復合防腐劑摻量與井壁混凝土力學性能的關系研究

李智飛，李 斌，歐陽廣錢，韋寶寧，高利利

（陜西能源趙石畔煤電有限公司，陜西 榆林 719199）

0 引言

在井筒施工過程中，常受地下水的侵蝕危害，我國地下水中具有腐蝕性的鹽害離子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-等，這些鹽害離子隨著高礦化度滲流水沿著混凝土表面的裂縫滲透到混凝土內部，通過化學反應對井壁混凝土產生各種腐蝕損傷，使其耐久性和強度大大下降。目前，對硫酸鹽腐蝕地區(qū)的礦井井壁混凝土侵蝕機理和防腐蝕措施研究尚未成熟，需要進一步探究其機理，以保證井筒的長期穩(wěn)定性。陜北榆橫礦區(qū)趙石畔礦井地下水硫酸鹽含量較高，對于復合防腐劑摻量對井壁混凝土防腐蝕性能尚未明確，因此，本文研究復合防腐劑摻量與井壁混凝土力學性能及破壞特征的關系，為井筒混凝土防腐蝕設計奠定基礎。

1 趙石畔井筒含水層腐蝕性

趙石畔礦井地下水可劃分為6個含水層，主要腐蝕性含水層均集中在侏羅系各含水巖組，具體主要包括侏羅系中統安定組碎屑巖類裂隙承壓水、侏羅系中統直羅組碎屑巖類裂隙承壓水、侏羅系中統延安組碎屑巖類裂隙承壓水。其中，安定組砂巖段裂隙承壓水、延安組砂巖裂隙承壓水和直羅組砂巖段裂隙承壓水的水化學類型分別為SO4-Na、SO4-Na和SO4-Na·Mg。安定組砂巖段裂隙承壓水、直羅組砂巖段裂隙承壓水和延安組砂巖裂隙承壓水的礦化度分別為9192、8110、5618.27-9485.45 mg/L。可以看出，趙石畔井筒穿過的含水層礦化度較高，局部接近10 000 mg/L。所以，為保證趙石畔井筒混凝土的長期穩(wěn)定性，必須進行井壁混凝土的防腐蝕研究，探究防腐劑摻量與高性能混凝土防腐蝕性能的關系，以設計不同標號井壁混凝土的防腐劑摻量。

2 試驗原理與分析

根據硫酸鹽對混凝土的侵蝕機理可知，外部環(huán)境的侵蝕介質-硫酸鹽是以環(huán)境水為載體，通過混凝土水泥石和界面過渡區(qū)內的開口孔隙與微裂縫侵入兩個微結構內部，與Ca（OH）2、CAH發(fā)生化學反應，生成結晶膨脹侵蝕產物CaSO4·2H2O和鈣礬石Aft，使水泥石結構脹裂破壞，水泥石的破壞又導致混凝土破壞。因此，硫酸鹽對井壁混凝土侵蝕的微結構變化是侵蝕破壞的根本，宏觀破壞現象是侵蝕的表現，通過不同復合防腐劑摻量條件下井壁混凝土試塊的力學性能和宏觀破壞特征能夠評價防腐蝕混凝土的抗侵蝕效果。

3 試驗方案與方法

主要采用原材料：砂子、石子、水泥等均為工程現場原材料，水泥分為42.5號普通硅酸鹽水泥和52.5號普通硅酸鹽水泥，C50混凝土用42.5號水泥，C60、C70混凝土用52.5號水泥，外加劑為FZ系列復合防腐劑。

井筒穿過腐蝕性含水層段混凝土主要為C50、C60、C70。根據C50、C60、C70混凝土配合比（見表1）進行設計，對配制的C50、C60、C70混凝土分別摻入0%、10%、15%FZ系列高耐久性混凝土復合防腐劑配制成高性能混凝土，未摻加復合防腐劑的混凝土通過減水劑替代，高性能混凝土的試件在5%硫酸鈉溶液中干濕循環(huán)侵蝕15、30、45次后，進行抗壓強度試驗。C50、C60、C70井壁混凝土防腐蝕試驗安排見表2。

干濕循環(huán)試驗方法：①試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，所用浸泡溶液為5%（質量分數）硫酸鈉溶液，參照國標GB/T 50082-2009設計實驗；②先將試件置于80±5℃下干燥48 h，后進行干濕循環(huán)。將試件浸泡于溶液中，進行干濕循環(huán)。試件浸泡、放出溶液、排出溶液的總時間為16 h，試件烘干溫度為80±5℃；烘干時間為6 h，冷卻時間為2 h，烘干和冷卻時間共8 h，一個干濕循環(huán)為24±2 h；③除必要支撐面外，試件之間、試件與容器壁間留出一定空隙，使得試件充分浸泡；④每組試件3塊，重復試驗進行3遍。

4 抗壓強度結果與分析

4.1 C50井壁防腐蝕混凝土力學性能分析

不同復合防腐劑摻量C50井壁混凝土在干濕循環(huán)15、30、45次條件下的抗壓強度如圖1所示。

表1 C50、C60、C70井壁混凝土配合比

表2 C50、C60、C70井壁混凝土防腐蝕試驗安排表

圖1 復合防腐劑摻量與C50井壁混凝土抗壓強度關系

由圖1可以看出，干濕循環(huán)15次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%的C50混凝土抗壓強度分別為45.16、52.68、66.08 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高16.65%和46.32%。干濕循環(huán)30次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強度分別為36.47、42.55、55.09 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高16.67%和51.06%。干濕循環(huán)45次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強度分別為32.06、41.5、47.26 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C50井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高29.44%和47.41%。在相同干濕循環(huán)次數條件下，隨著復合防腐劑摻量增大，C50井壁混凝土抗壓強度逐漸增大，說明復合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著干濕循環(huán)次數增大，C50井壁混凝土抗壓強度出現明顯地下降，說明硫酸鹽腐蝕周期越長，對混凝土的力學性能損傷越嚴重。

