多種內(nèi)防腐措施對(duì)提高混凝土耐久性的作用效果對(duì)比研究

梁銳 ，張琰 ，王彥良 ，劉宗杰 ，殷曉鵬

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272023）

0 引言

在電力行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，電力基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)耐久性問題也開始受到關(guān)注?，F(xiàn)行的電力行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)技術(shù)規(guī)范尚不健全，而實(shí)際上大量電力設(shè)施需要在腐蝕性的鹽漬土地區(qū)和受重工業(yè)排放污染地區(qū)中建設(shè)并長(zhǎng)期使用[1]。面對(duì)大量具有腐蝕性的鹽漬土地區(qū)和受重工業(yè)排放污染地區(qū)，電站、電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)耐久性如何保證，是電力工程建設(shè)領(lǐng)域需要解決的問題。

電力工程建設(shè)中常用的混凝土內(nèi)防腐措施[2]主要包括：（1）提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；（2）采用較高摻量礦物摻合料的高性能混凝土；（3）摻加混凝土防腐劑或防腐阻銹劑；（4）采用抗硫酸鹽水泥。已有研究表明[3]，當(dāng)混凝土具有良好的密實(shí)性且水泥熟料中C3A含量低于5.5%時(shí)，發(fā)生硫酸鹽腐蝕的概率較低。在混凝土中摻入硅灰、粉煤灰、礦粉等代替水泥都有改善混凝土抗硫酸鹽腐蝕的效果[4]。減小混凝土水膠比，有提高混凝土密實(shí)性、降低滲透性的作用。防腐劑通過提高混凝土密實(shí)性，降低腐蝕因子的滲透作用，提高了混凝土抗腐蝕性能。在混凝土中引入更多大小適宜的氣孔，可緩解鹽類結(jié)晶或冰結(jié)晶帶來的應(yīng)力作用，提高混凝土的抗鹽類結(jié)晶和抗凍融性能。抗硫酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的主要區(qū)別在于熟料中C3A含量不同，普通硅酸鹽水泥中C3A含量為8%～10%，而抗硫酸鹽水泥中C3A含量不超過3%。本研究對(duì)多種混凝土內(nèi)防腐措施的防腐效果進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合混凝土耐久性設(shè)計(jì)的要求，提出不同腐蝕環(huán)境下混凝土適用的防腐措施。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用C30混凝土，以工程現(xiàn)場(chǎng)攪拌配比為基準(zhǔn)，結(jié)合預(yù)拌商品混凝土、高性能混凝土、內(nèi)摻防腐劑等多種內(nèi)防腐措施優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土配比，根據(jù)混凝土耐久性試驗(yàn)方法進(jìn)行分組測(cè)試，結(jié)合耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同內(nèi)防腐措施的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范要求，將試驗(yàn)結(jié)果與耐久性指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)照，提出不同防腐措施的適用條件。

1.1 原材料

水泥：北京北水P·O42.5水泥和山東華銀高抗硫酸鹽水泥P·HSR 42.5，比表面積分別為 384、365 m2/kg，安定性合格，主要性能指標(biāo)見表1；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，河北唐山，性能指標(biāo)見表2；礦渣粉：S95級(jí)，河北銀水，性能指標(biāo)見表3；粗骨料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，河北灤平；細(xì)骨料：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量1.8%；聚羧酸高性能減水劑和引氣劑：中國(guó)建筑材料研究總院生產(chǎn)，減水劑含固量20%，減水率31%，引氣劑的性能指標(biāo)見表4；混凝土防腐劑：共4種，其中1#防腐劑主要成分包含礦粉、硅灰等，北京華砼公司生產(chǎn)，2#防腐劑主要成分包含礦粉、粉煤灰等，河北同邦建材生產(chǎn)，3#防腐劑主要成分包含礦粉、硅灰、膨脹劑等，唐山北極熊建材生產(chǎn)，4#防腐阻銹劑主要成分為偏高嶺土、硅灰、阻銹組分等，中國(guó)建筑材料研究總院生產(chǎn)，具體性能指標(biāo)見表5。

表1 2種水泥的主要性能指標(biāo)

表2 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

表3 礦渣粉的主要性能指標(biāo)

表4 引氣劑的主要性能指標(biāo)

表5 4種防腐劑的主要性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)計(jì)12組混凝土，其中A-1基準(zhǔn)配比為現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土；A-2為商品混凝土；A-3和A-4為高性能混凝土；B-1～B-4分別摻加1#～4#防腐劑；C-1采用抗硫酸鹽水泥替代普通硅酸鹽水泥，C-2采用抗硫酸鹽水泥并摻4#防腐劑；D-2是在A-2基礎(chǔ)上加入0.1%的引氣劑；E-1為增加水泥用量，提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度。除E-1配比設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，其余配比混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。試驗(yàn)配合比如表6所示。

