山東某大型電廠樁基混凝土防腐蝕性試驗

李吉林

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250100)

山東某大型電廠樁基混凝土防腐蝕性試驗

李吉林

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250100)

為研究樁基混凝土在腐蝕性地下水環(huán)境中的耐久性，依據(jù)山東某大型電廠中等～強腐蝕性地下水地質(zhì)條件，在Cl－與SO2－4共存的地下水環(huán)境與只存在SO2－4的水環(huán)境中進(jìn)行樁基混凝土防腐蝕性試驗。結(jié)果表明:在Cl－與SO2－4共存的地下水環(huán)境中，混凝土受硫酸鹽侵蝕的程度比只存在SO2－

4的水環(huán)境中輕微;摻加防腐劑并沒有明顯提高混凝土抗蝕能力;抗硫酸鹽水泥的抗硫酸鹽侵蝕性與普通硅酸鹽水泥接近，但抗氯離子侵入性難以滿足耐久性要求;采用普通硅酸鹽水泥、大摻量摻和料、低水膠比的高性能混凝土能滿足樁基耐久性要求。

樁基混凝土;耐久性;防腐蝕性;地下水環(huán)境;高性能混凝土

1 工程地質(zhì)環(huán)境及樁基混凝土

山東某大型電廠位于濱海鹽堿地區(qū)，根據(jù)勘測資料，場址淺層和深層地下水中SO2－4質(zhì)量濃度分別為2530～2865 mg/L和4 589～5 884 mg/L，對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等～強腐蝕性;淺層地下水中Cl－質(zhì)量濃度為23 916～24 632 mg/L，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱～強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，深層地下水中Cl－質(zhì)量濃度為29 447～43 871 mg/L，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

在濱海鹽堿地區(qū)，由于混凝土結(jié)構(gòu)物長期處于鹽堿水環(huán)境中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷破壞，降低了建筑物的使用壽命。該電廠處于地下水對混凝土具有中等～強腐蝕性的地質(zhì)環(huán)境中，為了確保樁基的耐久性能達(dá)到設(shè)計使用年限要求，耐腐蝕性能滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行試驗優(yōu)選混凝土配合比。

根據(jù)規(guī)范，對于荷重較大的附屬輔助和重要建(構(gòu))筑物需采用樁基方案，可采用預(yù)制樁(PHC管樁)或鉆孔灌注樁方案［1-2］。該電廠選用預(yù)制鋼筋混凝土樁，并摻加多種外加劑(減水劑、附腐劑)，這種常規(guī)方案施工難度大、工程造價高。

為解決Cl－、SO2－4的腐蝕問題，本試驗采用由普通硅酸鹽水泥(以下簡稱普硅水泥)、復(fù)合粉體、粉煤灰、礦渣粉等組成的高性能混凝土澆筑鉆孔灌注樁，以滿足樁基對耐久性的要求，同時降低工程造價。

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

水泥選用某廠家42.5級普硅水泥和抗硫酸鹽水泥，水泥的物理性能見表1，強度性能見表2。粉煤灰為某電廠Ⅱ級灰，礦渣粉為某鋼鐵廠S95級?；郀t礦渣粉，防腐劑由某公司提供，減水劑選用寧波某公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑，砂是河砂，石子為人工碎石。

