輔助膠凝材料和外加劑對(duì)海工混凝土耐腐蝕性的影響

楊行興

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210000)

海洋工程由于長(zhǎng)時(shí)間受到海水或者海風(fēng)的影響，必然會(huì)對(duì)海洋工程中的混凝土結(jié)構(gòu)造成一定的腐蝕，從而影響到海洋工程的強(qiáng)度、質(zhì)量和耐久性。畢竟海水中的氯離子、鎂離子和硫酸根離子能夠通過(guò)混凝土的空隙來(lái)形成滲透的情況。氯離子滲透到鋼筋后會(huì)對(duì)鋼筋造成腐蝕，而鎂離子以及硫酸根離子則會(huì)造成混凝土膨脹出現(xiàn)裂縫的情況。由于工業(yè)工程受到環(huán)境侵蝕相對(duì)嚴(yán)重，因此使用壽命相對(duì)較短，而且因?yàn)槠茐囊约熬S護(hù)而消耗的成本也過(guò)高，因此對(duì)海洋工程混凝土耐腐蝕性的研究是非常重要的。

1 原材料選擇

在本試驗(yàn)中所采用的的原材料如下：首先是水泥，本次試驗(yàn)所采用的水泥利用了P·O42.5R級(jí)水泥，其細(xì)度為1.2%而密度則為3.08kg/m3。而粉煤灰則采用了二級(jí)灰，細(xì)度為22%而密度為2.35kg/m3。礦渣則利用了S95級(jí)礦渣，細(xì)度為0.9%，比表面積則是479kg/m2，而密度是2.87kg/m3。硅粉則是利用了EBS-S型硅粉，在經(jīng)過(guò)氮吸附法進(jìn)行檢測(cè)之后確定了比表面積為20g/m2，而密度是2.26kg/m3。

細(xì)集料則根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范進(jìn)行選擇，畢竟工業(yè)工程對(duì)于混凝土骨料質(zhì)量的要求非常高，因此本次試驗(yàn)采用了東江砂，其細(xì)度模數(shù)是2.6，而級(jí)配區(qū)則是二區(qū)的中砂，級(jí)配非常好，而表觀密度是2 630kg/m3，堆積密度則是1 410kg/m3，含泥量達(dá)到了2%，而泥塊含量則是0.5%，從中還包含了0.003%的氯離子。粗集料則利用了福州市場(chǎng)的碎石料，粒徑控制在5mm～31.5mm之間，級(jí)配也非常好，同時(shí)堆積密度是1 470kg/m3，表觀密度達(dá)到了2 590kg/m3，針片狀顆粒含量為5.4%，而含泥量是0.1%。而膨脹劑則是采用了HME-III型膨脹劑。

減水劑采用了兩種，首先是FDN型萘系液體緩凝減水劑，這個(gè)減水劑的固含量為29.2%，而氯離子則為0.029%；另外則是PCA-I聚羧酸緩凝高性能減水劑，其中固含量為24.1%，氯離子包含了0.008%，通常會(huì)利用到含硅粉的混凝土中。引氣劑則利用了GYQ-III型引氣型減水劑，其中固含量為30.7%而氯離子則包含了0.02%，引氣量為3%。防水劑則利用了KLJ-I型液態(tài)防水劑，其中固態(tài)含量為26.1%，氯離子則包含了0.02%。

2 試驗(yàn)采用的方法以及試驗(yàn)中的配合比

2.1 利用電量法對(duì)混凝土氯離子的腐蝕性進(jìn)行測(cè)試

該試驗(yàn)采用了美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電量法來(lái)對(duì)混凝土氯離子的腐蝕性進(jìn)行測(cè)量，而我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依然對(duì)此方法做了一定的參考，只不過(guò)我國(guó)混凝土的試驗(yàn)基本利用了立方體試驗(yàn)塊，而美國(guó)基本采用了圓柱體。因此，本試驗(yàn)將100mm×100mm×100mm的立方體切割而成了100mm×100mm×50mm試驗(yàn)塊來(lái)進(jìn)行該方法的試驗(yàn)。在進(jìn)行六小時(shí)的試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)50mm厚試驗(yàn)塊的電量值來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，如果電量值低則說(shuō)明了混凝土的抗?jié)B透性就越強(qiáng)。對(duì)于大部分陸地用的混凝土來(lái)說(shuō)，電流值小于1 500C就能夠充分滿(mǎn)足建設(shè)要求，而水下區(qū)域則需要電量值小于1 000C的才可滿(mǎn)足，對(duì)于混凝土耐久性要求更高的工業(yè)工程則需要小于800C才能確保其質(zhì)量。

