復(fù)合防腐劑摻量與井壁混凝土力學(xué)性能的關(guān)系研究

李智飛，李 斌，歐陽(yáng)廣錢，韋寶寧，高利利

（陜西能源趙石畔煤電有限公司，陜西 榆林 719199）

0 引言

在井筒施工過(guò)程中，常受地下水的侵蝕危害，我國(guó)地下水中具有腐蝕性的鹽害離子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-等，這些鹽害離子隨著高礦化度滲流水沿著混凝土表面的裂縫滲透到混凝土內(nèi)部，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)井壁混凝土產(chǎn)生各種腐蝕損傷，使其耐久性和強(qiáng)度大大下降。目前，對(duì)硫酸鹽腐蝕地區(qū)的礦井井壁混凝土侵蝕機(jī)理和防腐蝕措施研究尚未成熟，需要進(jìn)一步探究其機(jī)理，以保證井筒的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。陜北榆橫礦區(qū)趙石畔礦井地下水硫酸鹽含量較高，對(duì)于復(fù)合防腐劑摻量對(duì)井壁混凝土防腐蝕性能尚未明確，因此，本文研究復(fù)合防腐劑摻量與井壁混凝土力學(xué)性能及破壞特征的關(guān)系，為井筒混凝土防腐蝕設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 趙石畔井筒含水層腐蝕性

趙石畔礦井地下水可劃分為6個(gè)含水層，主要腐蝕性含水層均集中在侏羅系各含水巖組，具體主要包括侏羅系中統(tǒng)安定組碎屑巖類裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類裂隙承壓水、侏羅系中統(tǒng)延安組碎屑巖類裂隙承壓水。其中，安定組砂巖段裂隙承壓水、延安組砂巖裂隙承壓水和直羅組砂巖段裂隙承壓水的水化學(xué)類型分別為SO4-Na、SO4-Na和SO4-Na·Mg。安定組砂巖段裂隙承壓水、直羅組砂巖段裂隙承壓水和延安組砂巖裂隙承壓水的礦化度分別為9192、8110、5618.27-9485.45 mg/L?？梢钥闯?，趙石畔井筒穿過(guò)的含水層礦化度較高，局部接近10 000 mg/L。所以，為保證趙石畔井筒混凝土的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，必須進(jìn)行井壁混凝土的防腐蝕研究，探究防腐劑摻量與高性能混凝土防腐蝕性能的關(guān)系，以設(shè)計(jì)不同標(biāo)號(hào)井壁混凝土的防腐劑摻量。

2 試驗(yàn)原理與分析

根據(jù)硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕機(jī)理可知，外部環(huán)境的侵蝕介質(zhì)-硫酸鹽是以環(huán)境水為載體，通過(guò)混凝土水泥石和界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的開口孔隙與微裂縫侵入兩個(gè)微結(jié)構(gòu)內(nèi)部，與Ca（OH）2、CAH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成結(jié)晶膨脹侵蝕產(chǎn)物CaSO4·2H2O和鈣礬石Aft，使水泥石結(jié)構(gòu)脹裂破壞，水泥石的破壞又導(dǎo)致混凝土破壞。因此，硫酸鹽對(duì)井壁混凝土侵蝕的微結(jié)構(gòu)變化是侵蝕破壞的根本，宏觀破壞現(xiàn)象是侵蝕的表現(xiàn)，通過(guò)不同復(fù)合防腐劑摻量條件下井壁混凝土試塊的力學(xué)性能和宏觀破壞特征能夠評(píng)價(jià)防腐蝕混凝土的抗侵蝕效果。

3 試驗(yàn)方案與方法

主要采用原材料：砂子、石子、水泥等均為工程現(xiàn)場(chǎng)原材料，水泥分為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥和52.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，C50混凝土用42.5號(hào)水泥，C60、C70混凝土用52.5號(hào)水泥，外加劑為FZ系列復(fù)合防腐劑。

井筒穿過(guò)腐蝕性含水層段混凝土主要為C50、C60、C70。根據(jù)C50、C60、C70混凝土配合比（見表1）進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)配制的C50、C60、C70混凝土分別摻入0%、10%、15%FZ系列高耐久性混凝土復(fù)合防腐劑配制成高性能混凝土，未摻加復(fù)合防腐劑的混凝土通過(guò)減水劑替代，高性能混凝土的試件在5%硫酸鈉溶液中干濕循環(huán)侵蝕15、30、45次后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。C50、C60、C70井壁混凝土防腐蝕試驗(yàn)安排見表2。

干濕循環(huán)試驗(yàn)方法：①試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，所用浸泡溶液為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硫酸鈉溶液，參照國(guó)標(biāo)GB/T 50082-2009設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；②先將試件置于80±5℃下干燥48 h，后進(jìn)行干濕循環(huán)。將試件浸泡于溶液中，進(jìn)行干濕循環(huán)。試件浸泡、放出溶液、排出溶液的總時(shí)間為16 h，試件烘干溫度為80±5℃；烘干時(shí)間為6 h，冷卻時(shí)間為2 h，烘干和冷卻時(shí)間共8 h，一個(gè)干濕循環(huán)為24±2 h；③除必要支撐面外，試件之間、試件與容器壁間留出一定空隙，使得試件充分浸泡；④每組試件3塊，重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行3遍。

