減水劑對抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土適應性研究

武 斌，白玉生，李憲軍，駱佐龍

(1.山西大學 土木工程系,太原 030013；2.國網(wǎng)山西省電力公司,太原 030001)

0 引言

變電站工程和特高壓變電站工程是有關(guān)國計民生的重大工程項目，這些工程有很大一部分處于復雜的外部環(huán)境中，而混凝土基礎(chǔ)作為輸變電工程重要的工程構(gòu)件，其耐久性壽命的長短直接決定了輸變電工程的壽命。中國山西、山東等地變電站基礎(chǔ)存在硫酸鹽腐蝕現(xiàn)象，“泛堿”損害嚴重。近年來，國內(nèi)外對于抑制硫酸鹽腐蝕的主要方法之一是配制高性能混凝土[1-4]。減水劑，作為高性能混凝土配合比設(shè)計的重要組成部分，可以改善混凝土工藝、提高混凝土性能、節(jié)約水泥[5]，在高性能混凝土耐久性發(fā)揮方面具有較大的作用。因此，研究減水劑對高性能混凝土適應性具有較大的經(jīng)濟意義和現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)研制并被廣泛使用的高效減水劑主要有聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑[6-13]：聚羧酸系高性能減水劑具有高減水率、低收縮、高強度、低泌水和坍落度損失小等性能優(yōu)點；萘系高效減水劑性能穩(wěn)定，對砂石含泥量敏感性低[6-13]。這兩種減水劑均廣泛應用在輸變電工程基礎(chǔ)混凝土中。

本文采用聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑分別輔以復合緩凝組分、保坍組分、阻斷毛細孔和引氣組分配制復合減水劑，從研究減水劑對抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的適應性入手，為配制抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的功能型復合減水劑提供一定的依據(jù)。

1 試驗原材料

1)水泥：普通硅酸鹽水泥，山西吉港P·O42.5水泥，其比表面積為324 m2/kg，初凝時間為167 min，終凝時間為218 min，3 d抗折和抗壓強度分別為5.0 MPa和22.1 MPa，28 d抗折和抗壓強度分別為8.5 MPa和49.2 MPa。

2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，太原二電廠生產(chǎn)，細度為11%，需水量比為101%，含水量為0.2%。

3)礦粉：山西太鋼生產(chǎn)，比表面積為450 m2/kg，流動度比為103%，燒失量為2.3%。

4)硅灰：山西交城義望鐵合金廠生產(chǎn)，比表面積為18 000 m2/kg，SiO2含量為91.2%，pH為中性。

5)砂：中砂，文水，細度模數(shù)為2.7。

6)碎石：5 mm～25 mm級配碎石，太原東山。

7)減水劑：聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑母液，減水率≥25%，固含量為40%，山西山大合盛新材料股份有限公司生產(chǎn)，緩凝組分、保坍組分、防水組分、引氣組分等小料均由該公司提供。

8)水：飲用水。

9)無水硫酸鈉：天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)。

2 高性能混凝土減水劑的配制

混凝土耐久性受多種因素影響，提高混凝土的密實度，高摻量使用摻合料，合理匹配膠凝材料、砂、碎石的級配，功能型減水劑的研究與合理配合比的設(shè)計是關(guān)鍵。本文從研制抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土功能型減水劑方面入手，配制復合聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑各5組進行對比研究，根據(jù)試驗結(jié)果選出最佳配比，詳細配方見表1。

表1 功能型減水劑的配方

3 減水劑對水泥適應性的影響

為了研究減水劑對高性能混凝土的適應性，首先應從減水劑對水泥適應性入手，從水泥凈漿流動度、泌水兩個方面測試對水泥的影響，測試結(jié)果見表2和圖1。

表2 不同配方功能型減水劑對水泥適應性的影響

由表2和圖1可以看出，10組減水劑配方的水泥工作性均良好，只有1號和6號發(fā)生輕微泌水現(xiàn)象，其他8組均未出現(xiàn)泌水、離析現(xiàn)象。10組減水劑配方對所用水泥的適應性均能滿足要求，相比5組萘系高效減水劑，5組聚羧酸系減水劑的水泥凈漿流動度損失較小，適應性更好，隨著母液摻量的增大，其對水泥的適應性也逐漸增強，但成本也隨之提高。

4 減水劑對高性能混凝土抗腐蝕泛堿性能的影響

為了研究表1中10個功能型減水劑的適應性，采用C30高性能混凝土(配合比見表3)為載體測試混凝土的坍落度、含氣量、KS3、泛堿破壞情況、抗壓強度等參數(shù)，其中“泛堿”研究采用半浸泡法(5%硫酸鈉溶液)[3]，研究測試方法如圖2。

表3 C30高性能混凝土配合比

試驗結(jié)果如表4、圖3和圖4所示。

表4 不同配方減水劑對混凝土性能的影響

由表4可以看出，10種配方半浸泡30次干濕循環(huán)后試件均未出現(xiàn)裂紋，說明10組抗腐蝕性能均良好。聚羧酸系減水劑的含氣量較萘系高，這主要是與兩種減水劑的合成機理及組分有關(guān)。結(jié)合圖2可以看出，聚羧酸系高性能減水劑坍落度損失較小，工作性能較萘系高效減水劑好。綜合考慮，復合聚羧酸系高性能減水劑的性能總體優(yōu)于萘系高效減水劑。聚羧酸系減水劑1，2號配方與萘系5種配方均出現(xiàn)“泛堿”破壞情況很嚴重的現(xiàn)象，而聚羧酸系減水劑3，4，5號配方泛堿破壞情況較輕，說明聚羧酸系減水劑3，4，5號配方綜合性能更好。此外，對比圖3中聚羧酸系減水劑3，4，5號配方的7 d，28 d強度，3號配方7 d，28 d強度均較其余2組高，綜合考慮，優(yōu)選3號配方減水劑。

