防腐混凝土在巖土工程施工中的應用

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摘　要:結構防腐主要從混凝土內部闡述其腐蝕性,并通過摻入外加劑進行有機補償,使其應用于各種抗裂防滲混凝土,尤其適用于與防水有關的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程。
關鍵詞:防腐混凝土;巖土工程;地下工程

0 引言

建筑結構防腐與裂縫控制是一個系統(tǒng)工程,近10年來,我國工民建向長期化、復雜化發(fā)展,商品混凝土普及應用,混凝土強度等級從C30向C50發(fā)展,這些因素導致鋼筋混凝土結構開裂的機率增多。

大多數土壤中都含有一些硫酸鹽,若硫酸鹽濃度低,則對混凝土不會產生太大的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對建筑物或構筑物的地下部分,如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎產生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現而導致結構位移。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產物喪失膠凝性,呈酥松狀或糊狀。我國隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質環(huán)境。

本項工程為福建省某礦業(yè)公路改線工程,長度為5.488正線公里,位于兩礦隧道之間,附近是礦區(qū)蓄水區(qū),蓄水后將形成一個污水水庫,庫內為酸性水。設計文件說明:段內地表水為永坎銅礦水庫庫內及排出的溝水,根據與原既有線定測水質分析結果,水質屬SO42-、K+、Na+、Ca2+型水,對混凝土有強酸性和強溶出型及中等硫酸侵蝕性,礦區(qū)排出的水硫酸根含量達1200mg/L,具有強腐蝕性。在附近流經線路的溝水,水質屬HCO3-·Cl--K++Na+型水,對混凝土具有中等溶出型和弱酸性侵蝕。為此設計要求橋梁墩臺基礎及地面上2m以下部分的墩身,涵洞基礎及邊墻以及2號隧道的混凝土均采用防腐混凝土。

根據以上設計說明,我們在一進場就進行施工調查,首先對各作業(yè)點的地表水進行隨機取樣,及時送實驗中心及衛(wèi)生防疫站進行水質化驗分析,化驗結果水質呈酸性,并將水質報告送至有關部門,經確認其侵蝕程度為中等侵蝕。

1 硫酸鹽腐蝕機理

硫酸鹽腐蝕是指環(huán)境中的SO42-與硬化水泥漿的某些組分(水化硫鋁酸鈣、氫氧化鈣)起化學反應,生成二水石膏或鈣釩石,其相同體積比反應物增加1倍多,在水泥石內部產生很大的膨脹應力,造成混凝土膨脹開裂以至毀壞。

環(huán)境水中的SO42-含量不同,能使硬化水泥漿產生不同性質的腐蝕,當SO42-濃度較低時,它使硬化水泥漿產生硫鋁酸鈣腐蝕,當SO42-濃度>1000mg/L時,除了硫鋁酸鈣腐蝕外,還會產生石膏型的腐蝕。

從腐蝕的實際過程來看,硫鋁酸鈣腐蝕是由于生成鈣礬石,最初使硬化水泥漿變成密實,強度增加。但隨著鈣礬石生成量的繼續(xù)增多,產生局部膨脹壓力,使結構脹裂,強度下降而破壞,在遭受硫鋁酸鈣腐蝕的試體上面可看到較大裂縫,而石膏的腐蝕是先經歷一個強度降低的過程,繼之膨脹、開裂?；炷梁笃谂蛎洺霈F裂縫,主要原因是:

(1)水泥中游離CaO過高,Ca(OH)2體積膨脹所致;
(2)水泥中MgO過高,Mg(OH)2體積膨脹所致;
(3)水泥和外加劑堿含量過高,與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應所致;
(4)有害離子Cl-、Mg2+等侵入混凝土內部,導致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。

2 防腐混凝土原材料的選擇

考慮混凝土防腐主要是材料的耐久性,因為耐久性對結構的維修和更新費用,有重大經濟意義。耐久性被定義為材料在給定的環(huán)境條件下的使用年限。一般,密實的或不透水的混凝土具有長期的耐久性,而取決于它的配合比、搗實的程度和養(yǎng)護及正常環(huán)境的溫度和濕度。