表6 試驗(yàn)混凝土的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

（1）混凝土試拌和成型：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，按設(shè)計(jì)配合比和測(cè)試項(xiàng)目要求尺寸澆注成型，在溫度（20±5）℃的環(huán)境中靜置24 h，然后編號(hào)、脫模，放入溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到所需齡期。

（2）抗壓強(qiáng)度測(cè)試：采用100 mm×100 mm×100 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸換算系數(shù)0.95，參照GB/T 50081—2002進(jìn)行。

（3）耐久性測(cè)試：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗氯離子侵蝕試驗(yàn)采用電通量法和RCM法，分別測(cè)試混凝土試塊28 d、56 d的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM?？沽蛩猁}侵蝕采用混凝土抗硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，測(cè)試56 d的混凝土耐蝕系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同防腐措施下混凝土的抗壓強(qiáng)度（見表7）

表7 不同防腐措施下各組混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表7可見：

（1）A-1配比滿足C30強(qiáng)度等級(jí)，早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較高，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)更快，56 d、90 d增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩；A-2配比的水膠比降低，采用粉煤灰和礦粉雙摻，7 d強(qiáng)度不高，28 d時(shí)與A-1差距不大，到56 d、90 d時(shí)仍然保持增長(zhǎng)趨勢(shì)；A-3與A-4配比的水膠比更低，礦物摻合料摻量更高，7、28 d強(qiáng)度與A-1接近，到56、90 d仍然保持較高的增長(zhǎng)趨勢(shì)，與以往的研究和試驗(yàn)結(jié)論一致。

（2）B-1、B-4摻防腐劑的配比，7 d強(qiáng)度普遍低于基準(zhǔn)，但28 d、56 d、90 d的強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)；B-2、B-3配比各齡期強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)。

（3）C-1與C-2抗硫酸鹽水泥的強(qiáng)度增長(zhǎng)與普硅水泥相似，在56 d、90 d仍保持較高增長(zhǎng)；D-2摻引氣劑，含氣量提高了2.2%，7、28、56、90 d抗壓強(qiáng)度與未摻引氣劑的A-2相比，分別降低了7.2%、7.3%、9.4%、8.6%；E-1配比滿足C40強(qiáng)度等級(jí)要求。

2.2 不同防腐措施下混凝土的電通量

不同防腐措施下混凝土的電通量見表8，根據(jù)JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，按電通量劃分抗氯離子滲透等級(jí)，礦物摻合料總量超過總量50%的A-4配比采用56d齡期評(píng)定，其余采用28 d齡期評(píng)定。

表8 不同防腐措施下混凝土的電通量及抗?jié)B性

由表8可見：

（1）A-2～A-4配比的電通量與A-1基準(zhǔn)配比相比降低1～2個(gè)滲透等級(jí)，其中A-3配比的56 d電通量已經(jīng)達(dá)到最低的Q-Ⅴ等級(jí)，抗氯離子滲透性很強(qiáng)。同時(shí)表明并不是水膠比越低、摻合料摻量越高，混凝土的滲透性越低、密實(shí)度越高。水膠比和摻合料比例存在最合理范圍，且與養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān)。

（2）B-1～B-4各組摻防腐劑配比的電通量與A-2相比，除B-1電通量高于A-2外，其它各組均有明顯下降，B-4配比的電通量最低。

（3）C-1與A-1相比電通量差異不大，抗硫酸鹽水泥對(duì)抗氯離子滲透性沒有明顯影響；D-2與A-2相比電通量差異不大，表明含氣量對(duì)電通量沒有明顯影響；E-1與A-1相比電通量有明顯下降，表明降低水膠比是提高混凝土密實(shí)性的有效措施，但與A-2相比，抗?jié)B性提高不明顯。

2.3 不同防腐措施下混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

（見圖1）

圖1 不同防腐措施下混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM

由圖1可見：

（1）A-2～A-4配比與基準(zhǔn)相比，DRCM都有明顯降低；A-3與A-2相比，28 d的DRCM差別不大，56 d的DRCM明顯降低，大摻量礦物摻合料需要更長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。

（2）B-1～B-4與基準(zhǔn)比較，DRCM均有明顯降低，摻防腐劑的混凝土密實(shí)度更高，提高了抗氯離子滲透性能。

（3）C-1采用抗硫酸鹽水泥，與采用普通硅酸鹽水泥A-1相比，DRCM差異不大，說明抗硫酸鹽水泥對(duì)抗氯離子的滲透性沒有明顯作用；C-2采用抗硫酸鹽水泥摻加防腐劑，與未摻的A-2相比，DRCM有降低，抗氯離子滲透性更強(qiáng)；D-2提高了混凝土的含氣量，與A-2相比對(duì)DRCM沒有明顯作用；E-1與A-1相比，DRCM有明顯降低，但與A-2相比，抗氯離子滲透性能提高不明顯。

2.4 不同防腐措施下混凝土的抗硫酸鹽性能

不同防腐措施下混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)耐蝕系數(shù)如圖2所示。

圖2 不同防腐措施下混凝土的抗硫酸鹽耐蝕系數(shù)