侵蝕性溶液共兩種:①廠址地下水;②MgSO4溶液，以化學(xué)純MgSO4為試劑，SO24－的質(zhì)量濃度為6217.0 mg/L。

表1 水泥物理性能測試結(jié)果

表2 水泥強度性能測試結(jié)果 MPa

2.2 試驗方法

為了模擬實際情況，在GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的抗硫酸鹽侵蝕試驗法的基礎(chǔ)上作出以下調(diào)整:①混凝土試件的成型盡量模擬灌注樁的實際情況，成型1d后脫模，試件脫模后立即放入以上2種侵蝕性溶液或自來水中自然浸泡。②試件自然浸泡60 d后，一小部分試件繼續(xù)自然浸泡，其余大部分試件放入加速侵蝕試驗箱中，進(jìn)行加速侵蝕試驗，24 h完成一次浸烘循環(huán)。③侵蝕性溶液分別采用廠址地下水和MgSO4溶液。未采用Na2SO4配制單獨含SO2－4溶液的原因是Na2SO4對混凝土的侵蝕性不如MgSO4強;雖然兩種硫酸鹽對混凝土的侵蝕方式有所不同，且廠址地下水中的Na+濃度顯著高于Mg2+濃度，但采用MgSO4溶液進(jìn)行侵蝕試驗，得到的試驗結(jié)果用于實際工程將更為安全［3］。④進(jìn)行加速侵蝕試驗時，根據(jù)前期的預(yù)試驗成果，將烘干溫度從80℃調(diào)整為30℃。

試驗測試指標(biāo)包括質(zhì)量損失率、膨脹率、抗壓強度、耐蝕系數(shù)、相對動彈性模量。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 CL－、SO2－4共存環(huán)境中混凝土的腐蝕性

如表3所示，選用不同灌注樁配合比成型混凝土試件，研究Cl－、SO2－4共存及SO2－4單獨存在的水環(huán)境對混凝土的腐蝕作用。在不同侵蝕介質(zhì)中浸烘循環(huán)150次后的耐久性測試結(jié)果見表4。

表3 試驗所用不同品種混凝土的配合比

表4 不同品種混凝土的耐久性測試結(jié)果

由表4可知:①單純SO2－4環(huán)境中，常用C35混凝土經(jīng)150次循環(huán)后，質(zhì)量損失率為2.62%，加防腐劑后為2.71%;高性能混凝土經(jīng)150次循環(huán)后，質(zhì)量損失率為1.42%，加防腐劑后為1.63%。②在Cl－與 SO2－

4共存的地下水環(huán)境中，常用C35混凝土(摻防腐劑)和高性能混凝土(摻防腐劑)經(jīng)150次循環(huán)后，質(zhì)量損失率介于－0.04% ～0.71%之間。

表4還表明，同樣配合比的混凝土(不摻防腐劑)在 Cl－與 SO2－4共存的地下水環(huán)境中和單純SO2－

4環(huán)境中，經(jīng)過150次浸烘循環(huán)后前者比后者的質(zhì)量損失率低74% ～100%，抗壓強度高12% ～44%，耐蝕系數(shù)高12% ～44%，這說明在 Cl－與SO2－

4共存的地下水環(huán)境中混凝土受硫酸鹽侵蝕的程度比在同濃度的硫酸鹽溶液中輕。

摻防腐劑的混凝土在自來水中經(jīng)過長期浸泡后抗壓強度下降明顯，不摻防腐劑的混凝土在自來水中經(jīng)長期浸泡后抗壓強度增加，導(dǎo)致?lián)椒栏瘎┑幕炷聊臀g系數(shù)比不摻防腐劑的混凝土高，但摻防腐劑后混凝土的抗壓強度顯著下降，即摻防腐劑對質(zhì)量損失率、膨脹率、相對動彈性模量都沒有明顯影響。綜合考慮，摻防腐劑并沒有明顯提高防腐蝕能力［4］。本工程現(xiàn)場地下水中Cl－和SO2－4質(zhì)量濃度的比值為4～10，可通過摻加粉煤灰、礦渣粉等手段提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，無需使用價格昂貴的防腐劑。

3.2 常規(guī)鉆孔灌注樁混凝土的耐久性

按常用C35混凝土配合比(表3)在實驗室成型試件，進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗和抗氯離子侵入性試驗。試件成型后1d脫模，并分別放入地下水、MgSO4溶液、自來水中進(jìn)行浸泡養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)60 d后，將地下水、MgSO4溶液中的試件分別放入侵蝕介質(zhì)為地下水和MgSO4溶液的加速侵蝕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行浸烘循環(huán)加速侵蝕試驗［5］;自來水中浸泡的試件仍繼續(xù)觀測。

