王天昊

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

水工混凝土受硫酸鹽侵蝕出現(xiàn)開裂破壞、結(jié)構(gòu)疏松甚至強(qiáng)度下降，最終影響水工結(jié)構(gòu)的服役年限和安全使用，逐漸成為混凝土耐久性的關(guān)鍵影響因素[1]。調(diào)查顯示，中國許多水利工程都出現(xiàn)了一定程度的硫酸鹽侵蝕[2-3]，如克桿孜爾水庫、引大入秦灌溉工程、青海朝陽水電站和劉家峽電站等工程。針對硫酸鹽侵蝕問題國內(nèi)諸多學(xué)者開展了深入研究，并取得了豐碩的科研成果[4]。近年來，高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展為水利工程選用耐久性更優(yōu)的混凝土提供了技術(shù)支持，也為改善水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能創(chuàng)造了條件。大量科學(xué)研究和工程實踐表明[5-8]，混凝土中摻入礦渣、硅粉、粉煤灰等摻合料能夠明顯改善其抗硫酸鹽性能。鑒于此，文章探討了摻膨脹劑和磨細(xì)礦粉改善水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能及其作用機(jī)理，可為優(yōu)化混凝土配合比以及提高水工結(jié)構(gòu)的抗裂性提供技術(shù)支持。

1 原材料

1)水泥。試驗用水泥為“渾河P·O 42.5”級硅酸鹽水泥，28d抗壓強(qiáng)度49.6MPa，比表面積305m3/kg，經(jīng)檢測各性能指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)要求。水泥化學(xué)成分，見表1。

表1 水泥化學(xué)成分

2)磨細(xì)礦粉。試驗用礦粉為“京華S 95”級磨細(xì)礦渣粉，經(jīng)檢測各項性能指標(biāo)和化學(xué)成分，磨細(xì)礦粉化學(xué)成分與性能指標(biāo)，見表2。

表2 磨細(xì)礦粉化學(xué)成分與性能指標(biāo)

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算磨細(xì)礦粉的活性系數(shù)Ma=al2O3/SiO2=0.48，堿度系數(shù)Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+al2O3)=1.05>1.0，試驗表明礦粉主要技術(shù)指標(biāo)均符合粒化高爐礦渣粉中S95級指標(biāo)要求，可以用于高耐久性水工混凝土的配置。

3)膨脹劑。試驗用膨脹劑為HME·-I水工混凝土氧化鎂膨脹劑，經(jīng)檢測各項技術(shù)指標(biāo)符合《混凝土膨脹劑》要求。

4)活化劑。膠凝材料體系中摻入活化劑等量替代4-6%的水泥，在改善混凝土可泵送、和易性等施工性能的同時還能提高硬化混凝土的體積穩(wěn)定性。

考慮以上原材料性能和試驗要求，采用混凝土配合比設(shè)計方法確定三種凝膠材料方案，不同凝膠材料試驗方案，見表3。

2 試驗方法與結(jié)果

2.1 質(zhì)量變化率

混凝土試件成型尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，篩出粒徑超過20cm的粗骨料配制X、Y、Z不同膠凝材料的試件，室內(nèi)靜置24h后拆模取出放入標(biāo)養(yǎng)室，養(yǎng)護(hù)齡期至90d后，測試抗硫酸鹽侵蝕性能，加速侵蝕試驗主要考慮以下變量：①增加侵蝕溶液濃度，試配質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Na2SO4溶液；②調(diào)整pH值，通過定時更換侵蝕溶液或滴加一定濃度的稀硫酸來調(diào)節(jié)溶液pH值，維持溶液處于中性狀態(tài)；③干濕循環(huán)加速侵蝕，先在60℃環(huán)境中烘干4d，再浸泡至Na2SO4溶液中3d，一個循環(huán)共7d，如此往復(fù)直到設(shè)計齡期，設(shè)定28d(4個循環(huán))、56d(8個循環(huán))、84d(12個循環(huán))、112d(16個循環(huán))、168d(24個循環(huán))、224d(32個循環(huán))共6個測試齡期。

表3 不同凝膠材料試驗方案

根據(jù)以上試驗方法研究不同齡期混凝土試件的外觀變化特征及其質(zhì)量變化率，不同齡期的混凝土試件質(zhì)量變化，見圖1。結(jié)果表明，混凝土質(zhì)量隨著侵蝕齡期的延長表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢?？傮w上，可以將混凝土質(zhì)量受硫酸鹽侵蝕變化過程劃分成3個階段：①在0-56d侵蝕齡期內(nèi)，混凝土質(zhì)量隨侵蝕齡期的延長呈逐漸上升的變化特征；②在56-112d侵蝕齡期內(nèi)，混凝土的質(zhì)量增長率不斷減小，試件質(zhì)量變化不明顯；③在112d侵蝕齡期后，混凝土質(zhì)量表現(xiàn)出快速減小趨勢，方案X(普通混凝土)相對于方案Y和方案Z(摻磨細(xì)礦渣高性能混凝土)而言具有更快的質(zhì)量下降速度。

圖1 不同齡期的混凝土試件質(zhì)量變化

在混凝土表層未形成裂縫甚至僅形成裂縫未出現(xiàn)剝落前，混凝土質(zhì)量的不斷增加主要與硫酸根離子反應(yīng)生成石膏和鈣礬石有關(guān)。隨著不斷侵蝕試件表面裂縫開始增多甚至出現(xiàn)內(nèi)部裂縫，混凝土表面開始剝落使得質(zhì)量逐漸下降。在混凝土質(zhì)量增加階段，大摻量磨細(xì)礦渣高性能混凝土的質(zhì)量增長率顯著低于普通混凝土，這是由于強(qiáng)度相同情況下普通混凝土的水膠比較高，而水膠比相對較低的高性能混凝土更加密室，所以侵蝕溶液更難滲入。

