抗硫酸鹽混凝土的配制及應用

周金金，李海增，杜雪剛

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北石家莊 051430）

抗硫酸鹽混凝土的配制及應用

周金金，李海增，杜雪剛

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北石家莊 051430）

本文通過對抗硫酸鹽混凝土性能的分析，通過配比試驗，指導了抗硫酸鹽混凝土在實際生產(chǎn)中的應用，對未來的抗硫酸鹽腐蝕混凝土的發(fā)展提供了成功的案例。

抗硫酸鹽混凝土；防腐劑；硫酸鹽侵蝕

0 前言

硫酸鹽侵蝕是影響混凝土的耐久性的重要因素之一。我國東部大面積的沿海地區(qū)鹽漬土、海洋、內(nèi)陸鹽湖、工業(yè)廢水等中含有大量的硫酸鹽。處于這些環(huán)境中的混凝土工程的耐久性都飽受著硫酸鹽侵蝕的嚴重考驗。例如劉家峽水電站、八盤峽水壩及一些海港、橋梁基礎(chǔ)等工程均發(fā)生了嚴重的硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象。硫酸鹽侵蝕會導致混凝土性能不穩(wěn)定，內(nèi)部膨脹變形、開裂、剝離，并引起混凝土強度、剛度、體積等各類性能降低，顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，本文通過采用不同的原材料配制出抗硫酸鹽混凝土，組成組分等來檢驗硫酸鹽侵蝕。

1 硫酸鹽侵蝕原理

硫酸鹽侵蝕主要是在混凝土硬化后由水泥中的Ca(OH)2和周圍環(huán)境中的硫酸鹽之間的反應生成硫酸鈣（CaSO4），硫酸鈣再和水泥水化產(chǎn)物鋁酸鈣（CaO·Al2O3·12H2O）反應生成硫鋁酸鈣（鈣礬石AFt）引起體積膨脹[1]。

鈣礬石的溶解度極小，結(jié)合大量的結(jié)晶水，體積極速膨脹，在固體材料內(nèi)的封閉環(huán)境中，鈣礬石晶體生長可產(chǎn)生高達240MPa 的壓力，足以引起周圍材料的破壞。

根據(jù)硫酸鹽來源的不同可以分為外部硫酸鹽侵蝕和內(nèi)部硫酸鹽侵蝕兩種?；炷林泻懈涣蛩猁}成分的材料引起的膨脹、開裂破壞稱為內(nèi)部硫酸鹽侵蝕；混凝土暴露在硫酸鹽環(huán)境中（如含硫酸鹽的污水、海水、地下水或者土壤等）產(chǎn)生的侵蝕叫做外部硫酸鹽侵蝕[2]。

2 技術(shù)思路

（1）普通硅酸鹽水泥+防腐劑：摻加混凝土防腐劑，在混凝土中摻加可提高混凝土抗腐蝕能力的外加劑?；炷练栏瘎┮话憔哂刑岣呋炷量?jié)B性能、早期強度以及抗凍融能力，同時其內(nèi)部還含有防止鋼筋銹蝕的阻銹成分。

（2）抗硫酸鹽水泥：水泥中熟料成分主要有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣等礦物成分，硅酸鈣水化后，會產(chǎn)生氫氧化鈣，水泥中主要是氫氧化鈣和鋁酸三鈣導致水泥的腐蝕性。普通硅酸鹽水泥中鋁酸三鈣含量大于 8%，硅酸三鈣含量超過55%，抗硫酸鹽水泥中主要是限制鋁酸三鈣與硅酸三鈣的含量，鋁酸三鈣含量小于5%，硅酸三鈣含量小于55%[3]。普通硅酸鹽水泥熟料與抗硫酸鹽水泥熟料的成分對比見表1。

表1 P·O42.5水泥熟料組成組分含量

（3）提高混凝土的密實度[4]，摻加礦渣粉、粉煤灰等摻合料[5]。摻入這些活性摻合料后降低了水泥熟料中的 C3A 和 C3S 的含量，還能與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應，其生成的凝膠產(chǎn)物主要用來填充混凝土內(nèi)部的毛細孔。摻合料的微集料物理上的填充作用，大大提高了混凝土的密實度，使侵蝕介質(zhì)進入混凝土內(nèi)部更加困難，而且由于二次水化，使得混凝土內(nèi)部的 Ca(OH)2含量減少，混凝土毛細孔中的Ca(OH)2濃度降低，使硫酸鹽濃度很高的環(huán)境水中，石膏結(jié)晶的速度和數(shù)量大大減少，從而最終增強了混凝土的抗侵蝕能力。