試驗結(jié)果表明，常用C35混凝土在現(xiàn)場地下水中經(jīng)150次浸烘循環(huán)后，試件還在收縮，未見明顯膨脹，質(zhì)量損失率為0.56%，相對動彈性模量降至89%，耐蝕系數(shù)為0.77，強度比自來水中浸泡的降低約14MPa;在MgSO4溶液中膨脹率為0.015%，質(zhì)量損失率為2.62%，相對動彈性模量為98%，耐蝕系數(shù)為0.69，強度比自來水中浸泡的降低19 MPa，下降明顯。實際上，鉆孔灌注樁混凝土在澆筑后立即接觸地下水，各種離子侵入混凝土內(nèi)部的深度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后再接觸地下水的深度。將混凝土脫模后立即浸泡入地下水，自然浸泡60 d后，采用逐層鉆孔取粉樣的方法測試氯離子擴散系數(shù)，試驗結(jié)果為 21.8×10－12m2/s;同時采用 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的RCM法測試該齡期下氯離子擴散系數(shù)，結(jié)果為9.38×10－12m2/s，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后試件的擴散系數(shù)［6］。由此可見，如果混凝土澆筑后直接與地下水接觸，Cl－侵入混凝土內(nèi)部的深度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一段時間以后用RCM法測試的結(jié)果，鉆孔灌注樁必須考慮早期氯離子進(jìn)入混凝土的深度。

根據(jù)GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》，考慮現(xiàn)場地下水的Cl－濃度，應(yīng)采用水膠比低于0.42、強度等級為C40的混凝土，保護(hù)層厚度應(yīng)不小于45 mm;該規(guī)范同時指出“對含有較高濃度氯鹽的地下水、土，可不單獨考慮硫酸鹽的作用”。GB 50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》要求中等腐蝕性環(huán)境下鉆孔灌注樁保護(hù)層厚度不小于40 mm。根據(jù)試驗結(jié)果，鉆孔灌注樁混凝土要考慮過早接觸地下水導(dǎo)致的早期離子侵入深度，該深度按15 mm考慮，因此保護(hù)層厚度不小于60 mm。

綜上所述，在現(xiàn)場地下水環(huán)境中，使用常規(guī)的C35混凝土配合比仍有發(fā)生硫酸鹽侵蝕破壞的風(fēng)險，且抵抗氯離子侵入的能力較差，從工程安全的角度考慮，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆栏g措施;從Cl－侵入的角度考慮，建議保護(hù)層厚度不小于60 mm。

3.3 抗硫酸鹽水泥與普硅水泥的耐久性對比

常規(guī)的鉆孔灌注樁混凝土一般采用C35混凝土，并摻加20%的粉煤灰，為了客觀對比抗硫酸鹽水泥與普硅水泥的差別，分別采用抗硫酸鹽水泥與普硅水泥摻加20%粉煤灰配制混凝土。浸烘循環(huán)以及自然浸泡后的質(zhì)量損失率、膨脹率、相對動彈性模量、抗壓強度以及耐蝕系數(shù)見表5。

表5 不同水泥品種的混凝土耐久性測試結(jié)果

由表5可知，在只有SO2－4的環(huán)境中，抗硫酸鹽水泥的耐蝕系數(shù)與普硅水泥的值接近，但抗壓強度絕對值遠(yuǎn)低于普硅水泥的值;在Cl－、SO2－4共存的情況下，抗硫酸鹽水泥的耐蝕系數(shù)高于普硅水泥的值，但抗壓強度絕對值仍低于普硅水泥的值，且抗硫酸鹽水泥的質(zhì)量損失率均高于相同浸泡溶液中普硅水泥的值。因此，抗硫酸鹽水泥在地下水中的抗硫酸鹽侵蝕性能沒有優(yōu)勢［7］。

經(jīng)RCM法測試后，采用抗硫酸鹽水泥的混凝土試件被Cl－穿透(大于15.6 mm)，而使用普硅水泥的混凝土試件Cl－侵入混凝土內(nèi)部深度約為9.38 mm，可見使用抗硫酸鹽水泥的混凝土抗氯離子侵入性顯著低于使用普硅水泥的混凝土。

