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改性高抗硫耐腐蚀混凝土的研究与应用

2021-01-16 08:43 作者:e胜博官网 点击:

  (中建西部建设股份有限公司,新疆830006) 要]本项目通过三掺粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰等取代部分水泥,再掺入一定量的抗裂防腐剂,通过三掺矿物掺合料及抗裂防腐剂共同作用下,充分发挥其互补效应,减少了水泥石的孔隙,提高了混凝土的密实度,优化配合比,配制改性高抗 硫耐腐蚀混凝土。试验结果表明,掺入 35%~40% 的磨细粉煤灰和粒化高炉矿渣及 4%~6% 的硅灰能有效的提高混凝土抗氯离 子渗透性能,抗硫酸盐侵蚀能力及抗压强度。 [关键词]矿物掺合料;抗裂防腐剂;密实度、抗硫酸盐侵蚀 前言比为 95%。 磨细粉煤灰:中建西部建设股份有限公司乌鲁木齐分公 司生产,比表面积为 590m /kg,需水量比为97%,28d 活性 指数为 96%。 粒化高炉矿渣:中建西部建设股份有限公司乌鲁木齐分 公司生产,比表面积为 440 /kg,需水量比为97%,28d 性指数为103%。 硅灰:新疆哈密硅灰石矿生产的硅灰粉,SiO2 含量为 95%,需水量比为 122%,28d 活性指数为 114%。 细骨料: 采用天然水洗砂,属于 3.5。粗骨料:采用 5~20mm,20~40mm 连续级配的卵石。 外加剂:采用江苏苏博特聚羧酸减水剂,减水率达 25% 以上,防腐剂采用河北同邦抗硫酸盐侵蚀防腐剂,掺量为 6%~10%。 1.2 试验方法 耐腐蚀混凝土混凝土胶砂试验按照 GB/T 17671-1999 《水泥强度检验方法(ISO法)》进行。 耐腐蚀混凝土胶砂 抗硫酸盐侵蚀试验按照《水泥抗硫酸 盐侵蚀试验方法》浸泡抗蚀性能试验方法(K 法)进行。 腐蚀混凝土力学性能试验按照GB/T 50081-2002 凝土力学性能试验方法标准》进行。耐腐蚀混凝土抗氯离子 渗透试验按照 GB/T 50082-2009 《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》快速氯离 子迁移系数法(RCM 法)与电通量法进行。 耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀按照 GB/T 50082-2009 通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》中抗硫酸盐侵蚀试验进行。 新疆地处干旱地区,盐碱土地面积大,而盐碱地的 土壤与地下水中含有很高的硫酸盐,同时往往还伴随着镁 30000mg/L,例如乌鲁木齐市南湖区地下水中SO 3784mg/L,沙区北园春地下水中SO 浓度达1244mg/L。 根据 GB/T 50476-2008 《混凝土结构耐久性设计规范》中 “水、土中硫酸盐和酸类物质环境作用等级”相应的判定标 准,上述环境水中的SO 浓度会对水泥混凝土造成非常严重的硫酸盐侵蚀。 常规的防腐手段多为采用高抗硫水泥或者 外层涂抹保 护层,成本高、效果持续时间短,而本项目研制的改性高抗 硫耐腐蚀混凝土采用普通水泥、矿物掺合料、新型抗裂防腐 剂,优化混凝土配合比后可以显著提高混凝土抗硫酸侵蚀能 针对2013 年开始施工建设的源凯第壹城、高新区科研总 部基地等工程,处于高硫酸盐土壤地带,如不采取相应的防 腐措施,会对构筑物带来巨大的侵蚀破坏。本技术是新疆西 建科研检测有限责任公司于 2012 年奇台县芨芨湖站防腐蚀混 凝土技术服务工作基础上的进一步深入研究,对于解决高硫 酸盐土壤地带的构筑物腐蚀问题,有着显著的效果。 盐渍土环境严重威胁到建筑物的安全,因此耐腐蚀混 凝土配制技术的开发显得尤为重要。本项目根据盐渍土地区 特殊的土质与水质,通过掺加高性能矿物掺合料与新型外加 剂,优化配合比,降低混凝土氯离子渗透能力,提高混凝土 抗硫酸盐侵蚀能力,从而得到一种能在盐渍土地区应用的新 型耐腐蚀混凝土。 试验结果与分析1.1 试验原材料 水泥:吉木萨尔县天宇华鑫水泥开发有限公司 2.1 矿物掺合料抗蚀系数试验 矿物掺合料种类与不同矿物掺合料之间的比例是影响 混凝土耐腐蚀的重要因素,不同种类的矿物掺合料具有不同 的作用,不同矿物掺合料之间的比例也会产生不同的叠加效 应。本项目通过正交设计与水泥胶砂试验的方法,通过水泥 42.5R水泥,28d 抗压强度为 51.3MP a,标准稠度用水量为 27.9%, 其余各项性能指标符合 GB/T 175-2007 《通用硅酸盐水泥》 的要求。 