耐堿混凝土在工業(yè)工程應(yīng)用中的研究

何 潘

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在有色冶金行業(yè)，尤其是氧化鋁行業(yè)，在生產(chǎn)過程中有使用堿液(強(qiáng)堿)過程或者在生產(chǎn)不正常情況下或設(shè)備故障導(dǎo)致堿液從管道里或者容器里不可避免的跑、冒、滴、漏，使得建構(gòu)筑物很容易受堿腐蝕。耐堿混凝土是一種特種混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)工程的基礎(chǔ)、樓地面、管道支墩、池槽等都可能因?yàn)槭軌A介質(zhì)的腐蝕，導(dǎo)致其全面破壞。嚴(yán)重的堿腐蝕，對(duì)生產(chǎn)過程造成了重大影響，帶來了極大的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)環(huán)境造成極大的污染，所以混凝土的耐堿性問題頗受工業(yè)建筑行業(yè)的關(guān)注。

1 耐堿混凝土外加劑

早在50年代，因?yàn)閷?duì)無機(jī)材料研究不夠，可供選擇的材料比較少，耐堿砼中比較多的選擇了膨脹劑，結(jié)果造成了許多麻煩。由于氧化鋁廠出現(xiàn)的堿腐蝕破壞問題越來越多，我們需要一種新的耐堿外加劑使混凝土在40 ℃以下時(shí)，抗壓強(qiáng)度≥20 MPa，抗?jié)B標(biāo)號(hào)≥1.2 MPa，可耐腐蝕介質(zhì)堿液濃度為30 %的氫氧化鈉、氨水、鋁酸等；當(dāng)在40～80 ℃時(shí)能耐腐蝕介質(zhì)堿液濃度為15 %～30 %濃度的強(qiáng)堿、氨水、碳酸鈉、及堿性氣體和粉塵等。它主要應(yīng)用于受堿介質(zhì)腐蝕的基礎(chǔ)、地面、池槽等混凝土結(jié)構(gòu)工程。就針對(duì)提高耐堿混凝土抗化學(xué)、物理腐蝕能力及耐久性，耐堿外加劑是其它混凝土添加劑無法替代的。

2 耐堿混凝土外加劑的原理

混凝土在腐蝕性介質(zhì)的長時(shí)間作用下，根據(jù)其對(duì)混凝土劣化的程度，可以造成外觀變化、重量變化、強(qiáng)度損失以及腐蝕速度等因素。筆者從實(shí)際出發(fā)，采用研究規(guī)范和多種模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)建筑材料混凝土材料性能的規(guī)律性及特殊性分析研究，論證了混凝土在堿性環(huán)境中的破壞機(jī)理，破壞性不僅是化學(xué)腐蝕，更深層次的物理腐蝕破壞為腐蝕破壞的主導(dǎo)，更加充分地為工業(yè)建筑耐堿防腐工程提供了科學(xué)依據(jù)。

文章突出了之前研究混凝土耐腐蝕局限于材料研究的思路，提出了堿在混凝土中的結(jié)晶應(yīng)力是造成混凝土堿腐蝕的主要原因。主要對(duì)耐堿混凝土的組成材料、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

3 摻加耐堿混凝土外加劑配合比設(shè)計(jì)建議

與普通混凝土配合比不同，耐堿混凝土配合比要求密實(shí)度高，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，耐磨性能好等。按照現(xiàn)有強(qiáng)度理論，影響混凝土耐蝕性能的主要因素是混凝土密實(shí)度，從原則上來講如果改善提升了混凝土的密實(shí)度就會(huì)同時(shí)提升混凝土的耐酸堿能力。針對(duì)耐堿混凝土主要參考體積堆積的理論進(jìn)行專門的配合比的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.1 材料的選取

水泥：強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

細(xì)骨料：細(xì)骨料選取為I類2區(qū)中粗砂，顆粒級(jí)配為過5 mm篩孔的累計(jì)篩余量0 %～10 %、過1.25 mm篩孔的累計(jì)篩余量10 %～50 %、過0.315 mm篩孔的累計(jì)篩余量70 %～92 %、過0.16 mm篩孔的累計(jì)篩余量90 %～100 %的砂子為宜。