2.2 抗蝕系數(shù)

試驗設(shè)計水膠比0.50，膠砂比1∶2，選用60mm×10mm×10mm的模具成型，每個方案各成型18個砂漿試件，室內(nèi)靜置24h后脫模，然后把試件放入50℃水中養(yǎng)護(hù)7d后取出，將同一配合比的半數(shù)試件分別浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Na2SO4溶液中和20℃清水中，為維持溶液濃度不變定期用稀硫酸中和，浸泡28d后測試砂漿的抗折強(qiáng)度。以《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》為試驗依據(jù)，不同膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能利用抗蝕系數(shù)K(即Na2SO4溶液和清水中砂漿的抗折強(qiáng)度之比)來衡量?？刮g系數(shù)測試值，見表4。

表4 抗蝕系數(shù)測試值

試驗表明，方案X(單摻水泥)的砂漿抗蝕系數(shù)為0.94，摻入膨脹劑和磨細(xì)礦渣等量替代水泥后的抗蝕系數(shù)明顯提高。

2.3 膨脹率

試驗設(shè)計水膠比0.48，膠砂比1:2.75，試驗用標(biāo)準(zhǔn)砂，選用285mm×25mm×25mm的模具成型，試件成型后先放入35℃水中養(yǎng)護(hù)24h再浸泡至飽和氫氧化鈣溶液內(nèi)，強(qiáng)度達(dá)到20MPa時測試初長。然后將同一配合比的半數(shù)試件分別浸泡在5000mg/L的Na2SO4溶液中和20℃清水中，為維持溶液濃度不變定期用稀硫酸中和。以ASTM C1012為試驗依據(jù)，測量侵蝕齡期達(dá)到6個月的砂漿膨脹率，不同浸泡齡期砂漿膨脹率，見圖2。其中，采用Na2SO4溶液減去同組清水的砂漿膨脹率來反映Na2SO4侵蝕溶液引起的砂漿膨脹率。

圖2 不同浸泡齡期砂漿膨脹率

試驗表明，水泥、膨脹劑、磨細(xì)礦渣(含活化劑)三元復(fù)合以及水泥、磨細(xì)礦渣(含活化劑)二元復(fù)合膠凝材料體系明顯優(yōu)于普通水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力，膠凝材料方案Y、Z相對于普通水泥方案X的砂漿膨脹率減少了68.3%和58.5%。深入分析，磨細(xì)礦渣的摻入有效降低了膠凝材料中的C3A含量以及硫酸鹽侵蝕破壞的風(fēng)險，加之火山灰效應(yīng)消耗了部分Ca(OH)2，這使得Ca(OH)2參與硫酸鹽反應(yīng)的量有所減少，砂漿內(nèi)部界面和構(gòu)造更加密實[9]；此外，膨脹劑的摻入使得早期生成的硫鋁酸鈣更多，其產(chǎn)生微膨脹作用改善了砂漿的密實度。

2.4 孔結(jié)構(gòu)分析

將不同膠凝材料配制的凈漿漿體養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d，采用乙醇溶液終止水泥水化，待烘干后取樣，并用MIP壓汞技術(shù)分析孔結(jié)構(gòu)。MIP壓汞分析值，見表5。

表5 MIP壓汞分析值

由表5可知，方案Y、Z是方案X硬化漿體內(nèi)部孔隙比表面積的122.37%和140.88%，方案X、Y、Z的最可幾孔徑依次為54.20nm、10.58nm、10.66nm。試驗表明，方案Y和方案Z(大摻量磨細(xì)礦渣)相對于方案X(純水泥)硬化漿體而言具有較小的最可幾孔徑和總孔隙率，摻磨細(xì)礦渣的內(nèi)部孔隙比表面積相對較大。因此，大摻量磨細(xì)礦渣和膨脹劑的摻入可以改善硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，增大硬化漿體中的小孔所占比例，減小大、中孔所占比例[10-17]。

3 結(jié) 論

1)混凝土質(zhì)量隨著侵蝕齡期的延長表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，侵蝕齡期>112d后，混凝土質(zhì)量快速減小，普通混凝土相對于摻磨細(xì)礦渣高性能混凝土而言具有更快的質(zhì)量下降速度。

2)采用膨脹劑和磨細(xì)礦渣等量替代水泥，較單摻水泥而言可以明顯增加砂漿抗蝕系數(shù)，增加率達(dá)到15%。水泥、膨脹劑、磨細(xì)礦渣(含活化劑)三元復(fù)合以及水泥、磨細(xì)礦渣(含活化劑)二元復(fù)合膠凝材料體系明顯優(yōu)于普通水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力，相對于普通水泥方案的砂漿180d膨脹率減少了58.5%和68.3%。

3)大摻量磨細(xì)礦渣和膨脹劑的摻入有效降低了膠凝材料中的C3A含量以及硫酸鹽侵蝕破壞的風(fēng)險，加之火山灰效應(yīng)消耗了部分Ca(OH)2，這使得Ca(OH)2參與硫酸鹽反應(yīng)的量有所減少，砂漿內(nèi)部界面和構(gòu)造更加密實；磨細(xì)礦渣和膨脹劑可以改善硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，增大硬化漿體中的小孔所占比例，減小大、中孔所占比例，從而改善抗硫酸鹽侵蝕性能。