試驗表明，抗硫酸鹽水泥的抗硫酸鹽侵蝕性與普硅水泥接近，但抗氯離子侵入性較差。

3.4 鉆孔灌注樁混凝土配合比的優(yōu)化

配合比優(yōu)化的主要目標(biāo)是在保證工作性和強度的前提下提高混凝土的耐腐蝕性。按照表3中高性能混凝土的配合比，即使用普硅水泥，水膠比為0.35，粉煤灰、礦渣粉摻量之和為50%)，測試混凝土的抗壓強度、抗硫酸鹽侵蝕性、抗氯離子侵入性，其中，抗腐蝕性采用Cl－和SO2－4共存的現(xiàn)場地下水溶液進(jìn)行浸泡?；炷凉ぷ餍院蛷姸葴y試結(jié)果表明混凝土強度滿足C40要求。

試件成型后1d脫模，并立即放入地下水中進(jìn)行自然浸泡，28 d后取出一部分放入加速侵蝕試驗箱中進(jìn)行浸烘循環(huán)加速侵蝕試驗，另一部分留在地下水中自然浸泡;到浸烘循環(huán)周期后，同時測試加速侵蝕試件和自然浸泡試件的各項指標(biāo)，試驗結(jié)果如表6所示。

在浸烘循環(huán)試驗中，150次循環(huán)后高性能混凝土抗壓強度增加幅度較大，說明大摻量摻和料(粉煤灰、礦渣粉摻量之和為50%)導(dǎo)致的后期抗壓強度增長值較大，大于氯離子侵蝕導(dǎo)致的抗壓強度降低值，有利于混凝土長期抵抗氯離子侵蝕。

表6 高性能混凝土耐久性測試結(jié)果

自然浸泡430 d后，大摻量摻和料的高性能混凝土試件質(zhì)量、彈性模量都在增長，沒有明顯的侵蝕痕跡;高性能混凝土抗壓強度增加較多，說明自然浸泡條件下，混凝土遭受硫酸鹽侵蝕的速度還比較慢，未發(fā)生明顯的侵蝕;摻入大摻量摻和料以后，混凝土的抗壓強度一直在增長，對耐久性有利。

將混凝土試件脫模后立即浸入地下水中，自然浸泡28d后測試高性能混凝土氯離子擴散系數(shù)，由于混凝土的強度和密實性還沒有充分發(fā)展就接觸地下水，自然浸泡測得氯離子擴散系數(shù)為7.23×10－12m2/s，遠(yuǎn)大于試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后再浸入地下水測得的擴散系數(shù)1×10－12m2/s，進(jìn)一步說明對于鉆孔灌注樁這種澆筑后馬上接觸侵蝕性介質(zhì)的混凝土，早期氯離子進(jìn)入的深度不容忽視，使用高性能混凝土配合比有利于鉆孔灌注樁混凝土抵抗氯離子侵入，可以不使用防腐劑。

對于實際工程，摻和料摻量可取50%，其中粉煤灰摻量為20%，礦渣粉摻量為30%。粉煤灰宜滿足GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中F類Ⅰ級粉煤灰的要求，礦渣粉宜滿足GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中S95級礦渣粉的要求。

GB 50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》中未對混凝土擴散系數(shù)做明確要求。根據(jù)GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》，現(xiàn)場地下水環(huán)境作用等級屬于Ⅲ-C，未對氯離子擴散系數(shù)做明確要求。

為了兼顧樁基承臺以及地上部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求，按照環(huán)境等級E級進(jìn)行考慮，對于設(shè)計使用壽命為50a的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)范要求較大或大摻量摻和料混凝土28d氯離子擴散系數(shù)應(yīng)小于或等于6×10－12m2/s(根據(jù) GB/T 50082—2009中的RCM法測試)，對于膠凝材料主要為硅酸鹽水泥的混凝土，應(yīng)采取更為嚴(yán)格的措施。試驗表明，可使用強度等級為C40、抗?jié)B等級大于或等于S10、28d氯離子擴散系數(shù)小于或等于6×10－12m2/s、保護(hù)層厚度大于或等于60 mm的高性能混凝土。

