硫酸鹽腐蝕地質(zhì)環(huán)境中的樁基混凝土抗腐蝕試驗研究與機理分析

牛斌濤 王山峰 姜 騫 石 亮 穆 松

1.中國建筑第二工程局有限公司 青島 266000；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室 南京 210008

0 引言

背景工程項目中地下水腐蝕層為服役環(huán)境最惡劣區(qū)域[1,2]。經(jīng)專家評審會論證，該地塊項目樁基應采用耐腐蝕混凝土進行制備。相關耐腐蝕混凝土的設計指標為：樁基混凝土強度等級為C45、樁身混凝土保護層厚度70 mm、樁身混凝土采用大摻量礦物摻合料制備、樁身混凝土摻入抗硫酸鹽的防腐劑和鋼筋阻銹劑、混凝土28 d氯離子擴散系數(shù)≤6×10-12m2/s、抗硫酸鹽等級為KS120（混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)≥0.90）。

1 原材料、配合比及試驗儀器

1.1 原材料

水泥：大宇P.Ⅰ52.5水泥；粉煤灰：普通Ⅱ級粉煤灰；礦粉：S95級礦渣粉；細骨料：細度模數(shù)3.00的中砂；粗骨料：5～31.50 mm連續(xù)級配玄武巖碎石；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBT-PCA?(Ⅰ)聚羧酸高性能減水劑；阻銹劑：SBT?-ZX(Ⅱ)鋼筋混凝土阻銹劑；防腐劑：某市售普通防腐劑和SBT?-RMA(Ⅱ)混凝土高效防腐劑。

1.2 配合比

C45樁基耐腐蝕混凝土配合比詳見表1。

1.3 試驗方法與儀器

表1 C45樁基耐腐蝕混凝土配合比

混凝土理化性能測試方法應符合相關國標要求，混凝土微觀形貌與元素組成試驗使用FEI Quanta 250掃描電子顯微鏡，電壓15 kV。

2 試驗結果與分析

為了研究防腐劑和膠材用量對樁基混凝土抗壓強度和耐久性能的影響，試驗中研究了不摻加防腐劑、分別摻加普通防腐劑和高效防腐劑（防腐劑按取代礦物摻合料內(nèi)摻），以及不同膠凝材料用量（435 kg/m3、450 kg/m3和465 kg/m3）對混凝土性能的影響。同時，為了研究防腐劑對樁基混凝土抗硫酸鹽性能的提升機理，對經(jīng)過KS120試驗后的混凝土試樣進行微觀形貌觀測和能譜測試分析。

2.1 抗壓強度

圖1是防腐劑對樁基耐腐蝕混凝土抗壓強度的影響，在相同膠凝材料用量和水膠比條件下，使用防腐劑后混凝土抗壓強度提高，并且使用高效防腐劑的混凝土抗壓強度高于使用普通防腐劑的混凝土，其28 d抗壓強度與基準組相比可提高7.60 MPa。這是由于防腐劑的加入能夠優(yōu)化膠凝體系中的顆粒級配，使混凝土密實度進一步提高，促進抗壓強度增長；高效防腐劑中含有大量超細礦粉和硅灰，其晶核反應能夠促進C-S-H凝膠相生成，有效改善界面過渡區(qū)孔隙分布，養(yǎng)護28 d后混凝土抗壓強度能夠高出使用普通防腐劑混凝土的10%以上[3]。

圖2是膠凝材料用量變化對混凝土抗壓強度的影響，在相同水膠比時，混凝土的各齡期抗壓強度隨膠材用量的提高而提高，當膠材用量從435 kg/m3分別升至450 kg/m3和465 kg/m3時，28 d抗壓強度分別增加了6.50 MPa和12.30 MPa，15 kg/m3膠材用量變化能夠引起混凝土變化1個強度等級以上，可見膠材用量對混凝土抗壓強度影響顯著。

圖1 防腐劑對抗壓強度影響

圖2 膠凝材料用量對抗壓強度影響

2.2 氯離子擴散系數(shù)

圖3是防腐劑對樁基耐腐蝕混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響，用普通防腐劑和高效防腐劑均能夠改善混凝土的抗氯離子滲透作用，與不摻加防腐劑的混凝土相比，其氯離子擴散系數(shù)降低幅度分別為9.46%和45.90%，高效防腐劑對混凝土耐久性能的改善更顯著。同時，不用防腐劑和用普通防腐劑的混凝土氯離子擴散系數(shù)均大于6×10-12m2/s，不能滿足設計指標。與抗壓強度結果類似，普通和高效防腐劑對混凝土具有提升密實度的作用，能夠改善混凝土抗氯離子滲透能力，高效防腐劑的效果優(yōu)于普通防腐劑的效果。