粗骨料：粗骨料選取顆粒級(jí)配為過25 mm篩，孔的累計(jì)篩余量0 %～5 %、過16 mm篩孔的累計(jì)篩余量30 %～70 %、過5 mm篩孔的累計(jì)篩余量90 %～100 %的碎石或卵石為宜。

減水劑：萘系高效減水劑或聚羧酸系高性能減水劑。

摻合料：宜使用比表面積大于350 m2/g的超細(xì)礦粉材料。

外加劑：主要為DY-1、DY-2或者DY-4耐堿混凝土外加劑。

3.2 試配試驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)按照最緊密堆積法設(shè)計(jì)出的配合比進(jìn)行準(zhǔn)確稱量；

(2)將水泥、摻合料、耐堿混凝土外加劑、細(xì)骨料和粗骨料進(jìn)行混合均勻后，得到干拌料；

(3)將水和減水劑加入所述步驟(2)所得的干拌料中，混合均勻后即可成型。

(4)成型后特別注意對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，避免產(chǎn)生裂縫。

4 工程實(shí)例

云南文山鋁業(yè)有限公司800 kt/a氧化鋁及其配套礦山項(xiàng)目、云南文山鋁業(yè)有限公司600 kt/a氧化鋁技術(shù)升級(jí)提產(chǎn)增效項(xiàng)目，根據(jù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生介質(zhì)的腐蝕性，環(huán)境條件、生產(chǎn)操作及管理水平和施工維修條件等，因車間制宜，區(qū)別對(duì)待。涉及到有腐蝕性介質(zhì)堿液、堿性氣體和粉塵等侵蝕的墻地面、高壓溶出系統(tǒng)、分解分級(jí)槽系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備基礎(chǔ)孔洞二次灌漿找平細(xì)石混凝土以及排水溝等等。未做耐堿處理，后期將影響建構(gòu)物的結(jié)構(gòu)安全及對(duì)廠區(qū)周邊環(huán)境造成一定的堿污染。

下面就工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目耐堿混凝土進(jìn)行研究。

4.1 配合比實(shí)驗(yàn)及選材

4.1.1 原材料要求

(1)水泥

水泥為無機(jī)水硬性膠凝材料，是很重要的建筑材料，在建筑工程中有著很廣泛的應(yīng)用。而水泥品種非常多，耐堿混凝土要使用硅酸鹽含量比較多、鋁酸鹽含量比較少的普通硅酸鹽水泥，這里重點(diǎn)要注意的是鋁酸三鈣(C3A)，水泥原材料中其含量不應(yīng)該超過9 %，該工程選用的是華新水泥(紅河)有限公司生產(chǎn)的品種強(qiáng)度為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，應(yīng)符合GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。具體的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 紅河P.O 42.5水泥的檢測結(jié)果

(2)細(xì)骨料

細(xì)骨料應(yīng)因地制宜選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗山砂、機(jī)制砂。該工程選用的是文山當(dāng)?shù)厣笆瘓錾a(chǎn)的機(jī)制砂，符合JGJ52-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。具體的標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 機(jī)制砂試驗(yàn)檢測結(jié)果

(3)粗骨料

該工程選用的是文山當(dāng)?shù)厣笆瘓錾a(chǎn)的碎石，粗骨料應(yīng)選用公稱粒徑、級(jí)配較合理，質(zhì)地均勻堅(jiān)固，膨脹系數(shù)、含泥量較小的干凈的碎石、鵝卵石。

粗骨料的最大公稱粒徑應(yīng)≤鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度的2/3，同時(shí)≤鋼筋最小間距的3/4。

粗骨料松散堆積密度為1 600 kg/m3，空隙率為41 %，吸水率為1 %(用于干濕交替或凍融環(huán)境下的混凝土應(yīng)<1 %)。

當(dāng)粗骨料為碎石時(shí)，碎石的強(qiáng)度用巖石抗壓強(qiáng)度表示，且?guī)r石抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)之比應(yīng)≥1.5。施工過程中碎石的強(qiáng)度可用壓碎指標(biāo)值進(jìn)行控制，若粗骨料為鵝卵石，鵝卵石的強(qiáng)度用壓碎指標(biāo)值表示。