（4）配制低水膠比混凝土[6]。在混凝土中，水泥水化僅需要水泥本身質(zhì)量的10% 上下的水，其余的水僅僅用于提高混凝土的流動性等，在混凝土澆筑成型后，水泥水化以外的多余水就會在混凝土內(nèi)部流動形成連通的空隙，最后到達混凝土表面蒸發(fā)，這就為硫酸鹽的侵蝕創(chuàng)造了進入混凝土內(nèi)部的通路。采用高性能減水劑可以大大降低用水量，減少混凝土內(nèi)部通道，提高密實度，從而提高混凝土的抗腐蝕性能。

3 試驗過程

3.1 原材料

水泥 A：贊皇金隅水泥有限責任公司生產(chǎn)的P·O42.5級水泥。性能指標見表2。

表2 P·O42.5性能指標

水泥 B：金隅鼎鑫水泥有限責任公司生產(chǎn)的P·MSR42.5級水泥。性能指標見表3。

表3 抗硫酸鹽水泥物理性能指標

粉煤灰：河北西柏坡發(fā)電有限責任公司生產(chǎn)的 F類Ⅱ 級粉煤灰。細度10.0%，需水量比 96%，燒失量5.8%。

礦粉：西柏坡新能源有限公司生產(chǎn)的 S95級礦粉。性能指標見表 4。

表4 礦粉性能指標

細骨料：石家莊正定區(qū)產(chǎn)的河砂 Ⅱ 區(qū)中砂。性能指標見表5。

表5 細骨料性能指標

粗骨料：石家莊井陘產(chǎn)的碎石。性能指標見表6～8。

表6 10～20mm 碎石篩分記錄

表 75～10mm 碎石篩分記錄

表8 粗骨料性能指標

外加劑：北京金隅水泥節(jié)能科技有限責任公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率30%。

混凝土防腐劑：江蘇蘇博特 SBT-RMA(Ⅱ)，性能指標見表 9。

該防腐劑是一種有機無機復合型高性能混凝土耐腐蝕外摻料，摻入混凝土中可調(diào)節(jié)膠凝體系的化學組成，維持體系中各相的化學平衡，從而有效提升混凝土的抗硫酸鹽、氯鹽類物質(zhì)腐蝕性能。該產(chǎn)品與水泥和化學外加劑適應性強，可有效降低混凝土在硫酸鹽、鹽類物質(zhì)侵蝕條件下發(fā)生表面脹裂、剝落等風險，保障混凝土自身性能的合理發(fā)展，提高混凝土的耐久性能。廠家建議摻量為6%～10%。本試驗取 8%。

3.2 試驗方法與標準

配合比設(shè)計按 JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，并參考 GB50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》及 GB/T50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計強度為 C25、C30、C35、C40，坍落度設(shè)計為200～240mm。其中防腐劑為內(nèi)摻，直接取代膠凝材料用量的 8%。

表9 防腐劑性能指標

混凝土拌合物工作性能按 GB/T50080《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。

硬化混凝土抗壓強度試驗及結(jié)果按照 GB/T50081《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。

抗硫酸鹽腐蝕試驗及結(jié)果按照 GB50021《巖土工程勘察規(guī)范》進行。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 試驗配合比設(shè)計