在圖4中，樁基耐腐蝕混凝土氯離子擴散系數(shù)隨膠材用量升高而降低，膠材用量為450 kg/m3和465 kg/m3的混凝土氯離子擴散系數(shù)分別比膠材用量為435 kg/m3時降低8.93%和30.36%。膠材用量為435 kg/m3和450 kg/m3的混凝土氯離子擴散系數(shù)分別為5.60×10-12m2/s和5.10×10-12m2/s，略小于設計指標限值，如使用此配合比制備樁基耐腐蝕混凝土，其劣化概率較大。

圖3 防腐劑對氯離子擴散系數(shù)影響

圖4 膠凝材料用量對氯離子 擴散系數(shù)影響

2.3 抗硫酸鹽腐蝕性能

圖5是防腐劑對樁基耐腐蝕混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響，使用防腐劑能夠明顯提高混凝土耐腐蝕系數(shù)，提高抗硫酸鹽腐蝕能力。使用普通防腐劑的混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)120次以后耐腐蝕系數(shù)為0.86，無法滿足設計要求。使用高效防腐劑后，混凝土在經(jīng)歷90次和120次硫酸鹽干濕循環(huán)后，耐腐蝕系數(shù)分別為0.98和0.97，混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能良好，滿足設計要求。

在圖6中，膠材用量為450 kg/m3的混凝土的耐腐蝕系數(shù)稍低于膠材用量為465 kg/m3的混凝土，90次和120次硫酸鹽干濕循環(huán)后耐腐蝕系數(shù)分別為0.95/0.93和0.98/0.97，能夠滿足設計要求；當膠材用量為435 kg/m3時，耐腐蝕系數(shù)降低至0.94/0.88，無法滿足設計要求。

圖5 防腐劑對抗硫酸鹽腐蝕性能影響

圖6 水膠比對抗硫酸鹽 腐蝕性能影響

2.4 SEM-EDX測試

分別觀察不使用防腐劑、使用普通防腐劑和使用高效防腐劑的混凝土在經(jīng)過120次硫酸鹽干濕循環(huán)后放大10 000倍的腐蝕產(chǎn)物形貌，同時結合對圖7（a）和7（b）中腐蝕產(chǎn)物的能譜掃描結果（表2），可以確定腐蝕產(chǎn)物即為鈣礬石（AFt）。圖7（a）中未使用防腐劑混凝土的腐蝕產(chǎn)物晶粒粗大，長度在10 μm以上，且互相搭接成簇；圖7（b）為使用普通防腐劑的混凝土形貌，腐蝕產(chǎn)物已開始大量生成，同時有互相搭接的趨勢，但整體晶粒偏??；圖7（c）為使用高效防腐劑的混凝土形貌，在相同放大倍率下微觀結構仍較致密，僅有極細小的針棒狀產(chǎn)物生成。

圖7 防腐劑對腐蝕產(chǎn)物形貌的影響

SEM-EDX測試結果從微觀角度再次證明，使用防腐劑能夠有效提升混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力，但高效防腐劑效果明顯優(yōu)于普通防腐劑效果。這是因為普通防腐劑往往僅含有一些品質(zhì)較好的礦物摻合料，僅能有限地提高混凝土的力學性能和耐久性能；而高效防腐劑中除含有優(yōu)質(zhì)的超細礦渣和硅灰組分外，還含有膨脹組分，通過在混凝土水化早期引入細小、尺寸可控的AFt晶體填充孔隙，既能夠在早期利用其微膨脹性能提高混凝土密實度，又能夠抑制SO42-與Al相反應生成尺寸較大、導致混凝土被破壞的膨脹產(chǎn)物[4]。

表2 腐蝕產(chǎn)物能譜掃描結果

3 結語

1）普通防腐劑和高效防腐劑均能夠提升混凝土的力學性能和耐久性能，但普通防腐劑改善效果有限；使用高效防腐劑后，混凝土28 d抗壓強度和氯離子擴散系數(shù)可分別改善12.80%和45.90%。

2）高效防腐劑中的超細活性礦物摻合料和膨脹組分能夠在水化早期發(fā)生晶核反應，在混凝土水化早期引入細小、尺寸可控的AFt晶體填充孔隙，可促進混凝土的密實，抑制后期硫酸鹽與Al反應生成具有破壞性的膨脹產(chǎn)物，大幅提升混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能；而普通防腐劑僅能起到有限的提升密實度的作用，無法有效地抑制被硫酸鹽腐蝕破壞。

3）采用高效防腐劑，適當增加混凝土膠材用量，是提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕破壞能力的有效措施。