5 擴鏈劑組分對抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土適應性研究

為了研究減水劑中擴鏈劑組分對抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的適應性，優(yōu)化減水劑配方，通過對比3號配方(含擴鏈劑組分)和3-1號配方(不含擴鏈劑組分)高性能抗腐蝕性能、抗壓強度和微觀形態(tài)，掌握擴鏈劑組分對抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的作用。

5.1 抗腐蝕性能

本文研究混凝土的抗腐蝕性能，從泛堿方面入手。泛堿的產(chǎn)生，主要是混凝土表面結(jié)晶和內(nèi)部滲透的綜合作用效果，采用半浸泡法測試高性能混凝土表面的泛堿量，析出泛堿量的多少可以反應高性能混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能，表5為3號配方減水劑(含擴鏈劑組分)和3-1號配方減水劑(不含擴鏈劑組分)所配制混凝土的15 d，30 d，60 d表面堿的析出量。

表5 高性能混凝土的“泛堿”析出量

從表5可以看出，相比不含擴鏈劑組分的混凝土，含擴鏈劑組分的混凝土析出的鹽分較多，這可能是擴鏈劑組分的加入提高了混凝土的密實性，抵抗了硫酸鈉溶液的入侵，導致干濕界面析出的鹽分較多，一定程度上反應出擴鏈劑組分改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其更加密實，抵抗了硫酸鹽的入侵，提高了混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能。

5.2 抗壓強度

為了研究減水劑中擴鏈劑組分對高性能混凝土強度方面的作用，測試了含擴鏈劑組分和不含擴鏈劑組分高性能混凝土的抗壓強度?？箟簭姸仍囼灠凑铡镀胀ɑ炷亮W性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[14]進行，采用非標準試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，換算系數(shù)為0.95，抗壓強度試驗加荷速率為0.5 MPa/s,經(jīng)換算后的抗壓強度見表6。

表6 高性能混凝土力學性能

從表6可以看出，3號配方減水劑(含擴鏈劑組分)配制的混凝土較3-1號配方減水劑(不含擴鏈劑組分)配制的混凝土強度有所降低，可知擴鏈劑組分對混凝土強度方面貢獻不大，甚至有降低混凝土強度的不利作用。這可能是擴鏈劑組分的存在改善了混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增加了混凝土的韌性，但使混凝土脆性有所降低，抗壓強度有一定的損失。

5.3 微觀分析

為了進一步分析減水劑中擴鏈劑組分對高性能混凝土的影響，從微觀形態(tài)方面進行分析研究，圖5為C30混凝土28 d含擴鏈劑組分C30-4-1與不含擴鏈劑組分C30-4-2的SEM微觀形貌圖。

由圖5可以看出，C30-4-1中的水化產(chǎn)物相互交錯搭接，形成明顯的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)更加致密，而C30-4-2的水化產(chǎn)物也形成互交錯搭接的結(jié)構(gòu)，但微觀結(jié)構(gòu)密實性弱于C30-4-1，即摻擴鏈劑組分混凝土微觀結(jié)構(gòu)密實性優(yōu)于無擴鏈劑組分混凝土?？赡苁且驗閿U鏈劑與聚羧酸系高性能減水劑部分發(fā)生聚合反應，增加了短支鏈的數(shù)量，延伸了原有支鏈的長度，使各支鏈長短交替，或擴鏈劑小分子游離在各支鏈或支鏈與主鏈之間，改善了空間位阻斥力，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，同時發(fā)生聚合反應形成聚合物膠體，提高了混凝土韌性及密實度，但導致了混凝土脆性降低，抗壓強度有一定的損失。這也可以說明含擴鏈劑組分混凝土由于內(nèi)部密實，抗硫酸鹽腐蝕能力強而抗壓強度有所降低的原因。

6 結(jié)論

(1)為了研制抗硫酸鹽腐蝕高性能混凝土功能性減水劑，本文配制復合聚羧酸系高性能減水劑和萘系高效減水劑各5組進行對比研究，經(jīng)測試可知，聚羧酸系高性能減水劑性能優(yōu)于萘系高效減水劑，并通過對比，3號配方(含擴鏈劑組分)性能最優(yōu)。

(2)為了研究擴鏈劑對高性能混凝土性能的影響，本文對比了含擴鏈劑減水劑和不含擴鏈劑減水劑配制的C30高性能混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能、抗壓強度、微觀形態(tài)三個方面，得出如下結(jié)論：1)含擴鏈劑組分的混凝土析出的鹽分較多，這可能是擴鏈劑組分的加入提高了混凝土的密實性，抵抗了硫酸鈉溶液的入侵，導致干濕界面析出的鹽分較多，一定程度上反應出擴鏈劑組分改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其更加密實。2)含擴鏈劑組分混凝土較不含擴鏈劑組分混凝土強度有所降低，可知擴鏈劑組分對混凝土強度方面貢獻不大，甚至有降低混凝土強度的不利作用。這可能是擴鏈劑組分的存在改善了混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土韌性增強，但脆性降低。3)微觀結(jié)構(gòu)方面，含擴鏈劑組分混凝土更加致密，擴鏈劑組分提高了混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能。