凍融-硫酸鹽多因素耦合下新型抗凍耐酸耐鹽混凝土材料研究

趙多明

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國北疆地區(qū)土中含有大量具有腐蝕性的硫酸根和氯離子，北疆地區(qū)冬季寒冷且漫長，高寒區(qū)冬季最低溫度可達(dá)零下40℃，受晝夜溫差等不良因素，混凝土建筑在凍融循環(huán)的和腐蝕性鹽和酸的環(huán)境中，其強度和耐久性備受考驗[1]。

對于在凍融條件下硫酸鹽侵蝕混凝土，目前開展了大量的研究[2- 6]，李欣然等通過質(zhì)量損失率、質(zhì)量衰減規(guī)律、彈性模量和抗壓強度幾個方面研究了凍融條件下混凝土的特性，并研究發(fā)現(xiàn)水膠比達(dá)到0.35時，水工混凝土的耐久最優(yōu)[7]。薛國斌等開展了混凝土碾壓試驗，研究了混凝土在凍融和Na2SO4溶液耦合下的損傷機理[8]。余雪峰等研究了混凝土在自然侵蝕、凍融干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕下的質(zhì)量損失等一系列力學(xué)試驗，研究發(fā)現(xiàn)抗壓強度與侵蝕時間存在良好的線性關(guān)系[9]。李小山在混凝土中加入粉煤灰，以降低碳排放和節(jié)約能源的角度出發(fā)，研究了加入粉煤灰后混凝土在凍融和Na2SO4溶液耦合下的力學(xué)特性和宏觀特性[10]。

渠道混凝土在運行期間受到各種復(fù)雜因素的影響，其中包括力學(xué)、物理、化學(xué)等多方面的因素，以上研究都只是從單方面研究了凍融-硫酸鹽耦合下的混凝土的耐久性，而現(xiàn)實渠道運行中應(yīng)該考慮抗鹽腐蝕和抗硫酸腐蝕的多重環(huán)境影響，才能真正的反應(yīng)混凝土的真實情況。

為此，本研究對不同配比的混凝土面板材料的抗酸和抗鹽性能試驗，同時針對混凝土面板連接的關(guān)鍵位置，混凝土接縫止水材料的鹽凍性能進(jìn)行了單面鹽凍和快速鹽凍試驗研究，為我國西北低溫鹽堿環(huán)境混凝土渠道的正常運行提供了技術(shù)支持。

1 原材料及性能

1.1 水泥

采用天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.I42.5硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能試驗結(jié)果見表1。由檢驗結(jié)果可知，所檢項目均符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中42.5的技術(shù)要求。

表1 水泥物理力學(xué)性能檢驗結(jié)果

1.2 粉煤灰

試驗中使用的粉煤灰由烏魯木齊四匯通錦建材科技有限公司生產(chǎn)。粉煤灰各項物理性能檢測結(jié)果見表2。由檢驗結(jié)果可知，所檢項目符合GB 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級粉煤灰技術(shù)要求。

表2 粉煤灰技術(shù)性能檢驗結(jié)果

1.3 礦渣微粉

本次試驗采用的是強聯(lián)礦粉有限公司生產(chǎn)的礦粉，其各項物理、化學(xué)性能檢測結(jié)果符合GB 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粉化高爐礦渣粉》中(S75)技術(shù)要求。

1.4 骨料

粗、細(xì)骨料均為烏魯木齊河的砂石骨料，其各項技術(shù)性能檢測結(jié)果符合SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》技術(shù)要求。

1.5 外加劑

采用五家渠格輝新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑和引氣劑。

1.6 水

烏魯木齊地下水水質(zhì)較好，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中技術(shù)指標(biāo)要求。

2 耐鹽混凝土面板材料

2.1 不同配合比抗壓強度

混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計主要包括配合比參數(shù)的確定、計算、試配和調(diào)整等步驟。配合比設(shè)計原則按SL 677—2014規(guī)定滿足混凝土強度和耐久性的要求。本次試驗混凝土配合比及其對應(yīng)抗壓強度見表3。

