耐堿混凝土在工業工程應用中的研究

何 潘

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在有色冶金行業，尤其是氧化鋁行業，在生產過程中有使用堿液(強堿)過程或者在生產不正常情況下或設備故障導致堿液從管道里或者容器里不可避免的跑、冒、滴、漏，使得建構筑物很容易受堿腐蝕。耐堿混凝土是一種特種混凝土，混凝土結構工程的基礎、樓地面、管道支墩、池槽等都可能因為受堿介質的腐蝕，導致其全面破壞。嚴重的堿腐蝕，對生產過程造成了重大影響，帶來了極大的經濟損失，還對環境造成極大的污染，所以混凝土的耐堿性問題頗受工業建筑行業的關注。

1 耐堿混凝土外加劑

早在50年代，因為對無機材料研究不夠，可供選擇的材料比較少，耐堿砼中比較多的選擇了膨脹劑，結果造成了許多麻煩。由于氧化鋁廠出現的堿腐蝕破壞問題越來越多，我們需要一種新的耐堿外加劑使混凝土在40 ℃以下時，抗壓強度≥20 MPa，抗滲標號≥1.2 MPa，可耐腐蝕介質堿液濃度為30 %的氫氧化鈉、氨水、鋁酸等；當在40～80 ℃時能耐腐蝕介質堿液濃度為15 %～30 %濃度的強堿、氨水、碳酸鈉、及堿性氣體和粉塵等。它主要應用于受堿介質腐蝕的基礎、地面、池槽等混凝土結構工程。就針對提高耐堿混凝土抗化學、物理腐蝕能力及耐久性，耐堿外加劑是其它混凝土添加劑無法替代的。

2 耐堿混凝土外加劑的原理

混凝土在腐蝕性介質的長時間作用下，根據其對混凝土劣化的程度，可以造成外觀變化、重量變化、強度損失以及腐蝕速度等因素。筆者從實際出發，采用研究規范和多種模擬相結合的研究方法，對建筑材料混凝土材料性能的規律性及特殊性分析研究，論證了混凝土在堿性環境中的破壞機理，破壞性不僅是化學腐蝕，更深層次的物理腐蝕破壞為腐蝕破壞的主導，更加充分地為工業建筑耐堿防腐工程提供了科學依據。

文章突出了之前研究混凝土耐腐蝕局限于材料研究的思路，提出了堿在混凝土中的結晶應力是造成混凝土堿腐蝕的主要原因。主要對耐堿混凝土的組成材料、配合比優化設計進行研究。

3 摻加耐堿混凝土外加劑配合比設計建議

與普通混凝土配合比不同，耐堿混凝土配合比要求密實度高，強度符合設計要求，耐磨性能好等。按照現有強度理論，影響混凝土耐蝕性能的主要因素是混凝土密實度，從原則上來講如果改善提升了混凝土的密實度就會同時提升混凝土的耐酸堿能力。針對耐堿混凝土主要參考體積堆積的理論進行專門的配合比的設計與優化。

3.1 材料的選取

水泥：強度等級為42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

細骨料：細骨料選取為I類2區中粗砂，顆粒級配為過5 mm篩孔的累計篩余量0 %～10 %、過1.25 mm篩孔的累計篩余量10 %～50 %、過0.315 mm篩孔的累計篩余量70 %～92 %、過0.16 mm篩孔的累計篩余量90 %～100 %的砂子為宜。

粗骨料：粗骨料選取顆粒級配為過25 mm篩，孔的累計篩余量0 %～5 %、過16 mm篩孔的累計篩余量30 %～70 %、過5 mm篩孔的累計篩余量90 %～100 %的碎石或卵石為宜。

減水劑：萘系高效減水劑或聚羧酸系高性能減水劑。

摻合料：宜使用比表面積大于350 m2/g的超細礦粉材料。

外加劑：主要為DY-1、DY-2或者DY-4耐堿混凝土外加劑。

3.2 試配試驗注意事項

(1)按照最緊密堆積法設計出的配合比進行準確稱量；

(2)將水泥、摻合料、耐堿混凝土外加劑、細骨料和粗骨料進行混合均勻后，得到干拌料；

(3)將水和減水劑加入所述步驟(2)所得的干拌料中，混合均勻后即可成型。

(4)成型后特別注意對混凝土進行養護，避免產生裂縫。

4 工程實例

云南文山鋁業有限公司800 kt/a氧化鋁及其配套礦山項目、云南文山鋁業有限公司600 kt/a氧化鋁技術升級提產增效項目，根據生產過程中產生介質的腐蝕性，環境條件、生產操作及管理水平和施工維修條件等，因車間制宜，區別對待。涉及到有腐蝕性介質堿液、堿性氣體和粉塵等侵蝕的墻地面、高壓溶出系統、分解分級槽系統、鋼結構系統、設備基礎、設備基礎孔洞二次灌漿找平細石混凝土以及排水溝等等。未做耐堿處理，后期將影響建構物的結構安全及對廠區周邊環境造成一定的堿污染。

