礦粉、粉煤灰、外加劑對海工混凝土耐腐蝕性影響分析

張永生

（廣西北海大都混凝土有限公司，廣西北海 536000）

0 引言

海洋資源的開發離不開海工建筑物支持，為適應海水侵蝕和海洋惡劣的自然氣候，海工混凝土結構必須安全、耐久和經濟。然而，受氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化作用和微生物腐蝕等多種因素的綜合作用，海工混凝土往往會過早裂化，導致其使用壽命大幅縮減。近年來，陸續有學者在室內利用各種原材料開展混凝土耐久性試驗，從單一或多種原材料摻入角度探究提升混凝土耐腐蝕性的方法[1]。根據相關理論和實踐得出，添加礦粉、粉煤灰和外加劑可以改良混凝土性能，增強結構耐腐蝕性。但實際海洋環境十分復雜，單純開展室內試驗難以保證海工混凝土應用效果，因此應以工程場地為依托開展試驗，合理分析礦粉、粉煤灰和外加劑給混凝土耐腐蝕性帶來的影響。

1 海工混凝土腐蝕機制及應對

1.1 腐蝕機制

海洋環境具有高溫、高濕、高鹽、強太陽輻射的特點，混凝土結構將受到鹽霧、潮汐沖擊、海水化學性腐蝕等因素作用，容易發生多重侵害。護岸、堤防等海工工程建設中，結構不僅承受物理沖擊，也將受氯鹽、鎂鹽、硫酸鹽等鹽類共同作用。隨著侵蝕離子進入混凝土結構，將和水化產物反應，生成無膠結性能和膨脹性物質，造成結構開裂、剝落[2]。例如，氯鹽將導致鈍化鋼筋變為活化態，受海水、高溫高鹽氧影響將發生腐蝕作用，產物體積膨脹；鎂鹽和混凝土中的氫氧化鈣反應，生成氫氧化鎂、氯化鈣等物質，導致材料強度減小；硫酸鎂等鹽類和水泥發生水化反應，生成鈣礬石等體積膨脹物質，也將造成混凝土結構開裂。從腐蝕區帶劃分情況來看，包含大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區等多個區域，在浪花飛濺襲擊作用下，飛濺和潮差兩個區域混凝土處于干濕交替狀態，容易滲入腐蝕離子和發生嚴重腐蝕[3]。在上述侵害腐蝕破壞因素之中，氯離子侵蝕導致海洋混凝土腐蝕破壞尤為突出，因此提高海洋環境中混凝土材料與結構的抗氯離子侵蝕能力，是有效延長海工混凝土材料年齡期的關鍵。

1.2 應對措施

在海工實踐中，提高海洋環境下鋼筋混凝土結構耐久性主要從材料改良和結構抗侵蝕兩方面采取措施。改良混凝土材料性能，可以通過添加粉煤灰、礦粉等輔助膠凝材料降低混凝土孔隙率和提高阻抗電阻率，增強結構耐久性。因為粉煤灰等材料能夠參與水泥水化反應，與氫氧化鈣反應形成致密結構，增強集料和漿體界面黏結作用，改善水泥石孔結構，增強微結構均勻性，降低氯離子擴散系數，減輕氯離子給水化硅酸鈣等物質帶來的腐蝕。此外，在混凝土中添加阻銹劑等外加劑，也能起到改善結構耐腐蝕性的作用。例如，添加阻銹劑，可以增強鋼筋腐蝕臨界氯濃度值，抑制鋼筋與氯離子等反應。添加防腐劑，由硫鋁酸鹽類膨脹劑、高效引氣劑、阻銹劑等構成，能夠發揮補償收縮、防銹蝕等作用，通過提升混凝土綜合性能使結構獲得較好的耐腐蝕性。使用減水劑，能夠抑制水泥水化熱溫升，有效控制內部溫度，增強和易性的同時，可以防止混凝土發生汽蝕破壞[4]。提高混凝土結構抗侵蝕能力，多采取增加保護層厚、表面涂抹防腐涂料防護等措施，在惡劣海洋氣候中隨著外部結構逐漸剝落，依然將面臨耐腐蝕性下降問題。因此為增強混凝土耐腐蝕性，還應重點探究材料改良問題。