4 抗壓強(qiáng)度結(jié)果與分析

4.1 C50井壁防腐蝕混凝土力學(xué)性能分析

不同復(fù)合防腐劑摻量C50井壁混凝土在干濕循環(huán)15、30、45次條件下的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

表1 C50、C60、C70井壁混凝土配合比

表2 C50、C60、C70井壁混凝土防腐蝕試驗(yàn)安排表

圖1 復(fù)合防腐劑摻量與C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖1可以看出，干濕循環(huán)15次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%的C50混凝土抗壓強(qiáng)度分別為45.16、52.68、66.08 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高16.65%和46.32%。干濕循環(huán)30次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為36.47、42.55、55.09 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高16.67%和51.06%。干濕循環(huán)45次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為32.06、41.5、47.26 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高29.44%和47.41%。在相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，說(shuō)明復(fù)合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，C50井壁混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯地下降，說(shuō)明硫酸鹽腐蝕周期越長(zhǎng)，對(duì)混凝土的力學(xué)性能損傷越嚴(yán)重。

4.2 C60井壁防腐蝕混凝土力學(xué)性能分析

不同復(fù)合防腐劑摻量C60井壁混凝土在干濕循環(huán)15、30、45次條件下的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 復(fù)合防腐劑摻量與C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖2可以看出，干濕循環(huán)15次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%的C60混凝土抗壓強(qiáng)度分別為46.34、62.72、69.80 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高35.35%和50.63%。干濕循環(huán)30次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為44.41、61.73、62.77 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高39%和41.34%。干濕循環(huán)45次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為41.17、59.86、60.62 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高45.4%和47.24%。在相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，說(shuō)明復(fù)合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)的次數(shù)增大，C60井壁混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯地下降，說(shuō)明硫酸鹽腐蝕周期越長(zhǎng)，對(duì)C60井壁混凝土的力學(xué)性能降低幅度越大。

4.3 C70井壁防腐蝕混凝土力學(xué)性能分析

不同復(fù)合防腐劑摻量C70井壁混凝土在干濕循環(huán)15次、30次、45次條件下的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

由圖3可以看出，干濕循環(huán)15次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0、10%、15%的C70混凝土抗壓強(qiáng)度分別為58.84 MPa、71.41 MPa、76.74 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高21.36%和30.42%。干濕循環(huán)30次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為56.64、69.35、72.96 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高22.44%和28.81%。干濕循環(huán)45次時(shí)，復(fù)合防腐劑摻量0、10%、15%混凝土抗壓強(qiáng)度分別為49.99、64.90、69.96 MPa。對(duì)比可以看出，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度比未摻復(fù)合防腐劑的抗壓強(qiáng)度分別高29.83%和39.95%。在相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，防腐劑摻量由10%增至15%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度明顯小于防腐劑摻量由0%增至10%時(shí)，說(shuō)明復(fù)合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果，但其增長(zhǎng)幅度呈下降趨勢(shì)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯地下降，說(shuō)明硫酸鹽腐蝕周期越長(zhǎng)，對(duì)混凝土的力學(xué)性能損傷越嚴(yán)重。

圖3 復(fù)合防腐劑摻量與C70井壁混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

4.4 不同防腐蝕摻量井壁混凝土宏觀破壞特征

以C50、C60、C70井壁混凝土干濕循環(huán)30次為例，分析復(fù)合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土壓縮試驗(yàn)的宏觀破壞形態(tài)，如圖4-6所示。

圖4 復(fù)合防腐劑摻量與C50井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

圖5 復(fù)合防腐劑摻量與C60井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

圖6 復(fù)合防腐劑摻量與C70井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

由圖4-6可以看出，C50、C60、C70井壁混凝土試塊的破壞形態(tài)與復(fù)合防腐劑摻量存在一定的關(guān)系。對(duì)C50井壁混凝土試塊而言，未摻復(fù)合防腐劑時(shí)試塊呈崩解破壞，特別試塊下部出現(xiàn)明顯的破碎，10%和15%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊出現(xiàn)明顯的劈裂破壞痕跡，且15%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊的劈裂破壞痕跡更明顯。對(duì)C60井壁混凝土試塊而言，未摻復(fù)合防腐劑時(shí)試塊表現(xiàn)為整體破碎，10%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊劈裂破壞形態(tài)明顯，局部伴隨著崩解破壞，15%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊的劈裂破壞痕跡更明顯，表現(xiàn)為傾斜的完整裂縫。對(duì)C70井壁混凝土試塊而言，未摻復(fù)合防腐劑和10%和15%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊均整體表現(xiàn)為破裂破壞，但是10%和15%復(fù)合防腐劑摻量時(shí)試塊破壞形態(tài)更規(guī)整，破裂破壞形態(tài)更明顯。綜合而言，隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，C50、C60、C70井壁混凝土試塊破壞形態(tài)由崩解破壞向劈裂破壞過(guò)渡。

5 結(jié)論

在相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，井壁混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，增長(zhǎng)速率呈減慢趨勢(shì)，表明復(fù)合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，井壁混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯地下降，說(shuō)明硫酸鹽腐蝕周期越長(zhǎng)，對(duì)混凝土的力學(xué)性能損傷越嚴(yán)重。隨著復(fù)合防腐劑摻量增大，井壁混凝土試塊破壞形態(tài)由崩解破壞向劈裂破壞過(guò)渡。