外加劑與礦物摻合料對鋼筋混凝土電桿防腐蝕性能的影響分析

唐占榮，葉海龍，康海平，李丹陽，薛守洪

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司巴彥淖爾電業(yè)局，巴彥淖爾 015000；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

1 引言

內(nèi)蒙古西部地區(qū)地處河套平原腹地，土壤鹽堿化程度高，含有大量可溶性鹽，如硫酸鹽、氯化物等，而且冬季負(fù)溫持續(xù)時間長，極端天氣下凍融循環(huán)頻繁發(fā)生。在鹽類侵蝕和凍融循環(huán)的雙重作用下，該地區(qū)輸電用鋼筋混凝土電桿經(jīng)常出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂剝落的現(xiàn)象，尤其電桿表面出現(xiàn)裂縫時，腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部會更加容易，腐蝕速率會隨鋼筋暴露面積增大而加快。

2 鋼筋混凝土電桿腐蝕原因分析

2.1 鹽類侵蝕

鋼筋混凝土電桿是由水泥、砂子、碎石、水、減水劑混合而成的混凝土與鋼筋或鋼絲制成的電桿，在使用過程中，土壤中硫酸根離子進(jìn)入混凝土后與氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏，石膏與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，鈣礬石的不斷形成會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，破壞微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂、機(jī)械強(qiáng)度下降。此外，氯離子在混凝土中以結(jié)合氯和游離氯2種形式存在，當(dāng)氯離子穿過鈍化膜擴(kuò)散到鋼筋表面時，鈍化膜逐漸被破壞，暴露出的鐵基體與鈍化膜構(gòu)成腐蝕電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)導(dǎo)致鋼筋銹蝕。當(dāng)硫酸根離子與氯離子同時存在時侵蝕機(jī)理較復(fù)雜，有研究者認(rèn)為在混凝土開裂前，硫酸根離子與氯離子的擴(kuò)散存在相互制約。潘從玲等[1]發(fā)現(xiàn)陽離子類型影響氯離子的存在形式，鉀離子、鈉離子會使部分結(jié)合氯被釋放，鎂離子、鈣離子會使結(jié)合氯增多。由此可知，鹽離子的擴(kuò)散、吸附等行為與混凝土組分、配比、微觀結(jié)構(gòu)及水泥水化過程有很強(qiáng)的相關(guān)性。

2.2 凍融循環(huán)破壞

當(dāng)外界溫度變化引起水發(fā)生相變與遷移時，混凝土結(jié)構(gòu)電桿在經(jīng)歷凍融循環(huán)時不斷發(fā)生收縮與膨脹。在內(nèi)部應(yīng)力的持續(xù)作用下，微裂紋出現(xiàn)并發(fā)展為裂縫，混凝土結(jié)構(gòu)受到不可逆損傷、耐久性下降。鹽類侵蝕與凍融循環(huán)共存時的腐蝕機(jī)理更為復(fù)雜，胡孔亮等[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時，鋼筋在氯鹽作用下銹蝕，混凝土與鋼筋的黏結(jié)力增大，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較多時，凍脹使結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，黏結(jié)力隨氯鹽含量增多而下降。

3 鋼筋混凝土電桿防腐蝕國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

為了防止混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕破壞，研究者們大多采用礦物摻合料提高材料抗?jié)B性或向混凝土中摻入外加劑的方法來提高其耐久性。外加劑一般包括減水劑、引氣劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑等。減水劑是最常用的化學(xué)外加劑，使用減水劑可以在減少用水量的同時保持水泥漿的坍落度基本不變，提高混凝土的密實度和可加工性。聚羧酸類減水劑因其減水性能較好而使用量較大，主要通過在粒子表面的吸附發(fā)揮作用，但由于其與不同粒子的吸附力不同，因此，可能出現(xiàn)與混凝土組分不相容的問題。

使用引氣劑是提高混凝土結(jié)構(gòu)抗凍融性最有效的方法之一。引氣劑引入的氣泡可以緩沖凍融循環(huán)過程中混凝土結(jié)構(gòu)收縮膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力并阻斷部分毛細(xì)管通路，抑制微裂縫產(chǎn)生，但是引氣劑的加入可能會影響混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性。Eskandari等[3]發(fā)現(xiàn)引氣劑加入量不當(dāng)會降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕性能。劉姓碩等[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較少時，增加引氣劑含量不能改善混凝土的抗氯離子滲透性。因此，應(yīng)合理引氣，使氣泡小而均勻，同時提高混凝土的抗凍融性與抗鹽類侵蝕性。