下面就工業建設項目耐堿混凝土進行研究。

4.1 配合比實驗及選材

4.1.1 原材料要求

(1)水泥

水泥為無機水硬性膠凝材料，是很重要的建筑材料，在建筑工程中有著很廣泛的應用。而水泥品種非常多，耐堿混凝土要使用硅酸鹽含量比較多、鋁酸鹽含量比較少的普通硅酸鹽水泥，這里重點要注意的是鋁酸三鈣(C3A)，水泥原材料中其含量不應該超過9 %，該工程選用的是華新水泥(紅河)有限公司生產的品種強度為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，應符合GB175-2007標準要求。具體的標準見表1。

表1 紅河P.O 42.5水泥的檢測結果

(2)細骨料

細骨料應因地制宜選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗山砂、機制砂。該工程選用的是文山當地砂石場生產的機制砂，符合JGJ52-2006標準要求。具體的標準見表2。

表2 機制砂試驗檢測結果

(3)粗骨料

該工程選用的是文山當地砂石場生產的碎石，粗骨料應選用公稱粒徑、級配較合理，質地均勻堅固，膨脹系數、含泥量較小的干凈的碎石、鵝卵石。

粗骨料的最大公稱粒徑應≤鋼筋的混凝土保護層厚度的2/3，同時≤鋼筋最小間距的3/4。

粗骨料松散堆積密度為1 600 kg/m3，空隙率為41 %，吸水率為1 %(用于干濕交替或凍融環境下的混凝土應<1 %)。

當粗骨料為碎石時，碎石的強度用巖石抗壓強度表示，且巖石抗壓強度與混凝土強度等級之比應≥1.5。施工過程中碎石的強度可用壓碎指標值進行控制，若粗骨料為鵝卵石，鵝卵石的強度用壓碎指標值表示。

粗骨料應符合JGJ52-2006標準要求。具體標準見表3。

表3 碎石試驗檢測結果

(4)減水劑

減水劑使用的昆明市鴻格新型建材有限公司，昆明市鴻格新型建材有限公司生產的聚羧酸系高效減水劑，減水率在14 %以上，符合GB 8076-2008、GB/T8077-2012標準要求。具體的標準見表4。

表4 羧酸系高效減水劑試驗檢測結果

(5)摻和料

粉煤灰使用陽宗海發電有限公司生產的粉煤灰摻和料，符合GB/T1596-2017的標準要求。具體標準見表5。

表5 粉煤灰試驗檢測結果

(6)外加劑

耐堿混凝土外加劑是堿腐蝕的混凝土復合外加劑。由于它有改善混凝土的亞微觀結構，改善骨料與水泥石的界面性能，可以提高混凝土的密實度，從而提高了抗滲性能，增加混凝土抗化學腐蝕和抗物理腐蝕的能力，是理想的耐堿混凝土外加劑。該工程主要使用DY-1、DY-2、DY-4型外加劑：①DY-1用于腐蝕介質堿液濃度為30 %，溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的樓地面的混凝土；②DY-2用于腐蝕介質堿液氣溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的地上承重結構的混凝土；③DY-4用于地下工程(各類基礎、設備基礎等)的抗硫酸鹽或氯鹽的腐蝕環境的混凝土。

主要技術性能及指標見表6、表7、表8。

表6 DY-1主要技術性能及指標

表7 DY-2主要技術性能及指標

勻質性指標物理力學性能指標項目指標項目指標含水量/%3±1pH值8～11硫酸鈉含量/%≤1抗壓強度比/%3 d907 d9028 d100氯離子含量/%<0.1耐堿蝕系數/%≥0.8堿含量/%≤5抗滲等級/MPa2.6——————收縮率比/(28d/%)≤110——————抗氯離子滲透性(電通量)C<1 500

表8 DY-4主要技術性能及指標

注意事項：

①施工與驗收按行業技術規范及《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(BG50204)的有關規定。