2.2 強(qiáng)度比

本試驗(yàn)對(duì)于強(qiáng)度比的研究采用了全浸泡的方法，并且利用了100mm×100mm×100mm的立方體試驗(yàn)塊來(lái)進(jìn)行，并且在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的情況下浸泡28d進(jìn)行去除，在放入到5%的硫酸鈉溶液中繼續(xù)浸泡，而受腐蝕的時(shí)間則從試驗(yàn)塊浸泡到硫酸鈉溶液中開(kāi)始計(jì)算。之后再根據(jù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)齡期來(lái)取出浸泡在硫酸鈉溶液以及水中的試驗(yàn)塊，并且對(duì)二者混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出二者抗壓強(qiáng)度的區(qū)別。

硫酸鹽在對(duì)混凝土進(jìn)行侵蝕后會(huì)讓混凝土內(nèi)部形成一定的鈣礬石，而鈣礬石的結(jié)構(gòu)則是發(fā)射性針狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)互相緊密搭接，這種結(jié)構(gòu)非常有利于加強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，所以單純利用抗折強(qiáng)度來(lái)對(duì)比很難得出更加真實(shí)的數(shù)據(jù)，甚至不利于混凝土抗腐蝕性的后續(xù)研究工作，因此本試驗(yàn)則改用了對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確?？垢g性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.3 試驗(yàn)配合比

本試驗(yàn)的用水量統(tǒng)一化制定為170kg/m3，并且在進(jìn)行改變水膠比、摻合料類(lèi)型和摻量以及摻入到混凝土中各種能夠提高混凝土抗?jié)B能力的材料，從而得到耐久性最高而且成本最低的幾種配合比。在對(duì)各種配合比進(jìn)行試驗(yàn)之后，除了摻入硅粉的配合比粘，其他配合比的和易性都非常好，而且試驗(yàn)的配合比坍落度也能夠控制在160mm～200mm之間，1h的坍落度損失能夠控制在30mm之內(nèi)。摻入硅粉的混凝土在混入FDN型萘系液體緩凝減水劑為2.5%的時(shí)候，硅粉混凝土的流動(dòng)性會(huì)稍顯不足，因此，需要增大減水劑的用量，不過(guò)在減水劑增加到2.8%時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)和易性以及可泵性不佳的情況，而且凝結(jié)的時(shí)間也非常長(zhǎng)，因此，后期的試驗(yàn)便改成了PCA-I聚羧酸系緩凝高性能減水劑，其和易性以及可泵性的效果會(huì)更好一些。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水灰比的影響

首先是水灰比對(duì)混凝土抗氯離子腐蝕的情況，其中電量值也直接反應(yīng)了混凝土對(duì)氯離子抗腐蝕性能的優(yōu)劣性。在試驗(yàn)中我們可以得知，混凝土的電量值也會(huì)隨著水灰比的上升而上升，其中每上升0.5則會(huì)增加200C電量值，其中水灰比越大而電量值的增加也會(huì)越來(lái)越明顯。由此可見(jiàn)，對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響基本存在兩種情況，首先是混凝土對(duì)于氯離子滲透擴(kuò)散的阻力，其次則是混凝土對(duì)氯離子物理結(jié)合或者化學(xué)結(jié)合的能力，也就是固化能力?；炷翆?duì)于氯離子滲透的阻力會(huì)受到混凝土的密實(shí)性以及空隙結(jié)構(gòu)所干擾。不過(guò)在提高混凝土水灰比的過(guò)程中，必然會(huì)出現(xiàn)泌水的情況，因此也會(huì)造成骨料以及漿體變得相對(duì)疏松，而且泌水也會(huì)對(duì)沒(méi)有規(guī)則的毛細(xì)孔通道進(jìn)行連通，從而減少了混凝土的抗?jié)B性，造成外部介質(zhì)更加容易入侵到里面，進(jìn)而影響了混凝土的耐久性。其次則是混凝土的抗硫酸鹽侵蝕，這方面可以通過(guò)觀察混凝土的抗壓強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行對(duì)比，從試驗(yàn)中我們可以得知，當(dāng)水膠比從0.4上升到0.45的時(shí)候，強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)減少，曲線(xiàn)也會(huì)形成水平狀態(tài)，而在超過(guò)0.45時(shí)則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度曲線(xiàn)下降的情況，因此可以得知水膠比的上升也會(huì)對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕的能力帶來(lái)極大的負(fù)面影響。畢竟硫酸鹽是利用其擴(kuò)散的形式進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，而且會(huì)和水化產(chǎn)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并且產(chǎn)生結(jié)晶膨脹而破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。在提高混凝土水膠比的過(guò)程中，水泥石中連通的毛細(xì)孔通道會(huì)增加，進(jìn)而降低了混凝土的抗?jié)B性。因此，水膠比過(guò)大的情況下必定會(huì)出現(xiàn)泌水的情況，進(jìn)而造成外部硫酸根離子的侵入，從而讓混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力得到顯著下降。

