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1、1防腐混凝土在岩土工程施工中的应用摘 要:结构防腐主要从混凝土内部阐述其腐蚀性,并通过掺入外加剂进行有机补偿,使其应用于各种抗裂防渗混凝土,尤其适用于与防水有关的地下、水工、海工、地铁、隧道和水电等钢筋混凝土结构工程。关键词:防腐混凝土;岩土工程;地下工程0 引言建筑结构防腐与裂缝控制是一个系统工程,近 10 年来,我国工民建向长期化、复杂化发展,商品混凝土普及应用,混凝土强度等级从 C30 向 C50 发展,这些因素导致钢筋混凝土结构开裂的机率增多。大多数土壤中都含有一些硫酸盐,若硫酸盐浓度低,则对混凝土不会产生太大的影响;若硫酸盐浓度高,则可对建筑物或构筑物的地下部分,如桥梁、隧道、涵洞和
2、房屋的基础产生显著的破坏作用。这种破坏可能以膨胀形式出现而导致结构位移。硫酸盐膨胀也可使混凝土中的水泥水化产物丧失胶凝2性,呈酥松状或糊状。我国隧道工程中也常遇到硫酸盐浓度高的地质环境。本项工程为福建省某矿业公路改线工程,长度为 5.488 正线公里,位于两矿隧道之间,附近是矿区蓄水区,蓄水后将形成一个污水水库,库内为酸性水。设计文件说明:段内地表水为永坎铜矿水库库内及排出的沟水,根据与原既有线定测水质分析结果,水质属 SO42-、K+、Na+、Ca2+型水,对混凝土有强酸性和强溶出型及中等硫酸侵蚀性,矿区排出的水硫酸根含量达1200mg/L,具有强腐蚀性。在附近流经线路的沟水,水质属HCO3
3、-Cl-K+Na+型水,对混凝土具有中等溶出型和弱酸性侵蚀。为此设计要求桥梁墩台基础及地面上 2m 以下部分的墩身,涵洞基础及边墙以及 2 号隧道的混凝土均采用防腐混凝土。根据以上设计说明,我们在一进场就进行施工调查,首先对各作业点的地表水进行随机取样,及时送实验中心及卫生防疫站进行水质化验分析,化验结果水质呈酸性,并将水质报告送至有关部门,经确认其侵蚀程度为中等侵蚀。1 硫酸盐腐蚀机理3硫酸盐腐蚀是指环境中的 SO42-与硬化水泥浆的某些组分(水化硫铝酸钙、氢氧化钙)起化学反应,生成二水石膏或钙钒石,其相同体积比反应物增加 1 倍多,在水泥石内部产生很大的膨胀应力,造成混凝土膨胀开裂以至毁坏
4、。环境水中的 SO42-含量不同,能使硬化水泥浆产生不同性质的腐蚀,当 SO42-浓度较低时,它使硬化水泥浆产生硫铝酸钙腐蚀,当 SO42-浓度 1000mg/L 时,除了硫铝酸钙腐蚀外,还会产生石膏型的腐蚀。从腐蚀的实际过程来看,硫铝酸钙腐蚀是由于生成钙矾石,最初使硬化水泥浆变成密实,强度增加。但随着钙矾石生成量的继续增多,产生局部膨胀压力,使结构胀裂,强度下降而破坏,在遭受硫铝酸钙腐蚀的试体上面可看到较大裂缝,而石膏的腐蚀是先经历一个强度降低的过程,继之膨胀、开裂。混凝土后期膨胀出现裂缝,主要原因是:(1)水泥中游离 CaO 过高,Ca(OH)2 体积膨胀所致;(2)水泥中 MgO 过高,
5、Mg(OH)2 体积膨胀所致;(3)水泥和外加剂碱含量过高,与集料中活性硅等发生碱-4集料反应所致;(4)有害离子 Cl-、Mg2+等侵入混凝土内部,导致钢筋锈蚀或形成二次钙矾石膨胀破坏所致。2 防腐混凝土原材料的选择考虑混凝土防腐主要是材料的耐久性,因为耐久性对结构的维修和更新费用,有重大经济意义。耐久性被定义为材料在给定的环境条件下的使用年限。一般,密实的或不透水的混凝土具有长期的耐久性,而取决于它的配合比、捣实的程度和养护及正常环境的温度和湿度。在以往工程中采用抗硫酸盐水泥配制防腐混凝土。但由于抗硫酸盐水泥作为特种水泥,目前国内生产厂家生产规模较小,并受工艺、运距、数量、价格较高等因素影
