“煙塔合一”排煙冷卻塔混凝土的耐久性研究

安明喆， 高 揚， 王 月， 韓 松， 余自若， 季文玉

(北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044)

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為340m2/kg；摻合料選用S95礦粉、Ⅰ級粉煤灰，以及SiO2含量為90.22%(質(zhì)量分數(shù))的微硅粉；普通混凝土和高性能混凝土的細骨料采用河砂，細度模數(shù)為2.6，粗骨料選用粒徑為5～10mm和10～ 25mm的玄武巖碎石；超高性能混凝土的骨料采用粒徑分別為0.160～0.315，0.315～0.630，0.630～1.250mm的石英砂，摻配比例(質(zhì)量比)為1∶4∶2；高性能混凝土采用聚羧酸系高效減水劑，減水率(質(zhì)量分數(shù))為30%，含固量(質(zhì)量分數(shù))為20%；超高性能混凝土采用氨基磺酸鹽系高效減水劑，減水率為29%，含固量為30%.

1.2 配合比設(shè)計

選擇現(xiàn)有“煙塔合一”排煙冷卻塔筒體常用的C30普通混凝土(NC30)進行侵蝕試驗.為了提高復(fù)雜環(huán)境下“煙塔合一”排煙冷卻塔的耐久性，還設(shè)計了C30，C50高性能混凝土(HPC30，HPC50)以及超高性能混凝土(UHPC)進行侵蝕試驗，具體配合比如表1，2所示.

1.3 試驗方案

1.3.1冷凝溶液制備

表1 普通混凝土與高性能混凝土配合比及抗壓強度

表2 超高性能混凝土配合比及抗壓強度

1.3.2試驗方法

試驗統(tǒng)一采用100mm×100mm×100mm試件，NC30，HPC30，HPC50成型后，在常溫下養(yǎng)護1d 后拆模，再放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28d；UHPC常溫下養(yǎng)護1d拆模，放入蒸汽養(yǎng)護箱以15℃/h的速率升溫至75℃，恒溫養(yǎng)護68h，然后降至室溫，再放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28d.

浸泡試驗：在100L的塑料盒中放入8組(24個)養(yǎng)護至28d的試件，試件間保留1cm的間距，再注入60L冷凝溶液，然后將裝有試件的塑料盒置于45℃的蒸汽養(yǎng)護箱中，以模擬混凝土在45℃條件下的抗侵蝕能力.為保持冷凝溶液的pH值穩(wěn)定，每2d測試1次pH值，并用鹽酸溶液進行調(diào)節(jié)，同時為了保持冷凝溶液中各離子濃度的穩(wěn)定，每10d 更換1次冷凝溶液.試件在冷凝溶液中浸泡15，30，55，75，95d后，分別測定其抗壓強度損失率.

質(zhì)量損失率和中性化深度測定：試件在冷凝溶液中浸泡15，35，55，75，95d后，分別測定其質(zhì)量損失率，然后將試件從中間劈開，清除斷面上殘存的粉末，再用1%(質(zhì)量分數(shù))的酚酞酒精溶液噴于斷面上，并用游標卡尺測量其中性化深度.

微觀結(jié)構(gòu)分析：將冷凝溶液中浸泡95d的試件距離表面2～5mm處切取大小為3～8mm的樣品，并迅速用無水乙醇將其沖洗干凈，晾干后進行噴金處理.采用Quanta 250 FEG型掃描電子顯微鏡觀察試件侵蝕前后的形貌，采用INCA X-MAX50型X射線能譜儀對侵蝕區(qū)的化學成分進行分析.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外觀形貌與質(zhì)量損失率

圖1為NC30，HPC30，HPC50及UHPC在冷凝溶液中浸泡95d后的外觀形貌.圖2為不同混凝土在冷凝溶液作用下的質(zhì)量損失率變化曲線.從圖2可以看出，不同混凝土的質(zhì)量損失率均隨著浸泡時間的增加而增大，其中NC30的質(zhì)量損失率最大，浸泡35d后其質(zhì)量損失率變化曲線出現(xiàn)折點，增長速率明顯增大，浸泡95d后其質(zhì)量損失率為7.6%，試件表面砂漿剝蝕嚴重，棱角破壞程度大，粗骨料大量外露，試件尺寸明顯減小(圖1(a)).HPC30，HPC50的質(zhì)量損失率變化曲線折點出現(xiàn)在55d，且質(zhì)量損失率明顯小于NC30；浸泡95d后，HPC30的質(zhì)量損失率為4.4%，僅為NC30的57.9%，HPC50的質(zhì)量損失率為4.0%.由此可見，HPC30，HPC50在冷凝溶液作用下的抗侵蝕能力明顯優(yōu)于NC30.在冷凝溶液中浸泡95d后，HPC30表面的水泥石出現(xiàn)了剝蝕現(xiàn)象，試件棱角破壞，部分粗骨料外露，試件尺寸略有減小(圖1(b))，HPC50表面的水泥石有一定溶蝕，試件棱角有少許剝落，部分細骨料外露，但試件基本完整(圖1(c)).UHPC的質(zhì)量損失率隨著浸泡時間的增加緩慢增大，其質(zhì)量損失率變化曲線無明顯折點，在冷凝溶液中浸泡95d后，其質(zhì)量損失率為1.3%，僅為NC30的17.1%，試件表面基本完整，棱角處略有剝落，外觀形貌變化不大(圖1(d)).在冷凝溶液中浸泡55d后，UHPC的質(zhì)量損失率增幅明顯小于HPC30，HPC50.