2 輔助膠凝材料和外加劑對混凝土耐腐蝕性影響

2.1 試驗區概況

試驗區位于北海市某濱海工程施工場地，屬于典型濱海淺灘地貌，土層以吹填淤泥、淤泥質土為主，地下水位埋深0.6～1.2m，水位受海潮漲落影響，最大可達3m。工程采用鋼筋混凝土樁基，樁長22m，樁徑0.8m，樁身強C50，持力層為泥質粉砂巖。受周圍環境影響，區域地下水存在氯離子等腐蝕性離子含量超標問題，因此樁基結構將面臨高腐蝕性破壞風險。場地吹填土為超鹽漬土，氯離子和硫酸根離子的濃度達到40000mg/kg以上，鎂離子濃度超過20000mg/kg 以上，具有強腐蝕性，要求加強混凝土配合比試驗，確保配制材料具有較高的耐腐蝕性，保證樁基結構安全性。

2.2 原材料及配合比

配制高性能海工混凝土，應優選質堅、級配佳的碎石，粒徑不超20mm。細骨料優選河砂，細度模數2.8，確保材料獲得較高堆積密度，減小結構孔隙率。水膠比應在0.34～0.36，可以增強材料粘合性和抗滲透性能，避免因水膠比不適宜引發結構自收縮問題。摻加活性礦物材料，促進材料化學變化，并且充分填充水泥孔隙，提高界面抗滲性。按照低用水量法則，應摻加高效減水劑，增強骨料和拌和物黏結力，加速材料顆粒分散，保證混凝土擁有良好流動性。根據配合比設計原則，試驗原材料為P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，比表面積在300～400m2/kg，安定性符合要求。粉煤灰屬于F 類Ⅱ級，通過45μm 方孔篩過后余量≤30%。礦粉為S95 級，比表面積在350～450m2/kg，砂為Ⅱ區中砂，細度模數2.6～2.8，含泥量≤2%，泥塊含量≤0.5%。使用碎石針狀顆粒含量≤7%，含泥量≦1%。使用外加劑包含YL-R 混凝土阻銹劑、YL-KS 多功能抗侵蝕防腐劑、XD-Ⅱ減水劑。根據配合比設計指標可知，混凝土坍落度在200～220，水灰比在0.34～0.36，粉煤灰摻量在15%～20%，礦粉摻量在30%～40%，水泥用量不超380kg/m3，要求結構28d 氯離子擴散系數不超6×10-12m2/s，抗壓強度耐蝕系數至少達到0.90，表1 為不同礦粉、粉煤灰和外加劑摻量下混凝土配合比。

表1 不同礦粉、粉煤灰及外加劑摻量的混凝土配合比

2.3 試驗方法

按照不同配合比制作混凝土試塊，尺寸為100mm×100mm×100mm，按照技術標準養護28d 后取出，放入5%的硫酸鈉溶液中。達到設計齡期后，取出在侵蝕介質中對混凝土抗壓強度進行測試。確保試塊結構強度合格后，對混凝土耐腐蝕性展開評價，測量氯離子擴散系數的同時，確定結構抗硫酸腐蝕等級。針對28d 試塊開展非穩態氯離子遷移試驗，采用電通量法對混凝土的氯離子侵蝕性能展開測試，將試塊切割成50mm 厚試件，測量電通量值越低說明抗滲性能越好。在抗硫酸侵蝕性能評價上，考慮到施工緊迫性，同樣采用加速方法模擬現場環境，將試塊在10%硫酸鈉溶液中按照干濕循環機制浸泡12h 后烘干12h，烘干溫度達到40℃，浸泡溫度達到15℃，經過30 次循環腐蝕后對抗壓強度進行測試，分析得到試塊耐蝕系數。

2.4 試驗結果與討論

2.4.1 水灰比給混凝土耐腐蝕性帶來的影響

表2 為試驗測試結果，隨著水灰比的增大，膠凝材料用量有所增加，能夠充分發揮礦物等摻合料的作用，增強混凝土抗滲性能。但膠凝材料用量過多，將造成水灰比過大，影響結構抗裂性，引發大的體積變形。因此應維持適當水灰比，確保混凝土結構中毛細孔數量較少，有效增強界面抗氯離子滲透性能。從混凝土氯離子滲透性來看，隨著水灰比的增大，結構氯離子擴散性能也有所下降。從混凝土抗硫酸侵蝕性能變化來看，隨著水灰比增大呈現出先減小后增加的趨勢。硫酸根離子給混凝土結構帶來侵蝕，主要是與水化產物反應發生膨脹。在水灰比適當增大的情況下，能夠減少水化產物產生，避免硫酸根離子和氫氧化鈣等反應給混凝土結構帶來破壞。但水灰比持續增大，形成的孔洞有助于硫酸根離子侵入，最終給混凝土耐腐蝕性帶來負面影響。