3.2 凝膠材料的影響

首先是凝膠材料對(duì)抗氯離子侵蝕性能的影響，在試驗(yàn)中我們可以得知，不同比例雙摻粉煤灰以及礦渣混凝土的電量變化，在摻入25%的粉煤灰后混凝土的電量會(huì)出現(xiàn)大幅度下降的情況，會(huì)接近空白樣的30%，而降摻合料的摻量增加到45%的時(shí)候，電量依然會(huì)出現(xiàn)下降的情況，因此可以得出摻合料對(duì)于混凝土電量值的降低是非常有用的，所以能夠加強(qiáng)混凝土對(duì)于氯離子侵蝕的抵抗力。因此當(dāng)摻合料保持在45%的時(shí)候，粉煤灰以及礦渣改變，尤其是礦渣比例的提高，更有利于加強(qiáng)混凝土的抗氯離子滲透性。其次則是抗硫酸鹽的侵蝕，在對(duì)雙摻粉煤灰以及礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)后我們可以得知，加入25%粉煤灰后的混凝土強(qiáng)度會(huì)得到有效提升，因此摻合料的產(chǎn)量也會(huì)促進(jìn)強(qiáng)度的增加，也就是能夠有效提升混凝土的抗硫酸鹽性能。當(dāng)摻合料的產(chǎn)量加大時(shí)，對(duì)于加強(qiáng)混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能便會(huì)更加有利。

3.3 外加劑的影響

首先是外加劑的抗氯離子侵蝕性能，在對(duì)二次摻入15%粉煤灰以及30%礦渣的基礎(chǔ)上在加入其它改善混凝土抗氯離子滲透能力組分后可以得到混凝土的電量，在進(jìn)行分析后得出，外加劑能夠有效改變混凝土對(duì)氯離子的抗?jié)B透能力，而改善能力為硅粉會(huì)大于膨脹劑，膨脹劑大于引氣劑，而引氣劑則大于防水劑。在對(duì)硅粉和膨脹劑進(jìn)行復(fù)摻之后我們發(fā)現(xiàn)，電量值比單獨(dú)摻入等量硅粉會(huì)增加不少，因此可以得出恢復(fù)加膨脹劑并不能產(chǎn)生良好的疊加反應(yīng)。而防水對(duì)于加強(qiáng)混凝土耐久度來(lái)說(shuō)是非常重要的，尤其是防水所形成的隔離層，能夠有效改變混凝土的表面性質(zhì)，從而防止氯離子的入侵，進(jìn)而減緩混凝土的老化。其次則是抗硫酸鹽腐蝕的性能。在對(duì)二次摻入15%粉煤灰以及30%礦渣的基礎(chǔ)上在加入其它改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力組分后，我們可以得到混凝土抗壓情況的變化。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后我們可以發(fā)現(xiàn)，所有措施都能有效改善混凝土中的抗硫酸鹽腐蝕能力，尤其是引氣劑以及膨脹劑，防水劑相對(duì)不足，而硅粉則是最后。若是將硅粉和膨脹劑進(jìn)行復(fù)合，則效果會(huì)介于單獨(dú)摻入硅粉和膨脹劑之間。其中防水劑能夠在混凝土的外面形成有效的隔離層，確保能夠阻止硫酸鹽的侵入，因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)更有利于抵抗硫酸鹽的腐蝕性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在完成實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析我們可以得出如下結(jié)論。