②每立方米混凝土摻DY-1添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。

③DY-1改性耐堿混凝土攪拌時間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32～34 %。

4.2 性能試驗及試驗結果

耐堿混凝土是一種使用范圍較小、專業性要求強的特種混凝土，目前國家還沒有現行規范及標準，所以不同氧化鋁項目的耐堿混凝土沒有統一的標準來配制，工程質量參差不齊，甚至一些工程中被誤認為可以用抗滲混凝土來代替，因此出現了較多的質量問題。

4.2.1 耐堿混凝土性能試驗

該試驗為模擬現實條件的環境介質及溫度狀態變化對混凝土的破壞，因暫無國家及行業相關標準，故做如下介紹：

(1)用于腐蝕介質堿液濃度為30 %，溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的樓、地面工程的混凝土。

每立方混凝土摻DY-1添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。DY-1改性耐堿混凝土攪拌時間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。30 %NaOH堿液浸泡120天。

(2)用于腐蝕介質堿液溫度為40 ℃以下，受干濕交替作用的地上承重結構的混凝土。

每立方混凝土摻DY-2添加劑，占總膠凝材料的8 %(外摻)。DY-2添加劑混凝土攪拌時間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

(3)用于地下工程(各類基礎、設備基礎等)的抗硫酸鹽或氯鹽的腐蝕環境的混凝土。

每立方混凝土摻DY-4添加劑，占總膠凝材料的8 %(內摻)。DY-4添加劑混凝土攪拌時間延長30～60 s，水膠比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

主要對外加劑勻質性指標、耐堿混凝土性能指標進行試驗。

4.2.2 試驗結果，見表9、表10。

表9 外加劑勻質性指標

表10 耐堿混凝土主要性能指標

耐堿混凝土的腐蝕試驗是一個較長時間的過程，用其作為具體指標來控制現場質量是比較難的，用抗滲指標來衡量，容易讓人誤解為抗滲效果好就是耐堿效果好，所以應該用抗滲指標和耐堿指標共同來衡量耐堿的質量。工程上只要正確使用耐堿外加劑，同時達到抗滲要求，混凝土就可以達到耐堿效果，具備了耐堿及抗滲的共同效果。耐堿外加劑中除考慮了抗滲效果外，還添加了防堿腐蝕的組分，它兼備了抗滲、耐堿腐蝕、提高強度等諸多優點。

4.3 耐堿混凝土施工應符合下列規定

(1)耐堿混凝土宜用機械攪拌，時間不少于2 min；

(2)耐堿混凝土宜采用泵送方式和2次振搗工藝；

(3)耐堿混凝土施工時按施工規范要求用振搗棒慢慢的從下到上進行反復操作，振搗時應避免過振或者漏振，這樣就可以減少混凝土施工過程中里面產生的氣泡，讓混凝土變得更加的密實，以更高的密實度來避免侵蝕性介質侵蝕。

(4)要求一次澆筑不留施工縫，樓地面應在漿體初凝至終凝之間進行2次找坡抹平壓實，禁止鋪撒干水泥。

(5)耐堿混凝土地面的伸縮縫所用嵌縫材料應選用耐堿能力強、溫度敏感性低的耐堿嵌縫膠泥，不推薦使用常用的瀝青、聚氯乙烯等材料。

(6)耐堿混凝土現場施工作業完成后，按照要求進行圍擋，禁止無關人員進入，避免人為損壞。

(7)保濕和養護持續時間不宜少于14 d，應經常檢查塑料薄膜或養護劑涂層的覆蓋及養護情況，并要確保混凝土表面處于濕潤狀態。

5 結 語

耐堿混凝土作為一種特種混凝土，其所用的主要膠結材料為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，混凝土本身也是堿性的，具有一定抗堿能力，在堿性介質作用下，可能2、3年內不會出現腐蝕，但時間一長，其腐蝕破壞的嚴重性就會顯現出來，即使是一個微小的孔隙，也可能導致混凝土結構的全面破壞。

另外，作為一個整體防護體系，耐堿混凝土地面的伸縮縫所用嵌縫材料也是防護體系的重要組成部分，若選用普通的材料，即便混凝土耐堿質量再好，也會因為嵌縫材料被堿性介質破壞導致全面破壞。如常用的瀝青材料，聚氯乙烯材料由于溫度敏感性、老化及遇堿變脆等特性，一段時間后，伸縮縫就會遭到堿介質破壞，使得混凝土地面全面破壞，從而使得整個防護體系全面破壞。只有耐堿混凝土外加劑加上耐堿嵌縫膠泥共同使用，才能構筑起有效的防護體系，取得良好的效果。也使廠區地下水含堿量達到國家環保驗收標準，達到國內甚至是國際先進水平，同時取得顯著的經濟效益和社會效益。