早強(qiáng)劑是一種通過調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)和硬化速率來提高混凝土早期強(qiáng)度的外加劑，這種外加劑可以縮短工期，提高試模周轉(zhuǎn)率，在冬季搶修等需要加快工作進(jìn)度的場合發(fā)揮重要作用。宋云連等[5]發(fā)現(xiàn)，摻加了早強(qiáng)劑的混凝土試模吸水率較低、抗凍系數(shù)和平均抗壓強(qiáng)度較高，而且早強(qiáng)劑含量越高效果越顯著，說明早強(qiáng)劑能夠在一定程度上提升混凝土材料的抗凍性能。

緩凝劑能夠延緩混凝土的凝結(jié)與硬化，避免因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫,提升混凝土的可加工性，金小磊等[6]以葡萄糖酸鈉作緩凝劑時發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻量過大時會使混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

防凍劑可以通過增加鹽濃度來降低凝固點，并加快水泥中鋁酸三鈣和硫酸三鈣的水化速率，使強(qiáng)度較快增長，受凍結(jié)后混凝土結(jié)構(gòu)的開裂與其微觀孔結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的相關(guān)性。Wang等[7]發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土受凍結(jié)后孔隙率及平均孔徑增大、分形維數(shù)變小，說明混凝土密實度及抗?jié)B性下降。

與此同時，研究者們發(fā)現(xiàn)向混凝土中摻加礦物摻合料也可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，江濤等[8]發(fā)現(xiàn)適量摻入粉煤灰可以提高混凝土的致密性，增強(qiáng)其抗氯離子侵蝕能力，Kapoor等[9]發(fā)現(xiàn)硅粉和偏高嶺土均能夠抑制氯離子滲透，丁紅霞等[10]發(fā)現(xiàn)向混凝土中大量摻入礦渣可以提高材料的抗凍性能，馮勇等[11]發(fā)現(xiàn)用鋼渣部分替代混凝土中的骨料時可以提高混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽與鎂鹽侵蝕的性能，而且鋼渣粒徑越小效果越好。

在鋼筋混凝土電桿防腐蝕的問題上，綜合考慮認(rèn)為應(yīng)復(fù)合使用外加劑與礦物摻合料，提高材料抗凍融性能與抗鹽侵蝕性能，延長電桿使用壽命的同時提高工業(yè)副產(chǎn)品的再利用率。如Kumar等[12]復(fù)合摻入10% 超細(xì)?；郀t礦渣及2%硝酸鈣可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度及混凝土與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度，而且硝酸鈣可以有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的可加工性，在不同配比試塊的吸水率及氯含量檢測中，復(fù)合摻入10% 超細(xì)粒化高爐礦渣及2% 硝酸鈣的混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融循環(huán)性能及抗鹽類侵蝕性能最好，這是因為超細(xì)粒化高爐礦渣的加入使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙變小，吸水率下降。而且硝酸鹽在水中的溶解度大于氯化物及硫酸鹽，因此，硝酸鈣的加入使得混凝土中部分氯離子及硫酸根離子被替代。

4 結(jié)論與展望

復(fù)合使用礦物摻合料及外加劑能夠提高鋼筋混凝土的機(jī)械性能及耐腐蝕性，將這種復(fù)合摻加方法應(yīng)用于內(nèi)蒙古西部高鹽堿區(qū)鋼筋混凝土電桿的生產(chǎn)中或可以改善腐蝕現(xiàn)狀，可以將電廠產(chǎn)生的大量粉煤灰作礦物摻合料，輔以引氣劑、減水劑或緩蝕劑等或可提高電桿的抗凍融性能及抗鹽類侵蝕性能。但是該方法的成功運用與多種因素有關(guān)，首先，需要選擇合適的礦物摻合料與外加劑，使二者在一定配比下發(fā)揮協(xié)同作用；其次，要確定摻加方法、規(guī)范操作步驟；最后，要借助多種檢測手段全面評估混凝土試塊的工作性能，確保工程質(zhì)量。