礦粉、粉煤灰、外加劑對(duì)海工混凝土耐腐蝕性影響分析

張永生

（廣西北海大都混凝土有限公司，廣西北海 536000）

0 引言

海洋資源的開發(fā)離不開海工建筑物支持，為適應(yīng)海水侵蝕和海洋惡劣的自然氣候，海工混凝土結(jié)構(gòu)必須安全、耐久和經(jīng)濟(jì)。然而，受氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用和微生物腐蝕等多種因素的綜合作用，海工混凝土往往會(huì)過(guò)早裂化，導(dǎo)致其使用壽命大幅縮減。近年來(lái)，陸續(xù)有學(xué)者在室內(nèi)利用各種原材料開展混凝土耐久性試驗(yàn)，從單一或多種原材料摻入角度探究提升混凝土耐腐蝕性的方法[1]。根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)踐得出，添加礦粉、粉煤灰和外加劑可以改良混凝土性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐腐蝕性。但實(shí)際海洋環(huán)境十分復(fù)雜，單純開展室內(nèi)試驗(yàn)難以保證海工混凝土應(yīng)用效果，因此應(yīng)以工程場(chǎng)地為依托開展試驗(yàn)，合理分析礦粉、粉煤灰和外加劑給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)的影響。

1 海工混凝土腐蝕機(jī)制及應(yīng)對(duì)

1.1 腐蝕機(jī)制

海洋環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽、強(qiáng)太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)，混凝土結(jié)構(gòu)將受到鹽霧、潮汐沖擊、海水化學(xué)性腐蝕等因素作用，容易發(fā)生多重侵害。護(hù)岸、堤防等海工工程建設(shè)中，結(jié)構(gòu)不僅承受物理沖擊，也將受氯鹽、鎂鹽、硫酸鹽等鹽類共同作用。隨著侵蝕離子進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)，將和水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成無(wú)膠結(jié)性能和膨脹性物質(zhì)，造成結(jié)構(gòu)開裂、剝落[2]。例如，氯鹽將導(dǎo)致鈍化鋼筋變?yōu)榛罨瘧B(tài)，受海水、高溫高鹽氧影響將發(fā)生腐蝕作用，產(chǎn)物體積膨脹；鎂鹽和混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成氫氧化鎂、氯化鈣等物質(zhì)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度減?。涣蛩徭V等鹽類和水泥發(fā)生水化反應(yīng)，生成鈣礬石等體積膨脹物質(zhì)，也將造成混凝土結(jié)構(gòu)開裂。從腐蝕區(qū)帶劃分情況來(lái)看，包含大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)等多個(gè)區(qū)域，在浪花飛濺襲擊作用下，飛濺和潮差兩個(gè)區(qū)域混凝土處于干濕交替狀態(tài)，容易滲入腐蝕離子和發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[3]。在上述侵害腐蝕破壞因素之中，氯離子侵蝕導(dǎo)致海洋混凝土腐蝕破壞尤為突出，因此提高海洋環(huán)境中混凝土材料與結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕能力，是有效延長(zhǎng)海工混凝土材料年齡期的關(guān)鍵。

1.2 應(yīng)對(duì)措施

在海工實(shí)踐中，提高海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性主要從材料改良和結(jié)構(gòu)抗侵蝕兩方面采取措施。改良混凝土材料性能，可以通過(guò)添加粉煤灰、礦粉等輔助膠凝材料降低混凝土孔隙率和提高阻抗電阻率，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性。因?yàn)榉勖夯业炔牧夏軌騾⑴c水泥水化反應(yīng)，與氫氧化鈣反應(yīng)形成致密結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)集料和漿體界面黏結(jié)作用，改善水泥石孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)均勻性，降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，減輕氯離子給水化硅酸鈣等物質(zhì)帶來(lái)的腐蝕。此外，在混凝土中添加阻銹劑等外加劑，也能起到改善結(jié)構(gòu)耐腐蝕性的作用。例如，添加阻銹劑，可以增強(qiáng)鋼筋腐蝕臨界氯濃度值，抑制鋼筋與氯離子等反應(yīng)。添加防腐劑，由硫鋁酸鹽類膨脹劑、高效引氣劑、阻銹劑等構(gòu)成，能夠發(fā)揮補(bǔ)償收縮、防銹蝕等作用，通過(guò)提升混凝土綜合性能使結(jié)構(gòu)獲得較好的耐腐蝕性。使用減水劑，能夠抑制水泥水化熱溫升，有效控制內(nèi)部溫度，增強(qiáng)和易性的同時(shí)，可以防止混凝土發(fā)生汽蝕破壞[4]。提高混凝土結(jié)構(gòu)抗侵蝕能力，多采取增加保護(hù)層厚、表面涂抹防腐涂料防護(hù)等措施，在惡劣海洋氣候中隨著外部結(jié)構(gòu)逐漸剝落，依然將面臨耐腐蝕性下降問(wèn)題。因此為增強(qiáng)混凝土耐腐蝕性，還應(yīng)重點(diǎn)探究材料改良問(wèn)題。