粉煤灰:红雁池二电厂 15.2%,需水量56 商品混凝土 Beton Chinese Edit ion Ready-mixedCon cr et 工程档案2015年第1 胶砂抗硫酸盐侵蚀试验的结果来选择矿物掺合料种类与比例。具体见下表 1,2。 灰掺量,其次是粒化高炉矿渣,最后是硅灰,这是由于粉煤 灰相比粒化高炉矿渣虽然粒型较好,但是比表面积小、活性 低,并且随掺量的变化,胶砂强度波动性较大,因此对结果 产生了较大影响,当粉煤灰掺量大于 30%,抗蚀系数 可知,磨细粉煤灰相对于粉煤灰具有更高的比表面积,更高的活性指数,它已经不单单 是一种矿物掺合料,而是同硅灰一样纳入了矿物外加剂的行 中还可以看出,在其他矿物掺合料种类与掺量相同的情况下,掺入磨细粉煤灰的抗蚀系数均大于掺入粉煤灰的 试件,同时,掺入磨细粉煤灰后,试验结果也具有更小的极 因此,本研究根据水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀试验中各种矿物掺合料种类与掺量的抗蚀系数及其离散性,选取磨细粉 煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰作为耐腐蚀混凝土的矿物掺合 料,推荐掺量(10%:15%:4%)、(10%:20%:6%)、 (15%:10%:4%)、(20%:10%:6%)。 2.2 耐腐蚀混凝土力学性能与耐腐蚀性能研究 2.2.1 耐腐蚀混凝土配合比设计 粉煤灰+粒化高炉矿渣+硅灰水泥胶砂试验序号 粉煤灰(%) 粒化高炉矿渣 1011 12 13 14 15 16 20 20 20 20 25 25 25 25 30 30 30 30 40 40 40 40 20 25 30 40 20 25 30 40 20 25 30 40 20 25 30 40 0.860.91 0.93 0.87 0.92 0.86 0.89 0.84 0.90 0.87 0.84 0.85 0.83 0.81 0.76 0.76 K1 K2 K3 K4 0.895 0.877 0.865 0.790 0.880 0.863 0.855 0.830 0.833 0.860 0.870 0.865 C40耐腐蚀混凝土配合比 编号 减水剂 防腐剂 FAKM 8080 100 120 1624 16 24 0.1050.050 0.037 C40-0 C40-1 C40-2 C40-3 C40-4 290 204 176 204 176 55 55100 120 80 80 1178 注:因素主次:粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰。优选方案序号:2、3、5、9。 磨细粉煤灰+粒化高炉矿渣+硅灰水泥胶砂试验粒化高炉矿 序号粉煤灰(%) 注:C40-0为基准配合比,C40-1~C40-4 配合比中的磨细粉 煤灰(KM)、粒化高炉矿渣(K)、硅灰(Si)用量分别与 上述 配合比对应。17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 20 20 20 20 25 25 25 25 30 30 30 30 40 40 40 40 20 25 30 40 20 25 30 40 20 25 30 40 20 25 30 40 0.870.93 0.95 0.89 0.94 0.88 0.90 0.86 0.91 0.89 0.86 0.87 0.86 0.84 0.80 0.79 2.2.2 力学性能与耐腐蚀性试验方法 力学性能试验方法参照 GB/T 50081-2002《混凝土力学 性能试验方法标准》,试件尺寸 150mm150mm150mm。 氯离子迁移系数试验(RCM 法)、电通量试验、抗硫 盐侵蚀试验方法参照GB/ T50082-2009《普通混凝土长 期性与耐久性试验方法标准》,其中氯离子迁移系数试验 (RCM 法)、电通量试验试件尺寸直径 (1001)mm,高度 (502)mm,采用多功能混凝土渗透性综合试验仪。 抗硫酸 盐侵蚀试验试件尺寸 100mm100mm100mm, 应在养护至 28d 龄期的前 2d,将试件取出,擦干表面水分, 烘干 48h 冷却干燥至室温后,利用混凝土干湿循环机进行试 验,浸泡溶液为 5% Na2SO4溶液,100 次循环后,测定混 凝土耐蚀系数 K,其计算如下: K1 K2 K3 K4 0.9100.895 0.883 0.823 0.087 0.895 0.885 0.877 0.853 0.042 0.850 0.885 0.890 0.885 0.040 腐蚀后试件强度 100%同龄期标养试件强度 2.2.3 耐腐蚀混凝土强度分析 注:因素主次 :磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰。优选 方案:序号 18、19、21、25。 C40耐腐蚀混凝土 28d 抗压强度 MPa C40-0 C40-1 C40-2 C40-3 C40-4 试验结果分析:通过表 可以看出,当粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰共同掺入时,试验结果极差(R)最大的是粉煤 47.5 51.5 47.4 51.3 47.0 57 商品混凝土 Beton Chinese Edit ion Ready-mixedConcrete 工程档案 2015年第1 可以看出所设计配合比均符合C40 要求,与基准试件相比,C40-1 C40-3由于矿物掺合料 掺量基本相同,但是磨细粉煤灰与硅灰活性比粉煤灰高,因 此强度高于基准配合比,而 C40-2 C40-4虽然矿物掺合料 掺量高于基准配合比,但是较高的硅灰掺量与优质的磨细粉 煤灰补偿了混凝土强度的损失,最终 28d 混凝土抗压强度也 达到与基准配合比持平的水准。 2.2.4 耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能分析 试验结果分析:由表 可以看出,相比于基准混凝土,掺入磨细粉煤灰代替粉煤灰,并掺入硅灰后,可以明 显的改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。 硫酸钠溶液的侵蚀影响表现为自由膨胀率增大,抗压强 度减小,溶液中的SO 离子与混凝土中的Ca(OH) 起反应生成石膏,产生结晶膨胀,继而石膏又与混凝土中水化铝酸 钙反应生成钙矾石,使得原水化产物进一步产生体积膨胀, 对混凝土结构起破坏作用。这样,就使混凝土的抗压强度降 加入磨细粉煤灰后,磨细粉煤灰在硫酸盐和碱激发剂的双重作用下,与水泥水化产生的 Ca(OH)2 发生二次水化, 生成在低碱条件下更稳定的低钙硅比的水化硅酸钙和致密的 硫酸盐,填充于混凝土内部中的孔隙,成为混凝土结构的有 效成分,提高了混凝土结构的密实度,减小了混凝土的渗透 C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能 编号 C40-0 C40-1 C40-2 C40-3 C40-4 DRCM (0.110 12 2.71.1 1.8 1.3 1.6 1124.5 692.1 832.5 676.4 871.4 离子,改善了混凝土的性,从而减少了进入混凝土中的 SO 抗硫酸盐侵蚀性能。试验结果分析:由表 可以明显看出相比于基准配合比,C40-1~C40-4 氯离子迁移系数与电通量均低 于基准配合比 C40-0,混凝土抗氯离子渗透能力明显得到加 强,对于防止钢筋锈蚀起到了至关重要的作用。这是由于磨 细粉煤灰、硅灰等作为矿物掺合料的加入相对于传统的粉煤 灰具有更小的粒径,更高的比表面积,更高的活性,“微集 料效应”与“矿物减水剂”作用更加明显,混凝土水化过程 变快,孔隙得到减少,混凝土内部结构更加密实,有效的提 高了混凝土的抗氯离子渗透性能。 未掺入硅粉时,水泥颗粒之间的空隙较大,水泥水化 生成的产物向这些空间扩散填充,难以达到非常密实的程 度,所以混凝土中水泥凝胶体结构存在着较多的毛细孔以 及粗大的气孔,介质溶液容易渗入混凝土内部引起腐蚀。 用硅粉取代部分水泥后,首先,硅粉粒径仅为水泥颗粒的 1/50~1/100,它自身能填充在水泥颗粒之间,使水泥凝胶体 更加密实; 其次,硅粉中含有 75%~85% 的无定形 SiO2,它 的活性很高,能够与水化物 Ca(OH)2 进一步反应,生成水化 硅酸钙凝胶,形成更加均匀、密实的结构,使混凝土的孔隙 结构和其他性能得到改善,所以混凝土的强度及耐腐蚀性大 幅度提高。 DRCM(0.110 -1 应用实例根据本试验研制的改性高抗硫耐腐蚀混凝土在 2013 开始施工建设的源凯第壹城、高新区科研总部基地等工程中共应用了 5500m ,经相关部门检测与普通混凝土相比,电通量、氯离子迁移系数降低了 20%,耐蚀系数 提高0.12,达 到工程设计需求。 