濱海樁基耐腐蝕性能試驗

孫紹霞，張明義，白曉宇，閆 楠，牛富麗

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.青島大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266071)

我國每年因腐蝕造成的損失占GDP的3%～5%，海洋腐蝕給國家造成的直接損失達1萬億元。然而，在中國濱海地區(qū)的土壤和水中存在大量的腐蝕性離子SO42-，Cl-，Mg2+等，這些離子的存在嚴重影響著海洋樁基工程的耐久性，甚至威脅到上部結構物的安全。因此，如何緩解不同類型鹽對混凝土腐蝕破壞并提高樁基的抗硫酸鹽、氯鹽侵蝕能力已成為海洋工程結構耐久性研究的重要內容之一[1～4]。

目前，較多學者借助室內試驗研究各種原材料、腐蝕環(huán)境對混凝土耐久性的影響。Han[5]提出了一種改進的擴散系數(shù)并基于有限元方法程序根據(jù)混凝土深度、內外部條件估算氯離子濃度，并將預測的氯化物濃度與試驗值進行比較。張迪等[6]提出了BDY型防腐劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的最優(yōu)摻量，結果表明，BDY型混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑最優(yōu)摻和量為8%。陳友治等[7]通過酸度計、SEM(Scanning Electron Microscope)、XRD(X-Ray Diffraction)、EDS(Energy Dispersive Spectrometer)等方法研究了鋼筋混凝土在酸性介質中的腐蝕行為，結果顯示，SO42-、Cl-容易穿過混凝土保護層吸附在鋼筋表面破壞鈍化膜引起鋼筋銹蝕，同時發(fā)現(xiàn)水泥混凝土可延緩侵蝕性介質腐蝕進程。葛勇等[8]研究了凍融、干濕循環(huán)交替下不同強度等級、含氣量的混凝土在不同濃度硫酸鹽溶液的耐久性，結果表明，硫酸鈉濃度越高，腐蝕性越強，凍融-干濕循環(huán)作用時質量損失最大。已有研究大多通過室內試驗從單一或多種混凝土原材料的摻入角度分析其對混凝土耐久性的影響，但對于濱海場地中的灌注樁的長期耐腐蝕性能的研究較少。

本文以青島某游艇產業(yè)園樁基工程為依托，場地所處環(huán)境為典型濱海環(huán)境，地下水中的氯離子和硫酸根離子含量均超過4000 mg/L，遠超現(xiàn)行的國家規(guī)范和行業(yè)標準中侵蝕性介質最高濃度限值，混凝土結構存在很高的腐蝕破壞風險。通過制備不同配比的混凝土探討水灰比、膠凝材料、礦粉、粉煤灰、防腐劑、阻銹劑、普通型與高效型防腐劑對海洋樁基混凝土力學性能、抗氯離子滲透性能、抗硫酸鹽性能的影響，提出適合本工程樁基耐腐蝕混凝土的最優(yōu)配合比，為腐蝕場地灌注樁的耐久性設計奠定基礎，研究結果也可為相似場地的樁基工程設計提供借鑒與參考。

1 試驗概況

1.1 工程概況

試驗場區(qū)位于靈山灣海域，緊鄰膠州灣，屬于典型的濱海淺灘地貌，一定深度范圍內土層依次為吹填淤泥、淤泥質土、砂土，擬建場地地下水位為0.6～1.2 m，水位隨著海潮漲落而變化，最大變化幅度約3.0 m?；A形式為鋼筋混凝土灌注樁，樁端持力層為泥質粉砂巖，樁長介于22～23 m之間，樁徑0.8 m，樁身混凝土強度為C50?；靥钔梁穸葹?0～15 m，回填材料以大直徑的碎塊石為主，最大粒徑約2.0 m，粒徑20 cm以上的碎塊石約占回填材料的50%。

為了研究項目土壤腐蝕情況，依據(jù)GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)[9]對回填前地表處4個測點以及回填后5號、1號、4號樓在距地表以下0.5，0.6，0.6 m深度處進行土壤取樣，并分別測其Mg2+、SO42-、Cl-含量和pH值?；靥钋啊⒑笸寥栏g情況如表1。

表1 游艇項目回填前后土壤腐蝕情況

為了研究場地地下水腐蝕情況，依據(jù)規(guī)范[9]對回填前地表處3個測點和回填后5號、1號、4號樓地表以下3.7，4.8，2.9 m深度處取樣，分別測地下水Mg2+、SO42-、Cl-含量和pH值，回填前、后地下水腐蝕情況如表2。

