硫酸鹽腐蝕地質(zhì)環(huán)境中的樁基混凝土抗腐蝕試驗(yàn)研究與機(jī)理分析

牛斌濤 王山峰 姜 騫 石 亮 穆 松

1.中國建筑第二工程局有限公司 青島 266000；2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210008

0 引言

背景工程項(xiàng)目中地下水腐蝕層為服役環(huán)境最惡劣區(qū)域[1,2]。經(jīng)專家評(píng)審會(huì)論證，該地塊項(xiàng)目樁基應(yīng)采用耐腐蝕混凝土進(jìn)行制備。相關(guān)耐腐蝕混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45、樁身混凝土保護(hù)層厚度70 mm、樁身混凝土采用大摻量礦物摻合料制備、樁身混凝土摻入抗硫酸鹽的防腐劑和鋼筋阻銹劑、混凝土28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤6×10-12m2/s、抗硫酸鹽等級(jí)為KS120（混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)≥0.90）。

1 原材料、配合比及試驗(yàn)儀器

1.1 原材料

水泥：大宇P.Ⅰ52.5水泥；粉煤灰：普通Ⅱ級(jí)粉煤灰；礦粉：S95級(jí)礦渣粉；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)3.00的中砂；粗骨料：5～31.50 mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBT-PCA?(Ⅰ)聚羧酸高性能減水劑；阻銹劑：SBT?-ZX(Ⅱ)鋼筋混凝土阻銹劑；防腐劑：某市售普通防腐劑和SBT?-RMA(Ⅱ)混凝土高效防腐劑。

1.2 配合比

C45樁基耐腐蝕混凝土配合比詳見表1。

1.3 試驗(yàn)方法與儀器

表1 C45樁基耐腐蝕混凝土配合比

混凝土理化性能測試方法應(yīng)符合相關(guān)國標(biāo)要求，混凝土微觀形貌與元素組成試驗(yàn)使用FEI Quanta 250掃描電子顯微鏡，電壓15 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究防腐劑和膠材用量對(duì)樁基混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能的影響，試驗(yàn)中研究了不摻加防腐劑、分別摻加普通防腐劑和高效防腐劑（防腐劑按取代礦物摻合料內(nèi)摻），以及不同膠凝材料用量（435 kg/m3、450 kg/m3和465 kg/m3）對(duì)混凝土性能的影響。同時(shí)，為了研究防腐劑對(duì)樁基混凝土抗硫酸鹽性能的提升機(jī)理，對(duì)經(jīng)過KS120試驗(yàn)后的混凝土試樣進(jìn)行微觀形貌觀測和能譜測試分析。

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖1是防腐劑對(duì)樁基耐腐蝕混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，在相同膠凝材料用量和水膠比條件下，使用防腐劑后混凝土抗壓強(qiáng)度提高，并且使用高效防腐劑的混凝土抗壓強(qiáng)度高于使用普通防腐劑的混凝土，其28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相比可提高7.60 MPa。這是由于防腐劑的加入能夠優(yōu)化膠凝體系中的顆粒級(jí)配，使混凝土密實(shí)度進(jìn)一步提高，促進(jìn)抗壓強(qiáng)度增長；高效防腐劑中含有大量超細(xì)礦粉和硅灰，其晶核反應(yīng)能夠促進(jìn)C-S-H凝膠相生成，有效改善界面過渡區(qū)孔隙分布，養(yǎng)護(hù)28 d后混凝土抗壓強(qiáng)度能夠高出使用普通防腐劑混凝土的10%以上[3]。

圖2是膠凝材料用量變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，在相同水膠比時(shí)，混凝土的各齡期抗壓強(qiáng)度隨膠材用量的提高而提高，當(dāng)膠材用量從435 kg/m3分別升至450 kg/m3和465 kg/m3時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度分別增加了6.50 MPa和12.30 MPa，15 kg/m3膠材用量變化能夠引起混凝土變化1個(gè)強(qiáng)度等級(jí)以上，可見膠材用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響顯著。

圖1 防腐劑對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

圖2 膠凝材料用量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

2.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

圖3是防腐劑對(duì)樁基耐腐蝕混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，用普通防腐劑和高效防腐劑均能夠改善混凝土的抗氯離子滲透作用，與不摻加防腐劑的混凝土相比，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低幅度分別為9.46%和45.90%，高效防腐劑對(duì)混凝土耐久性能的改善更顯著。同時(shí)，不用防腐劑和用普通防腐劑的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均大于6×10-12m2/s，不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。與抗壓強(qiáng)度結(jié)果類似，普通和高效防腐劑對(duì)混凝土具有提升密實(shí)度的作用，能夠改善混凝土抗氯離子滲透能力，高效防腐劑的效果優(yōu)于普通防腐劑的效果。