4 結(jié)語

為解決腐蝕性地下水環(huán)境中樁基內(nèi)部結(jié)構(gòu)易受損壞的問題，模擬了 Cl－與 SO2－4共存以及只存在SO2－4的地下水環(huán)境中不同配合比混凝土試件的質(zhì)量損失率、膨脹率、耐蝕系數(shù)、相對動彈性模量等指標(biāo)。試驗結(jié)果表明:①在Cl－與SO2－4共存的現(xiàn)場地下水環(huán)境中，混凝土受硫酸鹽侵蝕的程度比在同濃度硫酸鹽溶液中輕微;②在地下水環(huán)境中，無論是否存在Cl－，摻防腐劑并沒有明顯提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力;③抗硫酸鹽水泥的抗硫酸鹽侵蝕性與普硅水泥接近，但抗氯離子侵入性較差;④與常規(guī)鉆孔灌注樁混凝土相比，高性能混凝土具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能;⑤與抗硫酸鹽水泥配制的混凝土相比，高性能混凝土既提高了防腐性能，又大幅度節(jié)約了成本。

［1］陳蔚凡.濱海鹽漬地區(qū)抗強腐蝕性混凝土的研究與應(yīng)用［C］//水泥基復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù).北京:中國建材工業(yè)出版社，1999:179-183.

［2］陳肇元.土建結(jié)構(gòu)工程的安全性與耐久性［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］XU Jinxia，JIANG Linhua，WANG Qi.Finite element model of reinforcement corrosion in concrete［J］.Water Science and Engineering，2009，2(2):71-78.

［4］李吉林.旋挖成孔工藝在新疆某電廠樁基工程中的實踐［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，30(增刊 1):102-105.(LI Jilin.Practice of rotary drilling technology in pile foundation of a power plant in Xinjiang［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30(Sup1):102-105.(in Chinese))

［5］劉小艷，王新瑞，劉愛華，等.海洋工程中GFRP筋耐久性研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，2012，32(3):86-89.(LIU Xiaoyan，WANG Xinrui，LIU Aihua，et al.Research progress on durability of GFRP bars used in marineengineering ［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(3):86-89.(in Chinese))

［6］蔣林華，劉蓉，莫莉莉，等.陽離子類型對粉煤灰混凝土中鋼筋銹蝕行為的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，41(1):32-36.(JIANG Linhua，LIU Rong，MO Lili，et al.Effect of cation type on corrosion behavior ofsteel reinforcement in fly ash concrete［J］.Journal of Hohai University:Natural Science Edition，2013，41(1):32-36.(in Chinese))

［7］郭建斌，王楠，王澤民.水工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的圖像識別技術(shù)［J］.河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40(5):539-543.(GUO Jianbin，WANG Nan，WANG Zemin.Image recognition technology ofcorrosion in hydraulic steel structure［J］.Journal of Hohai University:Natural Science Edition，2012，40(5):539-543.(in Chinese))

Experimental study on corrosion prevention of concrete pile foundation of a large power plant in Shandong

LI Jilin(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan250100，China)

In order to study the durability of concrete piles in a corrosive groundwater environment，concrete corrosion resistant test of pile foundation in the environments with Cl－and Scoexistance and with only Sexistance was performed，according to medium-highy corrosive groundwater geological conditions of a large power plant in Shandong.The results show that in the Cl－and Scoexistence groundwater environment，sulfate attack concrete situation is slightly lower than in the presence of Sonly environment，the conventional doped preservatives does not significantly increase corrosion resistance，and resistance to sulfur cement and sulphate resistance of ordinary Portland cement remain close，but resistance to chloride ion invasive can not meet durability requirements.Finally，the ordinary Portland cement and admixture with low water-cement ratio，high-performance concrete pile can be used to meet durability requirements.

concrete pile foundation;durability;corrosion resistant;groundwater environment;high-performance concrete

TU528.33

A

1006-7647(2013)06-0087-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.019

李吉林(1977—)，男，安徽安慶人，高級工程師，主要從事巖土工程研究。E-mail:fecljl@163.com

2013-03-15 編輯:駱 超)