混凝土，其到场后的工作性能以及现场养护各龄期的力学性能测试结果见表8。混凝土浇筑过程顺利，14 d后经检测桩基混凝土质量为合格，且均为Ⅰ类桩基。现场取样混凝土试件经历150次干湿循环侵蚀后，满足KS150等级要求，且抗压强度耐蚀系数为89%，具有较好的长期抗侵蚀性能。

5 结语

本文通过系列试验研究了消泡剂、流变密实剂和抗硫酸盐侵蚀抑制剂对混凝土工作性能、力学性能的影响，同时对制备的桩基混凝土耐蚀性能进行了测试分析，结论如下：

（1）消泡剂+流变密实剂+抗侵蚀抑制剂复掺，与活性掺合料结合后对混凝土和易性影响较少，三者适配度较高。采用该方案制备的桩基混凝土对用水量敏感性低，施工性能与力学性能好。

（2）掺加高活性掺合料后，采用普通硅酸盐水泥与采用抗硫水泥制备的混凝土试件抗硫酸盐侵蚀等级均能达到KS150，且耐蚀系数没有明显差异；而掺入抗侵蚀抑制剂后，桩基混凝土耐蚀性能有较大提升。掺入高活性掺合料与抗硫酸盐侵蚀抑制剂，能满足桩基混凝土长期耐蚀性能要求。

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基金项目：国家自然科学基金“高海拔地区泵送钢管混凝土气泡形成与迁移机制及其对灌注密实度的影响机理”（编号：52008340）；国家自然科学基金联合基金“桥梁动力效应下超高性能混凝土材料微结构调控与性能优化机理”（编号：U21A20149）

作者简介：苏开春（1976—），硕士，政工师，主要从事高速公路建设管理与新材料推广应用工作。