根據(jù)JGJ/T 193—2009，將混凝土的抗硫酸鹽等級(jí)劃分為6個(gè)等級(jí)。由圖2可知，A-1基準(zhǔn)配比的抗硫酸鹽等級(jí)只達(dá)到KS30；A-2、A-3、A-4配比的抗硫酸鹽等級(jí)相比基準(zhǔn)配比有明顯提高，分別達(dá)到 KS90、KS120、KS120；B-1～B-4 的 4組摻加防腐劑配比的抗硫酸鹽等級(jí)相比未摻防腐劑的A-2有顯著提高，分別達(dá)到 KS120、KS150、＞KS150、KS120；C-1、C-2 配比的抗硫酸鹽耐蝕性能非常好，已達(dá)到＞KS150，尤其是C-2配比在150次循環(huán)后強(qiáng)度無降低；D-2引氣混凝土的抗硫酸鹽等級(jí)比A-2未引氣配比有明顯提高，達(dá)到KS120；E-1配比的抗硫酸鹽等級(jí)與A-1基準(zhǔn)相比有提升，達(dá)到KS60。

2.5 防腐措施的適用環(huán)境條件

電力工程建（構(gòu)）筑物作為一般工業(yè)工程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用壽命為50～60年，相應(yīng)采用混凝土耐久性設(shè)計(jì)可以采用年限為50（60）年的技術(shù)要求，對(duì)混凝土防腐措施進(jìn)行性能評(píng)價(jià)和使用建議。

由于電力行業(yè)尚未出臺(tái)相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，采用GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的技術(shù)要求，并以鐵路行業(yè)的TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》作為參考。根據(jù)2個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)環(huán)境作用等級(jí)的劃分所對(duì)應(yīng)的耐久性要求如表9所示。其中氯鹽環(huán)境按GB/T50476—2008的要求，硫酸鹽環(huán)境按TB 10005—2010的要求，根據(jù)作用機(jī)理分成化學(xué)腐蝕（H）和鹽類結(jié)晶（Y）兩類。

表9 不同環(huán)境作用的耐久性要求

根據(jù)不同環(huán)境作用的耐久性要求，對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果的耐久性適用環(huán)境等級(jí)進(jìn)行劃分，見表10。

表10 不同配比混凝土的適用環(huán)境

由此可知：（1）現(xiàn)場(chǎng)攪拌的普通混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，在腐蝕環(huán)境下耐久性較差，在中等強(qiáng)度及以上腐蝕環(huán)境不宜采用這種只滿足強(qiáng)度要求的普通混凝土；（2）一般商品混凝土的耐久性比現(xiàn)場(chǎng)攪拌的普通混凝土已有明顯提升，在微腐蝕或弱腐蝕環(huán)境下已經(jīng)滿足耐久性要求，可以有條件的選擇使用；（3）高性能混凝土在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)前提下，耐久性指標(biāo)提升。高性能混凝土的不同水膠比、礦物摻合料摻量、養(yǎng)護(hù)齡期最優(yōu)性能選擇范圍有待進(jìn)一步驗(yàn)證；（4）混凝土防腐劑對(duì)提高抗氯離子滲透和硫酸鹽腐蝕都有一定的效果，可以作為輔助措施用于混凝土提高耐久性能；（5）引氣混凝土對(duì)提高抗硫酸鹽腐蝕性能有一定效果，并且使用簡(jiǎn)單、成本較低，在弱腐蝕環(huán)境可單獨(dú)使用，在強(qiáng)腐蝕環(huán)境時(shí)可以作為輔助措施與其它措施共用；（6）抗硫酸鹽水泥對(duì)抗硫酸鹽腐蝕具有最好的效果。由于產(chǎn)量低、價(jià)格高的原因，通常只在少數(shù)特別嚴(yán)重的硫酸鹽腐蝕環(huán)境中才會(huì)選用。但因其對(duì)抗氯離子滲透性無明顯作用，存在氯離子和硫酸根共同作用的腐蝕因素環(huán)境下不建議單獨(dú)使用；（7）提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方式對(duì)耐久性提高程度有限，主要是提供更高的結(jié)構(gòu)承載力方面采取的措施，在強(qiáng)腐蝕環(huán)境并不能起到很好的作用，在微腐蝕、弱腐蝕環(huán)境中可以考慮。

3 結(jié)論

（1）不同內(nèi)防腐措施對(duì)提高混凝土耐久性的效果不同，應(yīng)根據(jù)腐蝕環(huán)境的具體條件采用適宜的防腐措施。

（2）高性能混凝土對(duì)耐氯鹽和硫酸鹽腐蝕都有較好的效果，抗硫酸鹽水泥對(duì)抗硫酸鹽腐蝕具有較好的作用效果。

（3）不同的混凝土防腐劑（復(fù)合防腐阻銹劑）存在性能差異，滿足技術(shù)要求的合格產(chǎn)品具體的混凝土防腐尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。

（4）防腐劑與高性能混凝土配合使用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。