地下水、土對建筑材料的腐蝕性等級，應按 GB50021有關(guān)規(guī)定確定如表10。

表10 按環(huán)境類型和土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評價

在腐蝕環(huán)境下，結(jié)構(gòu)混凝土的基本要求應符合表11的規(guī)定。

表11 結(jié)構(gòu)混凝土的基本要求

根據(jù)以上規(guī)定，選用 A 組：摻加防腐劑配制抗硫酸鹽混凝土；B 組：抗硫酸鹽水泥配制抗硫酸鹽混凝土。

按 JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》設(shè)計配合比見表12、表13。

3.3.2 試驗結(jié)果

A 組試驗結(jié)果見表14。B 組試驗結(jié)果見表15。

為保證試驗結(jié)果的可比性，各原材料均為一次性備料，并專門存放，試驗室環(huán)境基本相同。

表12 A組混凝土配合比kg/m3

表13 B組混凝土配合比 kg/m3

表14 混凝土出機狀態(tài)及強度

表15 混凝土出機狀態(tài)及強度

抗硫酸鹽等級—抗壓強度耐蝕系數(shù)試驗檢測結(jié)果見表16。

表16 抗硫酸鹽等級檢測結(jié)果%

3.3.3 試驗結(jié)果分析

從表14～16分析得出：

（1）使用抗硫酸鹽水泥或者摻加防腐劑均能配制出滿足標準要求的抗硫酸鹽混凝土。

（2）C25～C40 抗硫酸鹽混凝土中摻加 8% 的防腐劑，混凝土和易性以及強度均滿足設(shè)計要求。

（3）選用抗硫酸鹽水泥配制抗硫酸鹽混凝土時，C25、C30 全部使用抗硫酸鹽水泥，C35、C40 抗硫酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥按 4:6摻加時，混凝土和易性及強度滿足施工要求。

（4）使用普通的混凝土施工工藝，單純改變混凝土的組分就可以得到滿足抗硫酸鹽混凝土技術(shù)要求的混凝土，所以在現(xiàn)有的設(shè)備及工藝前提下，完全可以大規(guī)模生產(chǎn)抗硫酸鹽混凝土。

（5）混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能并不會隨著混凝土強度的提高而提高，需要專門的抗硫酸鹽腐蝕的組分才能有效阻滯硫酸鹽的侵蝕。

4 工程實例

新興城一期二期工程為住宅樓工程，占地面積233333m2，建筑面積 770000m2，地下深挖 8m，其建筑原址為化肥廠原址，長期的化工生產(chǎn)導致地下土壤中含硫酸鹽過高，經(jīng)檢測硫酸鹽含量達到2100mg/kg，又屬于Ⅱ類環(huán)境，綜合硫酸鹽腐蝕強度為中等強度，經(jīng)設(shè)計公司設(shè)計需使用強度等級 C25，抗硫酸鹽強度等級KS30 的抗硫酸鹽混凝土澆筑墊層，隔絕硫酸鹽腐蝕。

試驗中摻加防腐劑 C25配合比進行生產(chǎn)，按普通混凝土施工工藝施工，共澆筑抗腐蝕混凝土1572m3，抗腐蝕性能和強度均滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

通過試驗和實際施工中的各項事宜，可以得出這些結(jié)論：

（1）摻加摻合料和降低水膠比的同時，使用抗硫酸鹽水泥或者摻加防腐劑均能配制出滿足較高標準要求的抗硫酸鹽混凝土。

（2）混凝土的強度和抗硫酸鹽腐蝕沒有直接關(guān)系，強度等級高的混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能并不一定高，仍需要專門的抗硫酸鹽組分來阻滯硫酸鹽的侵蝕。

（3）抗硫酸鹽混凝土施工并不需要復雜的工藝，一般普通混凝土施工工藝即可滿足低強度等級抗硫酸鹽性能要求。

[1] 亢景富．混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題[J]．混凝土，1995(3): 9-18．

[2] 楊全兵，楊錢榮．硫酸鈉結(jié)晶對混凝土破壞的影響[J]．硅酸鹽學報，2007,35(7): 877-880+885．

[3] 謝友均，馬昆林，龍廣成．硫酸鈉對水泥基材料物理侵蝕的試驗研究[D]．第七屆全國混凝土耐久性學術(shù)交流會，2008:148-156．

[4] 金祖權(quán)，趙鐵軍，孫偉．硫酸鹽對混凝土腐蝕研究[J]．工業(yè)建筑，2008,34(3): 90-93．

[5] 亢強．礦物摻合料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的研究[J]．粉煤灰綜合利用，2006(2):3-4+7．

[6] 熊東華，王善撥．抗硫酸鹽混凝土的生產(chǎn)途徑[J]．混凝土，2002 (4):35-38．

周金金（1982—），女，碩士，工程師，從事商品混凝土、外加劑行業(yè)10 年。

［通訊地址］河北省石家莊市欒城竇嫗工業(yè)區(qū)石家莊金隅旭成混凝土有限公司（051430）