6、响,制约了防腐混凝土商品化的发展。而我们利用普通硅酸盐水泥和 NF-C耐腐蚀防水剂和优质粉煤灰,配制防腐混凝土并应用到永坎铜矿改线工程上,既解决了混凝土的防腐问题,又降低了混凝土成本,取得了较好的经济和社会效益。2.1 水泥5国内外有关资料的分析表明,在水泥的各个主要矿物组成中,C3A 的含量大小对水泥的抗硫酸盐侵蚀能力影响最大,其次取决于 C3S 含量。表 1 为水泥中各主要矿物的含量对抗硫酸盐性能的影响。水泥用量增加可提高混凝土密实度,从而可以提高混凝土的抗硫酸盐性能。G.J.Verbeck 对加利福尼亚州萨拉曼都硫酸盐土壤(含 10%Na2SO4)中的混凝土试件进行长期研究,其结果见图
7、1。从图 1 可见,当水泥用量为 225kg/m3 和 310kg/m3 时,硫酸盐溶液对混凝土的破坏程度随着 C3A 的增加而增大,但当水泥用量达 390kg/m3 时,硫酸盐溶液对混凝土的破坏随着C3A 含量的增加而只有稍微增加。ASTM 标准的 5 种水泥中除早强型水泥外,、和型水泥(水泥中 C3A 含量分别为 10%、4%、8%和 3%)混凝土的破坏几乎为零。这说明高水泥用量会显著地增强混凝土的抗渗性,进而提高混凝土的抗侵蚀能力。防腐混凝土使用的水泥除物理性能满足标准要求外,其 C3A 含量不超过 8%,同时为防止碱集料反应,应尽量采用低碱水泥,我们选用了“科华”牌 P.O32.5 水
8、泥。2.2 粉煤灰6在本项的混凝土施工过程中,掺入一定量的粉煤灰,这样可改善混凝土的抗腐蚀性能,因为首先用火山灰质混合材将降低水泥中的 C3A 和 C3S 的含量,相当于在混凝土中所用的胶结材料是低 C3A 和低 C3S 的水泥。其次这些火山灰质混合材的水泥水化过程中产生 Ca(OH)2,引起化学反应生成 C-S-H凝胶,除了消除一部分 Ca(OH)2 外,还能提高强度。Ca(OH)2的消除将减轻其膨胀危害,强度的提高则能限制其膨胀。C-S-H 凝胶的产生使结构致密,降低了 SO42-渗透进混凝土的能力。所以我们选用了江西贵溪电厂级粉煤灰。2.3 砂为降低混凝土中的 Cl-含量,我们选用了级配
9、良好、含泥量等符合标准的中砂。2.4 卵石通常,天然砾石呈圆形,具有光滑的表面结构;破碎的岩石表面具有粗糙结构,粗糙度取决于岩石类型及所选择的破碎设备。破碎的骨料可以含有相当数量的扁平和长条颗粒,这类颗粒对混凝土许多性质起不良影响。呈高度蜂窝状的浮石轻骨料同样呈多角形和粗糙结构,但陶粒或页岩轻骨料通常呈圆形7和光滑结构。为提高混凝土密实度,我们选用 0.54.0cm 连续级配卵石配制防腐混凝土。2.5 防腐剂为了抑制混凝土的侵蚀,并对市场上的调查,我们选定了NF-C 耐腐蚀防水剂,此剂具有一定的引气和减水功能,降低了混凝土的用水量,在混凝土中形成大量的密闭、均匀的微气孔,改善了混凝土的孔结构,
10、提高了混凝土的密实度。3 防腐混凝土配合比设计根据设计说明及现场取样的水质分析报告来确定混凝土配合比设计的防腐等级,高水泥用量低渗透性的混凝土具有较高的抗硫酸性能,因此在混凝土施工过程中应尽量提高其抗渗性。除了增加水泥用量外,另外一个重要措施就是降低水灰比,一般情况水灰比低则混凝土致密,抗渗性也相应地提高。3.1 按试配强度计算水灰比按公路混凝土与砌体工程施工规范(TB10210-2001/J118-2001)中表 C.0.2 环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判断的判定规则(见表 2),永坎铜矿改线工程的地表水水质属中等侵蚀,所以根据表 C.0.3 混凝土8受硫酸盐、盐类结晶或溶出型侵蚀的防