在以往工程中采用抗硫酸鹽水泥配制防腐混凝土。但由于抗硫酸鹽水泥作為特種水泥,目前國內生產廠家生產規(guī)模較小,并受工藝、運距、數量、價格較高等因素影響,制約了防腐混凝土商品化的發(fā)展。而我們利用普通硅酸鹽水泥和NF-C耐腐蝕防水劑和優(yōu)質粉煤灰,配制防腐混凝土并應用到永坎銅礦改線工程上,既解決了混凝土的防腐問題,又降低了混凝土成本,取得了較好的經濟和社會效益。

2.1 水泥

國內外有關資料的分析表明,在水泥的各個主要礦物組成中,C3A的含量大小對水泥的抗硫酸鹽侵蝕能力影響最大,其次取決于C3S含量。
表1為水泥中各主要礦物的含量對抗硫酸鹽性能的影響。

水泥用量增加可提高混凝土密實度,從而可以提高混凝土的抗硫酸鹽性能。G.J.Verbeck對加利福尼亞州薩拉曼都硫酸鹽土壤(含10%Na2SO4)中的混凝土試件進行長期研究,其結果見圖1。
 

從圖1可見,當水泥用量為225kg/m3和310kg/m3時,硫酸鹽溶液對混凝土的破壞程度隨著C3A的增加而增大,但當水泥用量達390kg/m3時,硫酸鹽溶液對混凝土的破壞隨著C3A含量的增加而只有稍微增加。ASTM標準的5種水泥中除早強型水泥外,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ型水泥(水泥中C3A含量分別為10%、4%、8%和3%)混凝土的破壞幾乎為零。這說明高水泥用量會顯著地增強混凝土的抗?jié)B性,進而提高混凝土的抗侵蝕能力。防腐混凝土使用的水泥除物理性能滿足標準要求外,其C3A含量不超過8%,同時為防止堿集料反應,應盡量采用低堿水泥,我們選用了“科華”牌P.O32.5水泥。

2.2 粉煤灰

在本項的混凝土施工過程中,摻入一定量的粉煤灰,這樣可改善混凝土的抗腐蝕性能,因為首先用火山灰質混合材將降低水泥中的C3A和C3S的含量,相當于在混凝土中所用的膠結材料是低C3A和低C3S的水泥。其次這些火山灰質混合材的水泥水化過程中產生Ca(OH)2,引起化學反應生成C-S-H凝膠,除了消除一部分Ca(OH)2外,還能提高強度。Ca(OH)2的消除將減輕其膨脹危害,強度的提高則能限制其膨脹。C-S-H凝膠的產生使結構致密,降低了SO42-滲透進混凝土的能力。所以我們選用了江西貴溪電廠Ⅱ級粉煤灰。

2.3 砂

為降低混凝土中的Cl-含量,我們選用了級配良好、含泥量等符合標準的中砂。

2.4 卵石

通常,天然礫石呈圓形,具有光滑的表面結構;破碎的巖石表面具有粗糙結構,粗糙度取決于巖石類型及所選擇的破碎設備。破碎的骨料可以含有相當數量的扁平和長條顆粒,這類顆粒對混凝土許多性質起不良影響。呈高度蜂窩狀的浮石輕骨料同樣呈多角形和粗糙結構,但陶粒或頁巖輕骨料通常呈圓形和光滑結構。為提高混凝土密實度,我們選用0.5~4.0cm連續(xù)級配卵石配制防腐混凝土。

2.5 防腐劑

為了抑制混凝土的侵蝕,并對市場上的調查,我們選定了NF-C耐腐蝕防水劑,此劑具有一定的引氣和減水功能,降低了混凝土的用水量,在混凝土中形成大量的密閉、均勻的微氣孔,改善了混凝土的孔結構,提高了混凝土的密實度。

3 防腐混凝土配合比設計

根據設計說明及現場取樣的水質分析報告來確定混凝土配合比設計的防腐等級,高水泥用量低滲透性的混凝土具有較高的抗硫酸性能,因此在混凝土施工過程中應盡量提高其抗?jié)B性。除了增加水泥用量外,另外一個重要措施就是降低水灰比,一般情況水灰比低則混凝土致密,抗?jié)B性也相應地提高。
3.1 按試配強度計算水灰比