在圖4中，樁基耐腐蝕混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨膠材用量升高而降低，膠材用量為450 kg/m3和465 kg/m3的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別比膠材用量為435 kg/m3時(shí)降低8.93%和30.36%。膠材用量為435 kg/m3和450 kg/m3的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為5.60×10-12m2/s和5.10×10-12m2/s，略小于設(shè)計(jì)指標(biāo)限值，如使用此配合比制備樁基耐腐蝕混凝土，其劣化概率較大。

圖3 防腐劑對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

圖4 膠凝材料用量對(duì)氯離子 擴(kuò)散系數(shù)影響

2.3 抗硫酸鹽腐蝕性能

圖5是防腐劑對(duì)樁基耐腐蝕混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響，使用防腐劑能夠明顯提高混凝土耐腐蝕系數(shù)，提高抗硫酸鹽腐蝕能力。使用普通防腐劑的混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)120次以后耐腐蝕系數(shù)為0.86，無法滿足設(shè)計(jì)要求。使用高效防腐劑后，混凝土在經(jīng)歷90次和120次硫酸鹽干濕循環(huán)后，耐腐蝕系數(shù)分別為0.98和0.97，混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

在圖6中，膠材用量為450 kg/m3的混凝土的耐腐蝕系數(shù)稍低于膠材用量為465 kg/m3的混凝土，90次和120次硫酸鹽干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)分別為0.95/0.93和0.98/0.97，能夠滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)膠材用量為435 kg/m3時(shí)，耐腐蝕系數(shù)降低至0.94/0.88，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 防腐劑對(duì)抗硫酸鹽腐蝕性能影響

圖6 水膠比對(duì)抗硫酸鹽 腐蝕性能影響

2.4 SEM-EDX測試

分別觀察不使用防腐劑、使用普通防腐劑和使用高效防腐劑的混凝土在經(jīng)過120次硫酸鹽干濕循環(huán)后放大10 000倍的腐蝕產(chǎn)物形貌，同時(shí)結(jié)合對(duì)圖7（a）和7（b）中腐蝕產(chǎn)物的能譜掃描結(jié)果（表2），可以確定腐蝕產(chǎn)物即為鈣礬石（AFt）。圖7（a）中未使用防腐劑混凝土的腐蝕產(chǎn)物晶粒粗大，長度在10 μm以上，且互相搭接成簇；圖7（b）為使用普通防腐劑的混凝土形貌，腐蝕產(chǎn)物已開始大量生成，同時(shí)有互相搭接的趨勢，但整體晶粒偏小；圖7（c）為使用高效防腐劑的混凝土形貌，在相同放大倍率下微觀結(jié)構(gòu)仍較致密，僅有極細(xì)小的針棒狀產(chǎn)物生成。

圖7 防腐劑對(duì)腐蝕產(chǎn)物形貌的影響

SEM-EDX測試結(jié)果從微觀角度再次證明，使用防腐劑能夠有效提升混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力，但高效防腐劑效果明顯優(yōu)于普通防腐劑效果。這是因?yàn)槠胀ǚ栏瘎┩鶅H含有一些品質(zhì)較好的礦物摻合料，僅能有限地提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能；而高效防腐劑中除含有優(yōu)質(zhì)的超細(xì)礦渣和硅灰組分外，還含有膨脹組分，通過在混凝土水化早期引入細(xì)小、尺寸可控的AFt晶體填充孔隙，既能夠在早期利用其微膨脹性能提高混凝土密實(shí)度，又能夠抑制SO42-與Al相反應(yīng)生成尺寸較大、導(dǎo)致混凝土被破壞的膨脹產(chǎn)物[4]。

表2 腐蝕產(chǎn)物能譜掃描結(jié)果

3 結(jié)語

1）普通防腐劑和高效防腐劑均能夠提升混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，但普通防腐劑改善效果有限；使用高效防腐劑后，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)可分別改善12.80%和45.90%。

2）高效防腐劑中的超細(xì)活性礦物摻合料和膨脹組分能夠在水化早期發(fā)生晶核反應(yīng)，在混凝土水化早期引入細(xì)小、尺寸可控的AFt晶體填充孔隙，可促進(jìn)混凝土的密實(shí)，抑制后期硫酸鹽與Al反應(yīng)生成具有破壞性的膨脹產(chǎn)物，大幅提升混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能；而普通防腐劑僅能起到有限的提升密實(shí)度的作用，無法有效地抑制被硫酸鹽腐蝕破壞。

3）采用高效防腐劑，適當(dāng)增加混凝土膠材用量，是提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕破壞能力的有效措施。