從表3可以看出，KT- 1配比下的混凝土90d抗壓強度最大，具有較高的強度。KT- 2、KT- 3配比下的混凝土90d抗壓強度也達(dá)到了40MPa以上。

表3 抗凍耐鹽混凝土配合比及抗壓強度

2.2 抗鹽性能測試與結(jié)果分析

2.2.1抗硫酸性能

試驗按GB 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗”進(jìn)行，侵蝕介質(zhì)為濃度5%的Na2SO4溶液選取濃度為5%。具體試驗步驟不再贅述。根據(jù)不同循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的抗壓強度變化來評判混凝土抗硫酸鹽性能。不同配比下的混凝土抗硫酸鹽性能見表4。

表4 不同配合比混凝土抗硫酸鹽性能

試驗結(jié)果表明，各組配合比抗壓強度耐蝕系數(shù)均大于75%，均能達(dá)到KS120的抗硫酸鹽等級；摻礦渣粉和激發(fā)劑組的耐腐蝕系數(shù)較大，不摻粉煤灰或者礦渣粉的配比耐蝕系數(shù)偏低。

2.2.2合抗鹽腐蝕性能

表5 不同配合比混凝土抗鹽腐蝕性能

對比表4和表5發(fā)現(xiàn)，90次凍融循環(huán)后，各種試件的抗硫酸性能高于抗鹽性能。

KT- 4配比下的混凝土抗鹽腐蝕性能最好，KT- 2、KT- 3、KT- 4配比下的混凝土120次循環(huán)后的抗壓強度耐蝕系數(shù)也都在85%以上。

3 渠道面板接縫止水混凝土材料

3.1 單面鹽凍性能測試與結(jié)果分析

根據(jù)混凝土抗壓強度等相關(guān)綜合因數(shù)分析，選定相同水膠比0.40、摻粉煤灰、礦渣微粉不同摻量進(jìn)行單面凍融試驗，選用不同的鹽溶液侵蝕介質(zhì)為2%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液和5%NaCl溶液來檢測混凝土在不同環(huán)境中的質(zhì)量損失、相對動彈性模量和吸水率，其單面凍融試驗方案見表6。

表6 單面凍融試驗方案

不同侵蝕溶液中進(jìn)行單面鹽凍試驗，試件質(zhì)量損失和動彈性模量損失結(jié)果統(tǒng)計如圖1—3所示。28次單面凍融試驗后試件表面剝蝕程度如圖4所示。

從圖1—3中可以看出，試驗溶液為5%氯化鈉溶液、2%硫酸鈉溶液，經(jīng)過單面凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失的規(guī)律是KT- 8

圖1 試樣在5%硫酸鈉溶液凍融相質(zhì)量損失和對動彈性模量

圖2 試樣在5%氯化鈉溶液凍融相質(zhì)量損失和對動彈性模量

圖3 試樣在2%硫酸鈉溶液凍融質(zhì)量損失相對動彈性模量

由試驗結(jié)果可知，在試驗液體為5%硫酸鈉溶液，經(jīng)過單面凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失的規(guī)律是KT- 7

圖4 試樣28次單面凍融循環(huán)后照片

上述試驗數(shù)據(jù)顯示，相同混凝土配合比在不同試驗溶液環(huán)境中，混凝土在5%氯化鈉溶液下的抗凍性最差，2%硫酸鈉溶液下的抗凍性次之，5%硫酸鈉溶液下的抗凍性最好；在試驗溶液為5%硫酸鈉溶液中，摻入20%粉煤灰經(jīng)過112次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失最小，說明在5%硫酸鹽環(huán)境中，抑制對硫酸鹽侵蝕效果最佳；在混凝土抗壓強度、含氣量、坍落度等基本相同的情況下，單摻礦渣微粉沒有復(fù)摻(礦粉+粉煤灰)抵抗硫酸鹽侵蝕好；粉煤灰對硫酸鹽的抵抗侵蝕能力優(yōu)于礦渣微粉；無論是硫酸鹽侵蝕還是氯鹽侵蝕，優(yōu)先在混凝土中摻加粉煤灰，其次是粉煤灰+礦渣微粉。大摻量摻合料應(yīng)使用在齡期較長的部位。

