防腐混凝土在巖土工程施工中的應用
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(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(xiàn)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(jù)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(jù)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(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(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(shù)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?；蝽搸r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(jù)設計說明及現(xiàn)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(jù)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(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。
4.2 正交試驗結果與極差分析
L9(34)正交試驗結果及極差分析詳見表5。
4.3 方差分析
L9(34)正交試驗結果及方差分析詳見表6、表7。
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