表2 試驗結果

2.4.2 礦粉、粉煤灰用量給混凝土耐腐蝕性帶來的影響

分析礦粉、粉煤灰用量給混凝土耐腐蝕性帶來的變化，可知在水灰比均為0.36 的情況下，單獨摻加粉煤灰的混凝土結構抗壓強度最小，同時存在氯離子擴散最大的情況，達到5.24×10-12m2/s，抗壓腐蝕系數最小，達到0.74，綜合性能不佳，無法有效提升結構耐腐蝕性。而摻加粉煤灰和礦粉，能夠有效提升結構各項性能，在粉煤灰摻量比達到20%，礦粉摻量比達到30%時，抗壓強度最大可以達到57MPa。相較于粉煤灰，礦粉具有更強的吸附能力，能夠增強結構抗氯離子滲透作用。水灰比提升到0.34 時，粉煤灰摻量16%，礦粉摻量24%時，抗壓強度最大為61MPa，且結構氯離子擴散系數最小，為4.22×1012m2/s，抗壓腐蝕系數最大，為0.84。由此可見，通過適當調整粉煤灰和礦粉等摻量可改善結構抗滲透性能。分析原因可知，粉煤灰和礦粉能夠產生火山灰效應，使水泥的水化產物減少，增強水泥石和集料界面結構定向排列，生成高強、低堿的硅酸鈣凝膠。受膠凝填充作用影響，界面將形成致密結構，降低混凝土孔隙率，阻斷氯離子和硫酸根離子侵蝕。膠凝材料將發揮強固化效應，發生二次水化反應，產生的產物能夠起到物理化學吸附效果，阻礙氯離子滲透。在施工實踐中，膠凝材料過多將引發混凝土粘性過大等問題，給泵送混凝土帶來困難，例如，粉煤灰添加量過多將給結構徐變性帶來負面影響，因此應結合混凝土結構部位和水灰比等指標調整膠凝材料添加量。從膠凝材料用量來看，在水灰比0.34 的條件下，將粉煤灰摻量調整至16%，將礦粉摻量調整至24%，能夠更好地與水泥中氫氧化鈣等物質反應，在極限石灰濃度高的條件下加速水化產物分解，避免硫鋁酸鈣等物質的形成，有效增強結構整體抗腐蝕性。

2.4.3 外加劑使用給混凝土耐腐蝕性帶來的影響

從外加劑使用情況來看，單獨添加防腐劑或阻銹劑，都能起到提高混凝土結構抗壓強度的作用，并且改善結構抗氯離子、硫酸根離子滲透性能，提升整體耐腐蝕性。同時添加防腐劑和阻銹劑，可以進一步提升混凝土抗壓強度，使結構強度達到68MPa，氯離子擴散系數減小至3.43×10-12m2/s，抗壓腐蝕系數提升至0.91。實際相較于單獨摻防腐劑，摻兩種外加劑后結構氯離子擴散性數有所增加，抗壓腐蝕系數提升幅度也較小。說明在結構抗氯離子滲透方面，使用多種外加劑不能發揮疊加作用，應當合理控制外加劑摻加量，避免各結構抗滲透性能帶來負面影響。此外，添加多種外加劑也無法明顯提升結構抗壓腐蝕系數，而使用多種外加劑成本較高，也將造成施工經濟性下降。

3 結語

在海工混凝土配制方面，濱海環境建筑物將同時受到海浪物理作用和氯離子、硫酸根離子等腐蝕性物質侵蝕，需通過改良混凝土材料性能增強結構耐腐蝕性。在混凝土配合比設計上，應明確水灰比范圍，合理調整粉煤灰、礦粉摻加量，并添加適量外加劑，有效增強混凝土抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽腐蝕性性能。在工程環境中開展試驗，最終能夠得到適合裝飾施工的耐腐蝕性混凝土配合比：水灰比0.34，粉煤灰16%，礦粉24%，摻加10%防腐劑或5%阻銹劑，能夠確保混凝土獲得較強的抗氯離子和硫酸根離子侵蝕能力，滿足工程建設要求。