圖1 不同混凝土在冷凝溶液中浸泡95d后的外觀形貌Fig.1 Comparison of exterior morphology of different concretes after condensate solution immersion for 95d

圖2 不同混凝土在冷凝溶液作用下的質(zhì)量損失率變化曲線Fig.2 Mass loss rate changes of different concretes under the erosion of condensate solution

2.2 抗壓強度

圖3，4分別為不同混凝土在冷凝溶液作用下抗壓強度和抗壓強度損失率的變化曲線.從圖3可以看出，NC30，HPC30，HPC50的抗壓強度隨著浸泡時間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而UHPC的抗壓強度隨著浸泡時間的增加不斷下降，但下降趨勢緩慢.

圖3 不同混凝土在冷凝溶液作用下抗壓強度的變化曲線Fig.3 Compressive strength changes of different concretes under the erosion of condensate solution

圖4 不同混凝土在冷凝溶液作用下抗壓強度損失率的變化曲線Fig.4 Compressive strength loss rate changes of different concretes under the erosion of condensate solution

在冷凝溶液中浸泡15，30，55，75和95d后，NC30的抗壓強度損失率分別為-10.1%，-10.3%，6.2%，33.0%和40.3%.HPC30，HPC50的抗壓強度變化曲線與NC30大致相同，可分為增大和減小2個階段，但其折點在15d處.在冷凝溶液中浸泡15，55和95d后，HPC30的抗壓強度損失率分別為-13.8%，7.6%和31.9%，HPC50的抗壓強度損失率分別為-11.9%，-9.2%，19.8%；在冷凝溶液中浸泡95d后，HPC30，HPC50的抗壓強度損失率分別是NC30的79.2%，49.1%；在冷凝溶液中浸泡15，55和95d后，UHPC的抗壓強度損失率分別為6.0%，1.4%和9.4%，抗壓強度損失率變化曲線無明顯折點.而且，在冷凝溶液中浸泡95d后，相比于NC30，HPC30，HPC50，UHPC的抗壓強度損失率分別下降了76.7%，70.5%，52.5%.這表明UHPC的抗壓強度保持最好，在冷凝溶液作用下的損傷程度最低.

2.3 中性化深度

混凝土的中性化不僅影響混凝土自身的性能，還影響其中纖維或配筋的抗銹蝕性能，因此中性化深度常被用來考察酸性環(huán)境作用下的混凝土性能[9-10].圖5為不同混凝土中性化深度隨浸泡時間的變化曲線.

圖5 不同混凝土中性化深度隨浸泡時間的變化曲線Fig.5 Neutral depth changes of different concretes with the increase of immersion time

由圖5可知，在冷凝溶液中浸泡55d前，不同混凝土的中性化深度均隨浸泡時間的增加直線上升，在冷凝溶液中浸泡55d后，中性化深度上升趨勢變緩.在冷凝溶液中浸泡15，35，55，75和95d時，NC30的中性化深度分別為0.5，1.4，2.9，3.8和4.3mm，而HPC30的中性化深度分別為0.6，1.3，2.4，2.8和3.1mm；在冷凝溶液中浸泡55，95d 時，HPC50的中性化深度分別為2.0，2.6mm，明顯小于NC30；在冷凝溶液中浸泡55，95d時，UHPC的中性化深度分別為1.9，2.4mm，略小于HPC50，與NC30相比，其在冷凝溶液中浸泡95d時的中性化深度降低了44.2%.

3 侵蝕機理分析

圖6 不同混凝土在冷凝溶液中浸泡95d后的侵蝕產(chǎn)物Fig.6 Erosion product of different concretes under the erosion of condensate solution

4 結(jié)論

(1)在模擬排煙冷卻塔冷凝溶液的作用下，不同混凝土均發(fā)生了侵蝕現(xiàn)象，NC30的侵蝕最為嚴重.在冷凝溶液中浸泡95d時，NC30，HPC30，HPC50和UHPC的質(zhì)量損失率分別為7.6%，4.4%，4.0%和1.3%.水泥石中的Ca(OH)2與冷凝溶液中的H+反應(yīng)，生成Ca2+的可溶性鹽，使水泥石的堿度降低，導致其他水化產(chǎn)物溶解或分解，引起試件表面剝落.

(2)NC30，HPC30，HPC50的抗壓強度隨著冷凝溶液浸泡時間的增加，呈先增大后減小的趨勢，而UHPC的抗壓強度呈不斷下降趨勢.在冷凝溶液中浸泡95d時，NC30，HPC30和HPC50的抗壓強度分別下降了40.3%，31.9%和19.8%，而UHPC僅下降了9.4%，說明UHPC的抗侵蝕能力明顯優(yōu)NC30，HPC30，HPC50.

(4)NC30，HPC30，HPC50及UHPC的中性化深度隨著浸泡時間的增加而增大，在冷凝溶液中浸泡95d時，其中性化深度分別為4.3，3.1，2.6，2.4mm， 即使是結(jié)構(gòu)致密的UHPC也會產(chǎn)生較大的中性化深度.這是由于水泥石中的Ca(OH)2與冷凝溶液中的H+反應(yīng)，生成Ca2+的可溶性鹽降低了水泥石的堿度所致.

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