粗骨料應(yīng)符合JGJ52-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。具體標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 碎石試驗(yàn)檢測結(jié)果

(4)減水劑

減水劑使用的昆明市鴻格新型建材有限公司，昆明市鴻格新型建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水率在14 %以上，符合GB 8076-2008、GB/T8077-2012標(biāo)準(zhǔn)要求。具體的標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 羧酸系高效減水劑試驗(yàn)檢測結(jié)果

(5)摻和料

粉煤灰使用陽宗海發(fā)電有限公司生產(chǎn)的粉煤灰摻和料，符合GB/T1596-2017的標(biāo)準(zhǔn)要求。具體標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 粉煤灰試驗(yàn)檢測結(jié)果

(6)外加劑

耐堿混凝土外加劑是堿腐蝕的混凝土復(fù)合外加劑。由于它有改善混凝土的亞微觀結(jié)構(gòu)，改善骨料與水泥石的界面性能，可以提高混凝土的密實(shí)度，從而提高了抗?jié)B性能，增加混凝土抗化學(xué)腐蝕和抗物理腐蝕的能力，是理想的耐堿混凝土外加劑。該工程主要使用DY-1、DY-2、DY-4型外加劑：①DY-1用于腐蝕介質(zhì)堿液濃度為30 %，溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的樓地面的混凝土；②DY-2用于腐蝕介質(zhì)堿液氣溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的地上承重結(jié)構(gòu)的混凝土；③DY-4用于地下工程(各類基礎(chǔ)、設(shè)備基礎(chǔ)等)的抗硫酸鹽或氯鹽的腐蝕環(huán)境的混凝土。

主要技術(shù)性能及指標(biāo)見表6、表7、表8。

表6 DY-1主要技術(shù)性能及指標(biāo)

表7 DY-2主要技術(shù)性能及指標(biāo)

勻質(zhì)性指標(biāo)物理力學(xué)性能指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)含水量/%3±1pH值8～11硫酸鈉含量/%≤1抗壓強(qiáng)度比/%3 d907 d9028 d100氯離子含量/%<0.1耐堿蝕系數(shù)/%≥0.8堿含量/%≤5抗?jié)B等級(jí)/MPa2.6——————收縮率比/(28d/%)≤110——————抗氯離子滲透性(電通量)C<1 500

表8 DY-4主要技術(shù)性能及指標(biāo)

注意事項(xiàng)：

①施工與驗(yàn)收按行業(yè)技術(shù)規(guī)范及《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(BG50204)的有關(guān)規(guī)定。

②每立方米混凝土摻DY-1添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。

③DY-1改性耐堿混凝土攪拌時(shí)間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32～34 %。

4.2 性能試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

耐堿混凝土是一種使用范圍較小、專業(yè)性要求強(qiáng)的特種混凝土，目前國家還沒有現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，所以不同氧化鋁項(xiàng)目的耐堿混凝土沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來配制，工程質(zhì)量參差不齊，甚至一些工程中被誤認(rèn)為可以用抗?jié)B混凝土來代替，因此出現(xiàn)了較多的質(zhì)量問題。

4.2.1 耐堿混凝土性能試驗(yàn)

該試驗(yàn)為模擬現(xiàn)實(shí)條件的環(huán)境介質(zhì)及溫度狀態(tài)變化對(duì)混凝土的破壞，因暫無國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，故做如下介紹：

(1)用于腐蝕介質(zhì)堿液濃度為30 %，溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的樓、地面工程的混凝土。

每立方混凝土摻DY-1添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。DY-1改性耐堿混凝土攪拌時(shí)間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。30 %NaOH堿液浸泡120天。

(2)用于腐蝕介質(zhì)堿液溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的地上承重結(jié)構(gòu)的混凝土。

每立方混凝土摻DY-2添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。DY-2添加劑混凝土攪拌時(shí)間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

(3)用于地下工程(各類基礎(chǔ)、設(shè)備基礎(chǔ)等)的抗硫酸鹽或氯鹽的腐蝕環(huán)境的混凝土。

每立方混凝土摻DY-4添加劑，占總膠凝材料的8 %(內(nèi)摻)。DY-4添加劑混凝土攪拌時(shí)間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