2 輔助膠凝材料和外加劑對(duì)混凝土耐腐蝕性影響

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于北海市某濱海工程施工場(chǎng)地，屬于典型濱海淺灘地貌，土層以吹填淤泥、淤泥質(zhì)土為主，地下水位埋深0.6～1.2m，水位受海潮漲落影響，最大可達(dá)3m。工程采用鋼筋混凝土樁基，樁長(zhǎng)22m，樁徑0.8m，樁身強(qiáng)C50，持力層為泥質(zhì)粉砂巖。受周圍環(huán)境影響，區(qū)域地下水存在氯離子等腐蝕性離子含量超標(biāo)問(wèn)題，因此樁基結(jié)構(gòu)將面臨高腐蝕性破壞風(fēng)險(xiǎn)。場(chǎng)地吹填土為超鹽漬土，氯離子和硫酸根離子的濃度達(dá)到40000mg/kg以上，鎂離子濃度超過(guò)20000mg/kg 以上，具有強(qiáng)腐蝕性，要求加強(qiáng)混凝土配合比試驗(yàn)，確保配制材料具有較高的耐腐蝕性，保證樁基結(jié)構(gòu)安全性。

2.2 原材料及配合比

配制高性能海工混凝土，應(yīng)優(yōu)選質(zhì)堅(jiān)、級(jí)配佳的碎石，粒徑不超20mm。細(xì)骨料優(yōu)選河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，確保材料獲得較高堆積密度，減小結(jié)構(gòu)孔隙率。水膠比應(yīng)在0.34～0.36，可以增強(qiáng)材料粘合性和抗?jié)B透性能，避免因水膠比不適宜引發(fā)結(jié)構(gòu)自收縮問(wèn)題。摻加活性礦物材料，促進(jìn)材料化學(xué)變化，并且充分填充水泥孔隙，提高界面抗?jié)B性。按照低用水量法則，應(yīng)摻加高效減水劑，增強(qiáng)骨料和拌和物黏結(jié)力，加速材料顆粒分散，保證混凝土擁有良好流動(dòng)性。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)原則，試驗(yàn)原材料為P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，比表面積在300～400m2/kg，安定性符合要求。粉煤灰屬于F 類Ⅱ級(jí)，通過(guò)45μm 方孔篩過(guò)后余量≤30%。礦粉為S95 級(jí)，比表面積在350～450m2/kg，砂為Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6～2.8，含泥量≤2%，泥塊含量≤0.5%。使用碎石針狀顆粒含量≤7%，含泥量≦1%。使用外加劑包含YL-R 混凝土阻銹劑、YL-KS 多功能抗侵蝕防腐劑、XD-Ⅱ減水劑。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，混凝土坍落度在200～220，水灰比在0.34～0.36，粉煤灰摻量在15%～20%，礦粉摻量在30%～40%，水泥用量不超380kg/m3，要求結(jié)構(gòu)28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)不超6×10-12m2/s，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)至少達(dá)到0.90，表1 為不同礦粉、粉煤灰和外加劑摻量下混凝土配合比。

表1 不同礦粉、粉煤灰及外加劑摻量的混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

按照不同配合比制作混凝土試塊，尺寸為100mm×100mm×100mm，按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后取出，放入5%的硫酸鈉溶液中。達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，取出在侵蝕介質(zhì)中對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。確保試塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格后，對(duì)混凝土耐腐蝕性展開評(píng)價(jià)，測(cè)量氯離子擴(kuò)散系數(shù)的同時(shí)，確定結(jié)構(gòu)抗硫酸腐蝕等級(jí)。針對(duì)28d 試塊開展非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移試驗(yàn)，采用電通量法對(duì)混凝土的氯離子侵蝕性能展開測(cè)試，將試塊切割成50mm 厚試件，測(cè)量電通量值越低說(shuō)明抗?jié)B性能越好。在抗硫酸侵蝕性能評(píng)價(jià)上，考慮到施工緊迫性，同樣采用加速方法模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將試塊在10%硫酸鈉溶液中按照干濕循環(huán)機(jī)制浸泡12h 后烘干12h，烘干溫度達(dá)到40℃，浸泡溫度達(dá)到15℃，經(jīng)過(guò)30 次循環(huán)腐蝕后對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，分析得到試塊耐蝕系數(shù)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.4.1 水灰比給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)的影響

表2 為試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，隨著水灰比的增大，膠凝材料用量有所增加，能夠充分發(fā)揮礦物等摻合料的作用，增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能。但膠凝材料用量過(guò)多，將造成水灰比過(guò)大，影響結(jié)構(gòu)抗裂性，引發(fā)大的體積變形。因此應(yīng)維持適當(dāng)水灰比，確?；炷两Y(jié)構(gòu)中毛細(xì)孔數(shù)量較少，有效增強(qiáng)界面抗氯離子滲透性能。從混凝土氯離子滲透性來(lái)看，隨著水灰比的增大，結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散性能也有所下降。從混凝土抗硫酸侵蝕性能變化來(lái)看，隨著水灰比增大呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。硫酸根離子給混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)侵蝕，主要是與水化產(chǎn)物反應(yīng)發(fā)生膨脹。在水灰比適當(dāng)增大的情況下，能夠減少水化產(chǎn)物產(chǎn)生，避免硫酸根離子和氫氧化鈣等反應(yīng)給混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)破壞。但水灰比持續(xù)增大，形成的孔洞有助于硫酸根離子侵入，最終給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)負(fù)面影響。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 礦粉、粉煤灰用量給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)的影響

