防腐混凝土在巖土工程施工中的應(yīng)用

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

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

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)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(fù)雜化發(fā)展,商品混凝土普及應(yīng)用,混凝土強度等級從C30向C50發(fā)展,這些因素導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂的機率增多。

大多數(shù)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(chǎn)生太大的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對建筑物或構(gòu)筑物的地下部分,如橋梁、隧道、涵洞和房屋的基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著的破壞作用。這種破壞可能以膨脹形式出現(xiàn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移。硫酸鹽膨脹也可使混凝土中的水泥水化產(chǎn)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(zhì)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(nèi)為酸性水。設(shè)計文件說明:段內(nèi)地表水為永坎銅礦水庫庫內(nèi)及排出的溝水,根據(jù)與原既有線定測水質(zhì)分析結(jié)果,水質(zhì)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(jīng)線路的溝水,水質(zhì)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(shè)計要求橋梁墩臺基礎(chǔ)及地面上2m以下部分的墩身,涵洞基礎(chǔ)及邊墻以及2號隧道的混凝土均采用防腐混凝土。

根據(jù)以上設(shè)計說明,我們在一進場就進行施工調(diào)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(zhì)化驗分析,化驗結(jié)果水質(zhì)呈酸性,并將水質(zhì)報告送至有關(guān)部門,經(jīng)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(xué)反應(yīng),生成二水石膏或鈣釩石,其相同體積比反應(yīng)物增加1倍多,在水泥石內(nèi)部產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)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(chǎn)生不同性質(zhì)的腐蝕,當SO42-濃度較低時,它使硬化水泥漿產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生局部膨脹壓力,使結(jié)構(gòu)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(jīng)歷一個強度降低的過程,繼之膨脹、開裂。混凝土后期膨脹出現(xiàn)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(yīng)所致;
(4)有害離子Cl-、Mg2+等侵入混凝土內(nèi)部,導(dǎo)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(jié)構(gòu)的維修和更新費用,有重大經(jīng)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(nèi)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)規(guī)模較小,并受工藝、運距、數(shù)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(zhì)粉煤灰,配制防腐混凝土并應(yīng)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(jīng)濟和社會效益。

2.1 水泥

國內(nèi)外有關(guān)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(jié)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(yīng),應(yīng)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(zhì)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(jié)材料是低C3A和低C3S的水泥。其次這些火山灰質(zhì)混合材的水泥水化過程中產(chǎn)生Ca(OH)2,引起化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)生使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);破碎的巖石表面具有粗糙結(jié)構(gòu),粗糙度取決于巖石類型及所選擇的破碎設(shè)備。破碎的骨料可以含有相當數(shù)量的扁平和長條顆粒,這類顆粒對混凝土許多性質(zhì)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(jié)構(gòu),但陶?；蝽搸r輕骨料通常呈圓形和光滑結(jié)構(gòu)。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(diào)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(jié)構(gòu),提高了混凝土的密實度。

3 防腐混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)設(shè)計說明及現(xiàn)場取樣的水質(zhì)分析報告來確定混凝土配合比設(shè)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(yīng)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(yīng)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(zhì)屬中等侵蝕,所以根據(jù)表C.0.3混凝土受硫酸鹽、鹽類結(jié)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(yīng)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(jù)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(jù)實測容重調(diào)整混凝土的原材料用量
4 正交試驗設(shè)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(shù)據(jù)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(nèi)外大量試驗已經(jīng)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(xiàn)塑性裂縫,同時認真對施工縫和細部結(jié)構(gòu)進行微處理,可阻止SO42-向混凝土內(nèi)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(yīng)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(chǎn)生收縮裂縫。特別是露天構(gòu)筑物,盡管當?shù)貪穸群艽?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(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫較多的原因。不少結(jié)構(gòu)在澆注完了3~6個月,甚至在1~2年內(nèi)出現(xiàn)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(chǔ)不及時復(fù)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(shè)方對結(jié)構(gòu)維護缺乏認識有關(guān)。因此,在施工和使用過程中,我們重視已澆結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xiàn)滲水,其抗?jié)B等級全部能夠滿足設(shè)計要求,同時其相對應(yīng)的混凝土試件進行抗壓強度試驗,其強度等級也達到了設(shè)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(chǎn)生。
7 結(jié)語
通過對混凝土機理的研究和環(huán)境的分析,結(jié)合試驗數(shù)據(jù),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(xiàn)實意義。同時通過環(huán)保角度和避免重復(fù)建設(shè)角度考慮,防腐蝕混凝土的前景令人樂觀,具有較高的經(jīng)濟價值。

參考文獻:
[1]陳肇元.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計方法[J].建筑技術(shù),2003,24(5).
[2]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學(xué)出版社,2003.