主要對(duì)外加劑勻質(zhì)性指標(biāo)、耐堿混凝土性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果，見表9、表10。

表9 外加劑勻質(zhì)性指標(biāo)

表10 耐堿混凝土主要性能指標(biāo)

耐堿混凝土的腐蝕試驗(yàn)是一個(gè)較長時(shí)間的過程，用其作為具體指標(biāo)來控制現(xiàn)場質(zhì)量是比較難的，用抗?jié)B指標(biāo)來衡量，容易讓人誤解為抗?jié)B效果好就是耐堿效果好，所以應(yīng)該用抗?jié)B指標(biāo)和耐堿指標(biāo)共同來衡量耐堿的質(zhì)量。工程上只要正確使用耐堿外加劑，同時(shí)達(dá)到抗?jié)B要求，混凝土就可以達(dá)到耐堿效果，具備了耐堿及抗?jié)B的共同效果。耐堿外加劑中除考慮了抗?jié)B效果外，還添加了防堿腐蝕的組分，它兼?zhèn)淞丝節(jié)B、耐堿腐蝕、提高強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4.3 耐堿混凝土施工應(yīng)符合下列規(guī)定

(1)耐堿混凝土宜用機(jī)械攪拌，時(shí)間不少于2 min；

(2)耐堿混凝土宜采用泵送方式和2次振搗工藝；

(3)耐堿混凝土施工時(shí)按施工規(guī)范要求用振搗棒慢慢的從下到上進(jìn)行反復(fù)操作，振搗時(shí)應(yīng)避免過振或者漏振，這樣就可以減少混凝土施工過程中里面產(chǎn)生的氣泡，讓混凝土變得更加的密實(shí)，以更高的密實(shí)度來避免侵蝕性介質(zhì)侵蝕。

(4)要求一次澆筑不留施工縫，樓地面應(yīng)在漿體初凝至終凝之間進(jìn)行2次找坡抹平壓實(shí)，禁止鋪撒干水泥。

(5)耐堿混凝土地面的伸縮縫所用嵌縫材料應(yīng)選用耐堿能力強(qiáng)、溫度敏感性低的耐堿嵌縫膠泥，不推薦使用常用的瀝青、聚氯乙烯等材料。

(6)耐堿混凝土現(xiàn)場施工作業(yè)完成后，按照要求進(jìn)行圍擋，禁止無關(guān)人員進(jìn)入，避免人為損壞。

(7)保濕和養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間不宜少于14 d，應(yīng)經(jīng)常檢查塑料薄膜或養(yǎng)護(hù)劑涂層的覆蓋及養(yǎng)護(hù)情況，并要確保混凝土表面處于濕潤狀態(tài)。

5 結(jié) 語

耐堿混凝土作為一種特種混凝土，其所用的主要膠結(jié)材料為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，混凝土本身也是堿性的，具有一定抗堿能力，在堿性介質(zhì)作用下，可能2、3年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)腐蝕，但時(shí)間一長，其腐蝕破壞的嚴(yán)重性就會(huì)顯現(xiàn)出來，即使是一個(gè)微小的孔隙，也可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的全面破壞。

另外，作為一個(gè)整體防護(hù)體系，耐堿混凝土地面的伸縮縫所用嵌縫材料也是防護(hù)體系的重要組成部分，若選用普通的材料，即便混凝土耐堿質(zhì)量再好，也會(huì)因?yàn)榍犊p材料被堿性介質(zhì)破壞導(dǎo)致全面破壞。如常用的瀝青材料，聚氯乙烯材料由于溫度敏感性、老化及遇堿變脆等特性，一段時(shí)間后，伸縮縫就會(huì)遭到堿介質(zhì)破壞，使得混凝土地面全面破壞，從而使得整個(gè)防護(hù)體系全面破壞。只有耐堿混凝土外加劑加上耐堿嵌縫膠泥共同使用，才能構(gòu)筑起有效的防護(hù)體系，取得良好的效果。也使廠區(qū)地下水含堿量達(dá)到國家環(huán)保驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到國內(nèi)甚至是國際先進(jìn)水平，同時(shí)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。