表2 游艇項目回填前后地下水腐蝕情況

由表1，2可以看出，場地回填前地下水位以上吹填土屬于超鹽漬土，氯離子、硫酸根離子對結構及鋼筋腐蝕性較強；回填前地下水位以上的深厚回填土以及回填后場地土均屬非鹽漬土，土壤對鋼筋混凝土結構具有微腐蝕性?；靥钋昂髷M建場地在地下水干濕交替作用、長期浸泡情況下，對鋼筋混凝土結構腐蝕性較強。

1.2 混凝土原材料

水泥：采用P.II 52.5硅酸鹽水泥，水泥比表面積大于300 m2/kg且小于400 m2/kg，體積安定性合格；

粉煤灰：F類H級粉煤灰，45 μm方孔篩余量不大于12%，CaO含量小于10%；

礦粉：S95礦粉，比表面積大于350 m2/kg且小于450 m2/kg；

砂：細度模數(shù)為2.6～3.0的II區(qū)中砂，含泥量2%，泥塊含量0.5%；

碎石：針狀顆粒含量7%，泥塊含量0.25%，含泥量1%；

外加劑：減水劑采用PCA-I聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，泌水率小于60%；阻銹劑采用SBT-ZX(II)鋼筋混凝土阻銹劑；防腐劑采用普通與SBT-RMA(II)混凝土高效防腐劑，氧化鎂的含量2%，抗蝕系數(shù)0.95，膨脹系數(shù)1.2。

水：普通自來水。

1.3 混凝土配合比

依據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》[10]、TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[11]的技術要求，提出了灌注樁混凝土理論配合比指標如表3所示?；诠嘧兜睦碚撆浜媳?，為研究不同混凝土原材料配比對樁基耐久性的影響，試驗根據(jù)水灰比、膠材用量、粉煤灰摻量、礦粉摻量、是否摻加外加劑、普通型外加劑、高效型外加劑的不同配制7組混凝土試樣，C50混凝土配合比及外加劑比例見表4。

表3 混凝土灌注樁配合比設計指標

表4 混凝土配合比及外加劑比重

2 試驗方法

灌注樁混凝土中氯離子擴散系數(shù)和抗硫酸鹽腐蝕等級是評價其耐久性的兩個主要指標。對7組試樣分別進行7，28 d抗壓強度測試，分析其力學性能；采用非穩(wěn)態(tài)氯離子快速遷移試驗(Rapid Chloride Migration，RCM)方法進行混凝土28 d抗氯離子滲透性能測試，計算氯離子擴散系數(shù)；在此基礎上，進行不同評價周期的加速試驗對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能測試，計算其抗壓腐蝕系數(shù)和質量損失率。

2.1 抗氯離子侵蝕評價

本次試驗制備7組不同配合比的樁基混凝土試樣，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，采用標準方法養(yǎng)護28 d，并依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[12]對其抗氯離子侵蝕性能進行評價。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕評價

依據(jù)GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》[13]技術要求，評定混凝土抗硫酸鹽腐蝕等級需要176 d完成，考慮到工期的緊迫性，試驗采用室內加速試驗方法模擬現(xiàn)場硫酸鹽侵蝕環(huán)境。每個周期分別測試10，20，30次循環(huán)后其抗壓強度(耐蝕系數(shù))、試件重量損失率，提出適用于本項目服役環(huán)境的樁基混凝土加速試驗方案，如表5所示。

表5 游艇產業(yè)園樁基混凝土加速試驗制度

注：評價周期為44 ，88 d的情況，浸泡溶液濃度與實際情況相比，硫酸根濃度提升15倍

3 試驗結果分析

3.1 混凝土力學性能分析

混凝土試樣不同齡期抗壓強度柱狀圖宏觀上表現(xiàn)出不同配合比的混凝土原材料對其混凝土結構的影響不同，對干濕交替加速腐蝕試驗的混凝土強度測試方法參照GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[14]，7種配比混凝土試樣14，28 d抗壓強度如圖1所示。

圖1 樁基混凝土抗壓強度

由圖1可以看出，7組混凝土試樣的28 d抗壓強度比14 d的均有所增長，分別增長了29.0%，42.0%，39.6%，50.0%，34.7%，52.2%，50.0%。E6組試樣28 d抗壓強度最高，最高為65.4 MPa，比14 d抗壓強度提高26 MPa。E2組試樣28 d抗壓強度最低，最低為51.0 MPa；與E2相比，E6組試樣 28 d抗壓強度提高約30%；E6摻普通型阻銹劑、防腐劑比E5不摻型28 d抗壓強度提高了9.38%，E7摻高效型外加劑比E5不摻型28 d抗壓強度提高了6.25%，原因可能是普通型防腐劑、阻銹劑中的氧化鎂制造膨脹提升致密性，混凝土內部的孔隙、空隙被氣泡均勻填滿，使得用水量減少，混凝土抗壓強度提高。E6摻入普通型外加劑與E7摻入高效型外加劑在14，28 d齡期的抗壓強度相差較少，且28 d齡期混凝土抗壓強度均高于其它組，說明外加劑對混凝土后期強度的增長起到促進作用。與試樣E2相比，E1水灰比較小，混凝土抗壓強度高，說明水灰比是影響混凝土強度的主要因素之一，水灰比減少0.02，混凝土抗壓強度提高5%，這是由于適當減少水灰比，可以減少混凝土在凝固過程中水泥水化多余的水分形成的連通孔隙，達到提高混凝土強度的目的。