4.2 C60井壁防腐蝕混凝土力學性能分析

不同復合防腐劑摻量C60井壁混凝土在干濕循環(huán)15、30、45次條件下的抗壓強度如圖2所示。

圖2 復合防腐劑摻量與C60井壁混凝土抗壓強度關系

由圖2可以看出，干濕循環(huán)15次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%的C60混凝土抗壓強度分別為46.34、62.72、69.80 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高35.35%和50.63%。干濕循環(huán)30次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強度分別為44.41、61.73、62.77 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高39%和41.34%。干濕循環(huán)45次時，復合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土抗壓強度分別為41.17、59.86、60.62 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C60井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高45.4%和47.24%。在相同干濕循環(huán)次數條件下，隨著復合防腐劑摻量增大，C60井壁混凝土抗壓強度逐漸增大，說明復合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著在硫酸鹽溶液中干濕循環(huán)的次數增大，C60井壁混凝土抗壓強度出現明顯地下降，說明硫酸鹽腐蝕周期越長，對C60井壁混凝土的力學性能降低幅度越大。

4.3 C70井壁防腐蝕混凝土力學性能分析

不同復合防腐劑摻量C70井壁混凝土在干濕循環(huán)15次、30次、45次條件下的抗壓強度如圖3所示。

由圖3可以看出，干濕循環(huán)15次時，復合防腐劑摻量0、10%、15%的C70混凝土抗壓強度分別為58.84 MPa、71.41 MPa、76.74 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高21.36%和30.42%。干濕循環(huán)30次時，復合防腐劑摻量0、10%、15%混凝土抗壓強度分別為56.64、69.35、72.96 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高22.44%和28.81%。干濕循環(huán)45次時，復合防腐劑摻量0、10%、15%混凝土抗壓強度分別為49.99、64.90、69.96 MPa。對比可以看出，10%和15%復合防腐劑摻量的C70井壁混凝土抗壓強度比未摻復合防腐劑的抗壓強度分別高29.83%和39.95%。在相同干濕循環(huán)次數條件下，隨著復合防腐劑摻量增大，C70井壁混凝土抗壓強度逐漸增大，防腐劑摻量由10%增至15%時混凝土抗壓強度提高幅度明顯小于防腐劑摻量由0%增至10%時，說明復合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果，但其增長幅度呈下降趨勢。隨著干濕循環(huán)次數增大，C70井壁混凝土抗壓強度出現明顯地下降，說明硫酸鹽腐蝕周期越長，對混凝土的力學性能損傷越嚴重。

圖3 復合防腐劑摻量與C70井壁混凝土抗壓強度關系

4.4 不同防腐蝕摻量井壁混凝土宏觀破壞特征

以C50、C60、C70井壁混凝土干濕循環(huán)30次為例，分析復合防腐劑摻量0%、10%、15%混凝土壓縮試驗的宏觀破壞形態(tài)，如圖4-6所示。

圖4 復合防腐劑摻量與C50井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

圖5 復合防腐劑摻量與C60井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

圖6 復合防腐劑摻量與C70井壁混凝土宏觀破壞形態(tài)

由圖4-6可以看出，C50、C60、C70井壁混凝土試塊的破壞形態(tài)與復合防腐劑摻量存在一定的關系。對C50井壁混凝土試塊而言，未摻復合防腐劑時試塊呈崩解破壞，特別試塊下部出現明顯的破碎，10%和15%復合防腐劑摻量時試塊出現明顯的劈裂破壞痕跡，且15%復合防腐劑摻量時試塊的劈裂破壞痕跡更明顯。對C60井壁混凝土試塊而言，未摻復合防腐劑時試塊表現為整體破碎，10%復合防腐劑摻量時試塊劈裂破壞形態(tài)明顯，局部伴隨著崩解破壞，15%復合防腐劑摻量時試塊的劈裂破壞痕跡更明顯，表現為傾斜的完整裂縫。對C70井壁混凝土試塊而言，未摻復合防腐劑和10%和15%復合防腐劑摻量時試塊均整體表現為破裂破壞，但是10%和15%復合防腐劑摻量時試塊破壞形態(tài)更規(guī)整，破裂破壞形態(tài)更明顯。綜合而言，隨著復合防腐劑摻量增大，C50、C60、C70井壁混凝土試塊破壞形態(tài)由崩解破壞向劈裂破壞過渡。

5 結論

在相同干濕循環(huán)次數條件下，隨著復合防腐劑摻量增大，井壁混凝土抗壓強度逐漸增大，增長速率呈減慢趨勢，表明復合防腐劑具有良好的抵抗硫酸鹽侵蝕的效果。隨著干濕循環(huán)次數增大，井壁混凝土抗壓強度出現明顯地下降，說明硫酸鹽腐蝕周期越長，對混凝土的力學性能損傷越嚴重。隨著復合防腐劑摻量增大，井壁混凝土試塊破壞形態(tài)由崩解破壞向劈裂破壞過渡。