11、护措施的规定(见表 3),其最大水灰比应小于 0.50,要求抗渗等级P8。3.2 计算水泥用量、粉煤灰用量根据防腐混凝土施工工艺要求确定坍落度为 3050mm。通过混凝土拌合物性能试验选择用水量 171kg/m3。粉煤灰采用外加法,掺入量为水泥用量的 30%。水泥用量 CO=171/0.43=398kg。粉煤灰用量 Fm=C030%=39830%=119kg。3.3 计算砂石用量按假定容量法 2400kg/m3 计算,砂率取 38.0%。砂用量 Sm=558kg,石用量 G0=1136k3.4 计算外加剂用量按计算的水泥用量 C0 计算外加剂用量,按 8%最佳掺量掺入。93.5 根据实测容重调
12、整混凝土的原材料用量4 正交试验设计4.1 选择因素水平因素水平详见表 4。由极差大小可知:NF-C 耐腐蚀防水剂对混凝土抗压强度的影响最大,粉煤灰对混凝土抗压强度的影响次之。计算表明,A 因素和 B 因素三个水平测值的和,均以第一水平为最大,即粉煤灰掺量越小,NF-C 耐腐蚀防水剂掺量最佳时,混凝土抗压强度越大。4.2 正交试验结果与极差分析L9(34)正交试验结果及极差分析详见表 5。4.3 方差分析L9(34)正交试验结果及方差分析详见表 6、表 7。10上述试验数据分析表明,NF-C 耐腐蚀防水剂和粉煤灰对混凝土抗压强度的影响均是显著的。且国内外大量试验已经证明粉煤灰的活性一般在后期得
13、到发挥,它对混凝土的后期强度有较大贡献,有利于后期强度的发展。所以本次试验没有再取 60 天和 90 天龄期的抗压强度来验证这一点。5 捣实和养护正确捣实可提高混凝土的密实度,避免过振而使浮浆过厚,确保抹压及时不出现塑性裂缝,同时认真对施工缝和细部结构进行微处理,可阻止 SO42-向混凝土内部渗透,而潮湿养护则是混凝土强度发展的重要因素,对于掺矿物掺合料特别是掺粉煤灰的混凝土,更应该加强潮湿养护。施工过程中由于混凝土保温、保湿养护不到位,容易产生收缩裂缝。特别是露天构筑物,尽管当地湿度很大,但是由于吹风影响,加速了混凝土水分蒸发速度,亦即增加干缩速度,容易引起早期表面裂缝,这也是夏季比秋季、南
14、方比北方出现结构裂缝较多的原因。不少结构在浇注完了 36 个月,甚至在 12年内出现裂缝,除荷载问题外,主要还是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些基础不及时复土,出入口长期敞开,局部11防水层破坏不及时修补,这些与施工和建设方对结构维护缺乏认识有关。因此,在施工和使用过程中,我们重视已浇结构的保温、保湿维护工作,除确保其强度达到规定强度等级 100%外,尽量减少“热胀冷缩”之影响。6 应用效果在施工过程中我们对防腐混凝土的试件进行了抗渗试验,水压力加至 1.1kPa 时,试件均未出现渗水,其抗渗等级全部能够满足设计要求,同时其相对应的混凝土试件进行抗压强度试验,其强度等级也达到了设计要求。该防腐蚀堵漏效果工程完成 2 年后回访,防腐蚀堵漏效果显著而无任何新的问题产生。7 结语通过对混凝土机理的研究和环境的分析,结合试验数据,确定了通过掺入外加剂进行有机补偿和施工合理的控制,对增强混凝土的耐久性、延长混凝土建筑物使用寿命具有很强的现实意义。同时通过环保角度和避免重复建设角度考虑,防腐蚀混凝土的前景令人乐观,具有较高的经济价值。12参考文献:1陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法J.建筑技术,2003,24(5).2牛荻涛.混凝土结构的耐久性与寿命预测M.北京:科学出版社,2003.