本工程從經濟及耐久性綜合考慮，推薦選用450 kg/m3膠材、水膠比不宜高于0.34進行樁基混凝土制備。

3.2 混凝土抗氯離子滲透性能

針對本工程特殊環(huán)境，為了更好地驗證礦粉、膠材用量、水灰比、防腐劑、阻銹劑的抗氯離子侵蝕性能，對7組不同配合比混凝土試樣進行28 d齡期的抗氯離子滲透試驗測定氯離子擴散系數(shù)，試驗結果如圖2所示。

圖2 樁基混凝土28 d氯離子擴散系數(shù)

由圖2可以看出，膠材用量同為450 kg/m3且不摻防腐劑、阻銹劑的E1，E2組，E2水灰比較大，28 d氯離子擴散系數(shù)最大，最大為5.1×10-12m2/s，這是由于水灰比越大混凝土硬化后孔隙率越大，混凝土越不密實，氯離子從混凝土表面的孔隙侵入混凝土內部，當氯離子濃度達到0.17%～2.5%時，滿足化學反應所需的酸性環(huán)境，氯離子極易破壞鋼筋表面鈍化膜引起鋼筋銹蝕，鐵銹(Fe2O3)水化后生成的Fe(OH)3·10H2O，體積最高增大至原來10倍，造成鋼筋保護層混凝土開裂，嚴重影響混凝土耐久性。E5，E6，E7在水灰比、膠材用量相同條件下，E5摻入40%的礦粉后的氯離子擴散系數(shù)為3.5×10-12m2/s，E6摻入普通型外加劑的氯離子擴散系數(shù)為3.2×10-12m2/s，E7摻入高效型外加劑的氯離子擴散系數(shù)為3.1×10-12m2/s ，對比三組試樣28 d抗氯離子性能可以發(fā)現(xiàn)：E7>E6>E5，說明高效型防腐劑、阻銹劑的抗氯離子侵蝕性能優(yōu)于普通型，摻礦粉能提高混凝土的抗氯離子滲透性，可能是因為礦渣能使混凝土早期強度和密實度增長較快，較為密實的混凝土能阻止氯離子的侵入速度，減少對混凝土結構的破壞。7種配比的混凝土試樣28 d氯離子擴散系數(shù)均≤6×10-12m2/s，滿足設計要求。

3.3 混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能

7種不同配比的混凝土試樣在濃度為10%，10%，5%的Na2SO4溶液腐蝕30～120 d后，經過10，20，30次加速硫酸鹽腐蝕試驗，計算其抗壓強度比(抗壓耐蝕系數(shù))，如圖3所示。

圖3 樁基混凝土加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)抗壓腐蝕系數(shù)