3.2 快速鹽凍性能測試與結(jié)果分析

試驗選用不同的試驗液體，即蒸餾水、2%硫酸鈉、5%硫酸鈉的溶液，來測定動彈模量和質(zhì)量損失率。根據(jù)混凝土抗壓強度試驗結(jié)果，混凝土快速凍融試驗方案見表7。

表7 快速凍融試驗方案

依據(jù)試驗方案，到28d試驗齡期后，按每50個循環(huán)進(jìn)行質(zhì)量損失和動彈性模量檢測其試驗結(jié)果如圖5—7所示。

由圖5—7可見，在凍融介質(zhì)為水溶液和2%硫酸鈉溶液300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失為KT- 8﹤KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6，但在相同水膠比的情況下，摻合料越多，其質(zhì)量損失越大，水膠比越大，質(zhì)量損失也越大；而在凍融介質(zhì)為5%硫酸鈉溶液中，300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失為KT- 7﹤KT- 9﹤KT- 6﹤KT- 8，摻入摻合料后，300次凍融循環(huán)質(zhì)量損失比不摻小，特別是摻20%的粉煤灰質(zhì)量損失是不摻粉煤灰的2.3倍；此外，單摻20%粉煤灰(KT- 7)，其無論是在水溶液中還是在5%硫酸鈉溶液中經(jīng)過300個凍融循環(huán)之后的質(zhì)量損失相差不大；在摻合料摻量相同的情況下，水膠比越大，質(zhì)量損失也越大；0.45水膠比，300次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失﹥5%，在摻合料摻量為60%的情況下，0.45水膠比是0.40水膠比質(zhì)量損失的1.8倍；不摻礦物摻和料(KT- 8)的混凝土，在不同濃度的硫酸鈉溶液下經(jīng)過300個凍融循環(huán)之后，其混凝土的質(zhì)量損失率隨溶液濃度的增高而增大，5%硫酸鈉溶液中質(zhì)量損失率是在2%硫酸鈉溶液下的2.6倍，是在水溶液中的8.7倍。

圖5 水溶液凍融循環(huán)下質(zhì)量損失和相對動彈性模量

圖6 試樣在2%硫酸鈉溶液凍融循環(huán)下質(zhì)量損失和相對動彈性模量

圖7 試樣在5%硫酸鈉溶液凍融循環(huán)下質(zhì)量損失和相對動彈性模量

由此可見，混凝土以硫酸鈉溶液為凍融介質(zhì)時摻加20%粉煤灰后質(zhì)量損失最少。其原因是，摻加20%粉煤灰之后粉煤灰微小顆粒的填充效應(yīng)進(jìn)一步提高了混凝土的密實性，從而提高混凝土的抗凍性能。大摻量混凝土出現(xiàn)2%硫酸鹽下的凍融質(zhì)量損失大于5%硫酸鹽下的質(zhì)量損失的原因:大摻量混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)過了微集料的填充作用，但是其自身前期水化速度慢，生成的水化硅酸鈣膠凝較少導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空隙填充不充分導(dǎo)致強度低，從而引起抵抗外界破壞的能力越弱。

4 結(jié)論

圍繞高寒區(qū)供水渠道混凝土，開展凍融與鹽侵蝕共同作用下的混凝土損傷劣化研究。主要結(jié)論如下：

(1)礦物摻量降低了混凝土強度和低濃度鹽溶液中的抗凍融性能，但提高了其在高濃度鹽溶液中的抗凍融和耐腐蝕性能。

(2)針對硫酸鹽和氯鹽的侵蝕，應(yīng)優(yōu)先在混凝土中摻加粉煤灰，其次是粉煤灰+礦渣微粉。大摻量摻合料應(yīng)使用在齡期較長的部位。KT- 6配比下的混凝土較適合作為面板止水封的材料。研究可為咸寒區(qū)水利工程摻礦物混凝土材料的配比選擇提供參考。