分析礦粉、粉煤灰用量給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)的變化，可知在水灰比均為0.36 的情況下，單獨(dú)摻加粉煤灰的混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度最小，同時(shí)存在氯離子擴(kuò)散最大的情況，達(dá)到5.24×10-12m2/s，抗壓腐蝕系數(shù)最小，達(dá)到0.74，綜合性能不佳，無(wú)法有效提升結(jié)構(gòu)耐腐蝕性。而摻加粉煤灰和礦粉，能夠有效提升結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能，在粉煤灰摻量比達(dá)到20%，礦粉摻量比達(dá)到30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大可以達(dá)到57MPa。相較于粉煤灰，礦粉具有更強(qiáng)的吸附能力，能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透作用。水灰比提升到0.34 時(shí)，粉煤灰摻量16%，礦粉摻量24%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大為61MPa，且結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，為4.22×1012m2/s，抗壓腐蝕系數(shù)最大，為0.84。由此可見，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整粉煤灰和礦粉等摻量可改善結(jié)構(gòu)抗?jié)B透性能。分析原因可知，粉煤灰和礦粉能夠產(chǎn)生火山灰效應(yīng)，使水泥的水化產(chǎn)物減少，增強(qiáng)水泥石和集料界面結(jié)構(gòu)定向排列，生成高強(qiáng)、低堿的硅酸鈣凝膠。受膠凝填充作用影響，界面將形成致密結(jié)構(gòu)，降低混凝土孔隙率，阻斷氯離子和硫酸根離子侵蝕。膠凝材料將發(fā)揮強(qiáng)固化效應(yīng)，發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生的產(chǎn)物能夠起到物理化學(xué)吸附效果，阻礙氯離子滲透。在施工實(shí)踐中，膠凝材料過(guò)多將引發(fā)混凝土粘性過(guò)大等問(wèn)題，給泵送混凝土帶來(lái)困難，例如，粉煤灰添加量過(guò)多將給結(jié)構(gòu)徐變性帶來(lái)負(fù)面影響，因此應(yīng)結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)部位和水灰比等指標(biāo)調(diào)整膠凝材料添加量。從膠凝材料用量來(lái)看，在水灰比0.34 的條件下，將粉煤灰摻量調(diào)整至16%，將礦粉摻量調(diào)整至24%，能夠更好地與水泥中氫氧化鈣等物質(zhì)反應(yīng)，在極限石灰濃度高的條件下加速水化產(chǎn)物分解，避免硫鋁酸鈣等物質(zhì)的形成，有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗腐蝕性。

2.4.3 外加劑使用給混凝土耐腐蝕性帶來(lái)的影響

從外加劑使用情況來(lái)看，單獨(dú)添加防腐劑或阻銹劑，都能起到提高混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的作用，并且改善結(jié)構(gòu)抗氯離子、硫酸根離子滲透性能，提升整體耐腐蝕性。同時(shí)添加防腐劑和阻銹劑，可以進(jìn)一步提升混凝土抗壓強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到68MPa，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小至3.43×10-12m2/s，抗壓腐蝕系數(shù)提升至0.91。實(shí)際相較于單獨(dú)摻防腐劑，摻兩種外加劑后結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散性數(shù)有所增加，抗壓腐蝕系數(shù)提升幅度也較小。說(shuō)明在結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透方面，使用多種外加劑不能發(fā)揮疊加作用，應(yīng)當(dāng)合理控制外加劑摻加量，避免各結(jié)構(gòu)抗?jié)B透性能帶來(lái)負(fù)面影響。此外，添加多種外加劑也無(wú)法明顯提升結(jié)構(gòu)抗壓腐蝕系數(shù)，而使用多種外加劑成本較高，也將造成施工經(jīng)濟(jì)性下降。

3 結(jié)語(yǔ)

在海工混凝土配制方面，濱海環(huán)境建筑物將同時(shí)受到海浪物理作用和氯離子、硫酸根離子等腐蝕性物質(zhì)侵蝕，需通過(guò)改良混凝土材料性能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐腐蝕性。在混凝土配合比設(shè)計(jì)上，應(yīng)明確水灰比范圍，合理調(diào)整粉煤灰、礦粉摻加量，并添加適量外加劑，有效增強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽腐蝕性性能。在工程環(huán)境中開展試驗(yàn)，最終能夠得到適合裝飾施工的耐腐蝕性混凝土配合比：水灰比0.34，粉煤灰16%，礦粉24%，摻加10%防腐劑或5%阻銹劑，能夠確?；炷莲@得較強(qiáng)的抗氯離子和硫酸根離子侵蝕能力，滿足工程建設(shè)要求。