由圖3可以看出，E1～E5組混凝土試樣經過10次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)抗壓腐蝕系數(shù)明顯比20，30次循環(huán)抗壓腐蝕系數(shù)高，說明硫酸鹽與混凝土中的水泥水化產物Ca(OH)2、水化硅酸鈣(C-S-H)、水化鋁酸鈣(C-A-H)凝膠體發(fā)生反應在混凝土結構內部產生大量的三硫型水化硫鋁酸鈣以及天然二水石膏(CaSO4·2H2O)晶體，使得早期混凝土結構越密實，抗壓腐蝕系數(shù)越大，前期抗硫酸鹽腐蝕能力較好；經過30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)后抗壓腐蝕系數(shù)陡然下降，說明生成膠結能力弱的腐蝕產物吸水膨脹使水泥混凝土結構發(fā)生破壞，抗硫酸鹽腐蝕性能降低。其中E2組的水灰比0.36，膠材用量450 kg/m3且不摻防腐劑、阻銹劑，10次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)后抗壓腐蝕系數(shù)最高，約為1.25且經過30次硫酸鹽干濕循環(huán)后抗壓腐蝕系數(shù)最低，最低為0.78，遠遠達不到設計要求的0.9，分析原因可能是因為水灰比大，膠凝用量少，混凝土結構孔隙和裂縫較多，SO42-容易侵入混凝土內部，硫酸鹽腐蝕速度最快。E5摻入40%礦粉、20%粉煤灰后試樣經過10，20，30次硫酸鹽干濕循環(huán)后抗壓腐蝕系數(shù)分別為1.49，0.9，0.88，說明礦粉的摻入使得混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力增強，幾乎接近設計要求，分析原因可能是摻合料的增加有效降低膠材中C3A的含量，消耗掉多余水化產物Ca(OH)2。E6摻入普通防腐劑10%、阻銹劑2%，經過10，20，30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)試驗后抗壓腐蝕系數(shù)分別為1.0，0.98，0.91，可以看出抗壓腐蝕系數(shù)下降不明顯且均大于設計值0.9，說明普通防腐劑通過引入氧化鎂制造膨脹提升致密性預防結晶膨脹型腐蝕，明顯提高了混凝土耐久性。E7采用相同比例的高效腐蝕劑、阻銹劑，經過10，20，30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)，測得的混凝土樁基抗壓腐蝕系數(shù)分別為1.0，0.98，0.97，可以看出抗壓腐蝕系數(shù)基本不變，與其他組相比有更高的抗蝕系數(shù)與更低的膨脹系數(shù)，說明高效型外加劑的摻入保障了樁基混凝土同時抵御結晶膨脹型與凝膠分解型腐蝕破壞。

從抗壓耐蝕系數(shù)角度考慮，混凝土宜采用膠凝材料用量480 kg/m3，粉煤灰摻量15%，礦粉摻量35%，水膠比0.34進行配制，滿足規(guī)范[11]中規(guī)定環(huán)境作用等級Y3級，混凝土試驗方法按抗硫酸鹽等級為KS120的設計要求。

本次試驗7組混凝土試樣10，30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)質量損失率如圖4。

圖4 樁基混凝土加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)質量損失率

由圖4可知，E2，E4，E6組試樣10次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)后抗壓腐蝕系數(shù)出現(xiàn)負值，說明混凝土質量有所增加，特別是E2組試樣在水灰比最大且未摻外加劑的情況下，10次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)后混凝土質量增加超過15%。原因可能是水灰比越大，混凝土結構越不密實，孔隙較多，硫酸根離子通過混凝土表面的孔隙及細微裂隙侵入混凝土內部形成難溶的三硫型水化硫鋁酸鈣以及CaSO4·2H2O晶體，導致混凝土質量增加。經過30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)后E1和E2混凝土質量損失很嚴重。究其原因，硫酸鹽與水泥水化產物在混凝土內部發(fā)生了化學反應，生成了能夠劣化混凝土的體積很大的鈣礬石和石膏，體積膨脹產生的內應力導致混凝土開裂、剝蝕；同時硫酸鹽與水泥水化產物發(fā)生侵蝕反應破壞體系的化學平衡，導致水化物溶蝕和分解。E7摻高效防腐劑、阻銹劑混凝土試件比E1的30次加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)質量損失率降低101%，在整個循環(huán)周期內，質量幾乎未發(fā)生變化，說明摻高效防腐劑、阻銹劑試樣經多次硫酸鹽腐蝕循環(huán)，混凝土密實度未發(fā)生變化，結構未破壞，混凝土耐久性得到保障。

4 結 論

(1)E6試樣抗壓強度最高，最高為65.4 MPa；7組試樣的28 d氯離子擴散系數(shù)均≤6×10-12m2/s，滿足設計要求。試樣E7因摻加高效型防腐劑、阻銹劑使得抗壓腐蝕系數(shù)基本不變且在整個加速硫酸鹽腐蝕循環(huán)周期內質量幾乎未發(fā)生變化。

(2)本試驗條件下，提出了適合本工程的樁基耐腐蝕混凝土理論配合比：膠材用量≥360 kg/m3，水灰比0.32～0.34，粉煤灰15%～20%，礦粉30%～40%，砂率38%～43%，摻入防腐劑、阻銹劑等外加劑。

(3)水灰比是影響混凝土抗壓強度的主要因素之一，適當減少水灰比可使混凝土耐久性得到提高；礦粉的摻入可顯著增強混凝土的抗氯離子侵蝕性能；適量粉煤灰可增強混凝土膠凝體系的抗硫酸侵蝕能力；總體上高效型防腐劑、阻銹劑比普通型更優(yōu)。

(4)基于混凝土理論配合比，提出了滿足本工程耐久性要求的各種原材料摻量：膠材用量480 kg/m3、水灰比0.34、粉煤灰15%、礦粉40%、10%的高效防腐劑、2%的高效阻銹劑。