抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比設計研究

胡 宗 容， 金 鈺

(中國水利水電第五工程局有限公司 中心試驗室，四川 成都 610066)

1 概 述

新疆伊犁河攔河引水及北岸干渠工程位于伊寧縣與察布查爾縣交界的伊犁河干流段，由伊犁河攔河引水樞紐、北岸干渠(長128.189 km)、察渠總干渠(長9.11 km)及灌區分干渠組成，為I等大(1)型工程，干渠、沿線分水閘、節制退水閘、輸水涵洞、輸水渡槽、隧洞、排洪建筑物、灌區交叉建筑物為3級建筑物。工程地處東經80°26'～81°43'、北緯43°39'～44°06'。建筑物包括：渠道面板、輸水渠涵、農渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(納洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、縱橫排水、集水井、灌區連接渠、連接道路及交通橋等，所有建筑物基礎均浸泡在地下水中。新疆伊犁河攔河引水及北岸干渠工程所在地區地下水豐富，地下水位距地表淺，根據地下水樣勘察，渠道地下水中的SO42-濃度為161～10 971 mg/L。

相關研究表明：具有一定硫酸鹽的環境水在混凝土毛細管的作用下被吸入混凝土體中，而暴露在大氣中的混凝土由于毛細管作用將傳遞水分蒸發[1]。溶解在水中的礦物質經濃縮而析出殘留在混凝土的表面和內部，呈現出白跡、白霜，使混凝土遭受硫酸鹽結晶的膨脹壓力，促使混凝土從表層開始破壞，其破壞首先發生在水位變化區、干濕交替地帶以及單側受水頭壓力的混凝土薄壁結構。在返潮段遭受到侵蝕，地面上某些地段出現霜狀鹽的結晶，有的地區呈現豆腐渣狀，導致建筑物混凝土強度降低，最后完全破壞(圖1)。

新疆北疆地區的地下水普遍具有侵蝕性，根據水質化驗報告，該地區絕大部分地段地下水、地表水均具有弱硫酸型酸性侵蝕和中等溶出型侵蝕(含碳酸鹽侵蝕)，對混凝土侵蝕較嚴重。

2 混凝土配合比設計采用的原材料

拌制抗硫酸鹽混凝土一般采用抗硫酸鹽水泥或高摻優質粉煤灰，均可獲得較好的效果。該工程考慮工程成本和當地原材料，決定采用高摻粉煤灰或礦粉設計配合比。

(a)地下水滲流對混凝土的侵蝕 (b)對混凝土表面侵蝕圖1 混凝土被含硫酸鹽水侵蝕后的情況

2.1 水 泥

采用青松南崗建材有限公司生產的P·O42.5級水泥；水泥熟料中化學成分及熟料中礦物成分、物理力學性能成果見表1、2。

2.2 粉煤灰

粉煤灰采用新疆瑪納斯發電有限責任公司生產的Ⅰ級粉煤灰，其性能見表3。

2.3 礦 粉

礦粉采用伊犁興鋼環保建材有限公司生產的S75級粒化高爐礦渣粉，其性能見表4。

2.4 砂石料

砂石料采用阿熱吾斯塘鄉篩分料場產品，其質量見表5。

2.5 外加劑

外加劑采用五家渠格輝化工有限責任公司生產的FND減水劑和GH-AE型引氣劑，其性能見表6。

表1 水泥熟料中化學成分及熟料中礦物成分表

表2 水泥物理力學性能成果表

表3 粉煤灰性能成果表

表4 粒化高爐礦渣粉性能成果表

表5 砂石料質量成果表

表6 外加劑性能成果表

2.6 混凝土拌和用水

混凝土拌和用水為伊犁地區生活飲用水。

3 配合比設計前的砂漿試件試驗

膠砂試件：每個侵蝕時間養護到齡期，對試件進行抗折強度測定并計算抗蝕系數[3]，以抗蝕系數≥0.8為抗侵蝕合格并作為判定標準[4]。

膠砂試件在淡水與SO42-溶液中浸泡(SO42-濃度分別為2 500 mg/L、5 000 mg/L、10 000 mg/L、20 000 mg/L的侵蝕溶液中，分別進行為期1個月、2個月、3個月、4個月、6個月、8個月、10個月、12個月時間的侵蝕模擬試驗)。膠砂試件配合比制備情況見表7。

砂漿試件在淡水、侵蝕溶液中不同時間的抗折強度與抗蝕系數見表8。

表7 膠砂侵蝕試驗試件配合比組成表

表8的試驗結果顯示：膠砂中摻礦渣微粉或粉煤灰50%或各25%時，含SO42-20 000 mg/L的溶液侵蝕12個月時的抗蝕系數≥0.8。

4 配合比設計

4.1 試配強度

抗侵蝕性能混凝土的試配強度按下式確定：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

式中fcu,o為混凝土試配強度(MPa)；fcu,k為混凝土強度標準值(MPa)；σ為混凝土強度標準差，當無統計數據時，混凝土可取4.5 MPa[5]。

根據混凝土配合比配制要求確定的抗侵蝕性能混凝土配合比見表9，對抗侵蝕混凝土抗侵蝕性能再次進行對比試驗，其配合比見表10。

4.2 混凝土抗壓強度耐蝕系數檢測

混凝土抗壓強度耐蝕系數見表11。

表11中的試驗結果顯示：混凝土中摻礦渣微粉或粉煤灰量為50%時，KS150抗壓強度耐蝕系數值為最高，混凝土中高摻礦渣微粉或粉煤灰可以改善混凝土抗SO42-侵蝕性能。同時，采用低水膠比能更好地改善混凝土抗侵蝕性，其原因在于低水膠比在減少水泥石孔隙的同時，又使超細礦粉在水泥漿中的顆粒填充作用更完善和更充分，極大地增加了混凝土的密實性，防止攜帶侵蝕介質的環境水入侵水泥石，從而有效提高了其抗侵蝕性。

4.3 配合比確定

根據試驗結果以及當地原材料情況，最終選定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比見表12。

5 應用情況及取得的效果

將采用該配合比的混凝土用于工程渠道面板、輸水渠涵、農渠交叉建筑物(渡槽、倒虹吸及涵洞)、排洪建筑物(納洪口、排洪涵洞、排洪渡槽)、縱橫排水、集水井、灌區連接渠、連接道路及交通橋地下建筑物施工，一年后，面板混凝土表面未見被侵蝕破壞痕跡，施工后的效果見圖2。

圖2 采用高抗侵蝕配合比生產的混凝土

表8 膠砂抗蝕系數表

備注：表中各欄中“/”左上方為抗折強度，單位“MPa”；右下方為抗蝕系數，欄中無數字表明抗蝕系數<0.8，抗侵蝕不合格。

表9 配制確定抗侵蝕性能混凝土的配合比表

表10 混凝土侵蝕試驗試件配比組成表

表11 混凝土抗壓強度耐蝕系數表

表12 最終確定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比表 /kg

6 結 語

新疆北疆地區地下水中普遍含有較高的硫酸根離子，若使用抗硫酸鹽水泥則拌制混凝土成本較高，故一般采用高摻粉煤灰以改善混凝土的抗侵蝕性能。該工程因運距較遠，成本亦比較高。使用當地礦碴粉兼有改善抗侵蝕性能成本較低且混凝土早期強度有保障等優點，取得了較好的工程效果。