按《公路混凝土與砌體工程施工規(guī)范》(TB10210-2001/J118-2001)中表C.0.2環(huán)境水對混凝土侵蝕類型及侵蝕程度的判斷的判定規(guī)則(見表2),永坎銅礦改線工程的地表水水質屬中等侵蝕,所以根據表C.0.3混凝土受硫酸鹽、鹽類結晶或溶出型侵蝕的防護措施的規(guī)定(見表3),其最大水灰比應小于0.50,要求抗?jié)B等級≥P8。

3.2 計算水泥用量、粉煤灰用量
根據防腐混凝土施工工藝要求確定坍落度為30~50mm。通過混凝土拌合物性能試驗選擇用水量171kg/m3。粉煤灰采用外加法,摻入量為水泥用量的30%。
水泥用量CO=171/0.43=398kg。
粉煤灰用量Fm=C0×30%=398×30%=119kg。
3.3 計算砂石用量
按假定容量法2400kg/m3計算,砂率取38.0%。
砂用量Sm=558kg,石用量G0=1136k
3.4 計算外加劑用量
按計算的水泥用量C0計算外加劑用量,按8%最佳摻量摻入。
3.5 根據實測容重調整混凝土的原材料用量
4 正交試驗設計
4.1 選擇因素水平
因素水平詳見表4。
由極差大小可知:NF-C耐腐蝕防水劑對混凝土抗壓強度的影響最大,粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響次之。計算表明,A因素和B因素三個水平測值的和,均以第一水平為最大,即粉煤灰摻量越小,NF-C耐腐蝕防水劑摻量最佳時,混凝土抗壓強度越大。

上述試驗數據分析表明,NF-C耐腐蝕防水劑和粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響均是顯著的。且國內外大量試驗已經證明粉煤灰的活性一般在后期得到發(fā)揮,它對混凝土的后期強度有較大貢獻,有利于后期強度的發(fā)展。所以本次試驗沒有再取60天和90天齡期的抗壓強度來驗證這一點。
5 搗實和養(yǎng)護
正確搗實可提高混凝土的密實度,避免過振而使浮漿過厚,確保抹壓及時不出現塑性裂縫,同時認真對施工縫和細部結構進行微處理,可阻止SO42-向混凝土內部滲透,而潮濕養(yǎng)護則是混凝土強度發(fā)展的重要因素,對于摻礦物摻合料特別是摻粉煤灰的混凝土,更應該加強潮濕養(yǎng)護。
施工過程中由于混凝土保溫、保濕養(yǎng)護不到位,容易產生收縮裂縫。特別是露天構筑物,盡管當地濕度很大,但是由于吹風影響,加速了混凝土水分蒸發(fā)速度,亦即增加干縮速度,容易引起早期表面裂縫,這也是夏季比秋季、南方比北方出現結構裂縫較多的原因。不少結構在澆注完了3~6個月,甚至在1~2年內出現裂縫,除荷載問題外,主要還是環(huán)境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些基礎不及時復土,出入口長期敞開,局部防水層破壞不及時修補,這些與施工和建設方對結構維護缺乏認識有關。因此,在施工和使用過程中,我們重視已澆結構的保溫、保濕維護工作,除確保其強度達到規(guī)定強度等級100%外,盡量減少“熱脹冷縮”之影響。
6 應用效果
在施工過程中我們對防腐混凝土的試件進行了抗?jié)B試驗,水壓力加至1.1kPa時,試件均未出現滲水,其抗?jié)B等級全部能夠滿足設計要求,同時其相對應的混凝土試件進行抗壓強度試驗,其強度等級也達到了設計要求。該防腐蝕堵漏效果工程完成2年后回訪,防腐蝕堵漏效果顯著而無任何新的問題產生。
7 結語
通過對混凝土機理的研究和環(huán)境的分析,結合試驗數據,確定了通過摻入外加劑進行有機補償和施工合理的控制,對增強混凝土的耐久性、延長混凝土建筑物使用壽命具有很強的現實意義。同時通過環(huán)保角度和避免重復建設角度考慮,防腐蝕混凝土的前景令人樂觀,具有較高的經濟價值。

參考文獻:
[1]陳肇元.混凝土結構的耐久性設計方法[J].建筑技術,2003,24(5).
[2]牛荻濤.混凝土結構的耐久性與壽命預測[M].北京:科學出版社,2003.