C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能 C40耐腐蚀混凝土抗氯离子渗透性能 2.2.5 耐腐蚀混凝土抗硫酸侵蚀性能分析 C40耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀性能 源凯第一城施工现场编号 C40-0 C40-1 C40-2 C40-3 C40-4 耐蚀系数 0.840.97 0.96 0.99 0.92 C40耐腐蚀混凝土抗硫酸盐侵蚀性能 58商品混凝土 Beton Chinese Edit ion Ready-mixedCon cr et 工程档案2015年第1 和耐久性能试验方法》标准要求,表14 中只摘录电通量、质 量损失率结果作为比对。 结束语新型混凝土泵送剂通过大量试验及实际工程中的应用, 在以下性能方面得以改善: (1)硬化前性能:主要体现在和易性和可泵性方面 基准混凝土而言,降低单方混凝土胶凝材料情况下,和易性得以改善,可泵性好,混凝土密实度有所提高,混凝 土光感好,混凝土气泡较均匀,混凝土实体强度分布均匀。 不改变基准混凝土胶凝材料总量,确实可使其早期强度较明 显,可达到混凝土早强剂的性能。 (2)硬化后性能:主要体现在立方体抗压强度和耐久性 能方面 混凝土硬件化后的立方体抗压强度,在降低单方胶凝 材料、水泥用量情况下,混凝土强度较基准混凝土强度趋于 平衡状态;混凝土在耐久性能方面,确实可达到相应性能指 标,尤其是混凝土抗氯离子渗透方面,效果较佳。混凝土抗 渗、抗冻方面也较为突出。 (3)经济效益:在混凝土综合成本方面,采用了新型混 凝土泵送剂配制的混凝土,成本明显降低,效益显著。 14混凝土取样,真实测得抗氯 离子渗透、抗冻融耐久性能试验数据 电通量 抗冻融试验结果质量损失率:2.1% 1150 7d后,混凝土达到设计强度等级后,已拆模时的 桥梁实体。 经济效益比对C55 普通混凝土、比对混凝土单方混凝土综合成本见表 [作者简介]马永胜,高级工程师。,全国混凝土标准化技 术委员会委员、中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分 会混凝土质量专业委员会委员、中国混凝土外加剂应用技术 专业委员会委员、中国商品混凝土行业企业专家委员会主任 委员。 (150076)15。 15成本对比表 比对对象 普通混凝土 比对混凝土 综合成本 综合成本差 348.30 330.20 18.10 (上接第 58 结论混凝土,2008(6):29-31. 杨瑞海.复合矿物掺和料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响[J].粉煤灰综合利用.2007(4):21-24. 赵尚传,宋国栋.高抗氯离子渗透性能混凝土试验研究[J].公路,2003(7):160-162. 李波.盐渍土地区耐腐蚀混凝土研究[D].西安:长安大学硕士学位论文,2007. 李波,韩森.模糊正交法在耐腐蚀混凝土外加剂配制中的应用[J].混凝土,2008(11):33-34. 周阳,唐新军,李双喜,高强.掺II 级粉煤灰高性能混凝 土在短龄期养护条件下的抗侵蚀性能初讨[J].粉煤灰综合利 用,2010(5):20-22. ,胡新丽,李双喜,孙兆雄.粉煤灰高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀研究[J].粉煤灰综合利用,2006(6):43-46. (1)相比于传统的掺合料粉煤灰以及“双掺”技术,粒 径更小,比表面积更大的磨细粉煤灰、硅灰以及复合粒化高 炉矿渣的“三掺”技术更能够有效的改善盐渍土地区混凝土 抗氯离子渗透与抗硫酸盐侵蚀的能力。 (2)磨细粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰并不是简单的 叠加使用,而是存在着最佳组合,当达到最佳组合是会产生 1+1+1>3 的作用。 (3)磨细粉煤灰及粒化高炉矿渣掺量在 35%~40%, 4%~6%时能有效的提高混凝土抗氯离子渗透性 能,抗硫酸盐侵蚀能力及抗压强度。 (4)由于不同的盐渍土地区水质、土质成分均不相同, 而传统的技术人员往往只重视硫酸盐腐蚀而忽视氯离子渗 透,这是不合理的,只有当两者共同兼顾是才能够合理的设 计耐腐蚀混凝土配合比。 参考文献 王琴.干湿交替环境下混凝土硫酸盐侵蚀的试验研究[J].[作者简介]艾洪祥,男,研究方向:建筑材料的新产品研 发、新技术新工艺推广。 [通讯地址]新疆乌鲁木齐市西虹东路 456 号腾飞大厦 12 (830063)61

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