(1)水灰比對(duì)于混凝土抗?jié)B性的影響是成正比的，如果水灰比越大，混凝土的抗?jié)B性影響也會(huì)越大，若是水灰比超過(guò)0.45時(shí)，混凝土的抗?jié)B性則會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)離析泌水而產(chǎn)生大幅度下降的趨勢(shì)，同時(shí)混凝土的抗氯離子以及抗硫酸鹽侵蝕的性能也會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(2)粉煤灰以及礦渣等礦物的摻合料能夠有效改變水化產(chǎn)物以及優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，有致于混凝土抗?jié)B性的提升。而且摻合料本身具有非常強(qiáng)大的初始固化能力以及二次水化反應(yīng)物的物理化學(xué)吸附和固化作用，因此能夠非常有效地減少氯離子在混凝土中的滲透速度，并且加強(qiáng)混凝土中抵抗氯離子侵蝕的能力，同時(shí)礦渣的吸附能力要強(qiáng)于粉煤灰的吸附能力，因此，礦渣更有利于加強(qiáng)混凝土抗氯離子的侵蝕性。

(3)粉煤灰和礦渣等摻合料所產(chǎn)生的二次水化物能夠有效降低水泥石的孔隙率，從而確保水泥石密實(shí)性的增加，而且還會(huì)對(duì)水化產(chǎn)物進(jìn)行優(yōu)化，有助于提高混凝土整體的抗硫酸鹽腐蝕能力。同時(shí)由于礦渣的微細(xì)集料和活性效應(yīng)變得更加顯著，因此，在改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕性的過(guò)程中會(huì)顯現(xiàn)出更加明顯的作用。

(4)在海洋工程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)利用到改善混凝土抗氯離子腐蝕的措施，各措施對(duì)混凝土抗氯離子腐蝕的改善能力為硅粉大于膨脹劑大于引氣劑大于防水劑，畢竟硅粉具有非常強(qiáng)的填充作用，而且還具有高火山灰活性的優(yōu)勢(shì)，因此，硅粉成為了改善混凝土抗氯離子腐蝕性最理想的外加劑。

(5)在海洋工程當(dāng)中經(jīng)常會(huì)利用到改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕的措施，各個(gè)措施對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕的改善能力為硅粉大于膨脹劑大于引氣劑大于防水劑，該措施同樣運(yùn)用了硅粉具有強(qiáng)填充作用以及具有高火山灰活性的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)硅粉的價(jià)格過(guò)高，而且在使用之后會(huì)產(chǎn)生混凝土和易性不容易控制的情況，因此在實(shí)際的操作和應(yīng)用過(guò)程中，可以盡量利用效果稍有不足但成本較低的膨脹劑。

(6)如果將硅灰以及膨脹劑進(jìn)行復(fù)摻的話(huà)，混凝土的抗?jié)B性反而會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在完成復(fù)摻實(shí)驗(yàn)并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析之后我們可以得出如下結(jié)論：摻入有利于提高混凝土抗?jié)B性的材料和組分時(shí)一定要對(duì)其摻入量進(jìn)行控制，摻入量過(guò)高則會(huì)對(duì)混凝土本身的密實(shí)結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，進(jìn)而會(huì)造成混凝土抗氯離子和抗硫酸鹽侵蝕能力出現(xiàn)降低情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)之后我們能夠清楚的了解輔助膠凝材料以及外加劑對(duì)于海洋工程混凝土抗腐蝕性的影響，并且得出一系列的結(jié)論和措施，像是控制水膠比在0.45左右、加強(qiáng)粉煤灰和礦渣的摻合料、積極在混凝土中摻入硅粉、利用粉煤灰以及礦渣摻合料的二次水化物可以減少水泥石的孔隙率等等，希望能為海洋工程混凝土抗腐蝕性的發(fā)展提出一些寶貴的意見(jiàn)。