防腐混凝土在巖土工程施工中的應(yīng)用
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(guò)摻入外加劑進(jìn)行有機(jī)補(bǔ)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(gè)系統(tǒng)工程,近10年來(lái),我國(guó)工民建向長(zhǎng)期化、復(fù)雜化發(fā)展,商品混凝土普及應(yīng)用,混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30向C50發(fā)展,這些因素導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的機(jī)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(duì)混凝土不會(huì)產(chǎn)生太大的影響;若硫酸鹽濃度高,則可對(duì)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(guó)隧道工程中也常遇到硫酸鹽濃度高的地質(zhì)環(huán)境。
本項(xiàng)工程為福建省某礦業(yè)公路改線工程,長(zhǎng)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(gè)污水水庫(kù),庫(kù)內(nèi)為酸性水。設(shè)計(jì)文件說(shuō)明:段內(nèi)地表水為永坎銅礦水庫(kù)庫(kù)內(nèi)及排出的溝水,根據(jù)與原既有線定測(cè)水質(zhì)分析結(jié)果,水質(zhì)屬SO42-、K+、Na+、Ca2+型水,對(duì)混凝土有強(qiáng)酸性和強(qiáng)溶出型及中等硫酸侵蝕性,礦區(qū)排出的水硫酸根含量達(dá)1200mg/L,具有強(qiáng)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(duì)混凝土具有中等溶出型和弱酸性侵蝕。為此設(shè)計(jì)要求橋梁墩臺(tái)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(hào)隧道的混凝土均采用防腐混凝土。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)說(shuō)明,我們?cè)谝贿M(jìn)場(chǎng)就進(jìn)行施工調(diào)查,首先對(duì)各作業(yè)點(diǎn)的地表水進(jìn)行隨機(jī)取樣,及時(shí)送實(shí)驗(yàn)中心及衛(wèi)生防疫站進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)分析,化驗(yàn)結(jié)果水質(zhì)呈酸性,并將水質(zhì)報(bào)告送至有關(guān)部門(mén),經(jīng)確認(rèn)其侵蝕程度為中等侵蝕。
1 硫酸鹽腐蝕機(jī)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(kāi)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(dāng)SO42-濃度較低時(shí),它使硬化水泥漿產(chǎn)生硫鋁酸鈣腐蝕,當(dāng)SO42-濃度>1000mg/L時(shí),除了硫鋁酸鈣腐蝕外,還會(huì)產(chǎn)生石膏型的腐蝕。
從腐蝕的實(shí)際過(guò)程來(lái)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(shí),強(qiáng)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(qiáng)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(gè)強(qiáng)度降低的過(guò)程,繼之膨脹、開(kāi)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(guò)高,Ca(OH)2體積膨脹所致;
(2)水泥中MgO過(guò)高,Mg(OH)2體積膨脹所致;
(3)水泥和外加劑堿含量過(guò)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?yàn)槟途眯詫?duì)結(jié)構(gòu)的維修和更新費(fèi)用,有重大經(jīng)濟(jì)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(shí)的或不透水的混凝土具有長(zhǎng)期的耐久性,而取決于它的配合比、搗實(shí)的程度和養(yǎng)護(hù)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)規(guī)模較小,并受工藝、運(yùn)距、數(shù)量、價(jià)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(wèn)題,又降低了混凝土成本,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
2.1 水泥
國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料的分析表明,在水泥的各個(gè)主要礦物組成中,C3A的含量大小對(duì)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(duì)抗硫酸鹽性能的影響。
水泥用量增加可提高混凝土密實(shí)度,從而可以提高混凝土的抗硫酸鹽性能。G.J.Verbeck對(duì)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(jìn)行長(zhǎng)期研究,其結(jié)果見(jiàn)圖1。
從圖1可見(jiàn),當(dāng)水泥用量為225kg/m3和310kg/m3時(shí),硫酸鹽溶液對(duì)混凝土的破壞程度隨著C3A的增加而增大,但當(dāng)水泥用量達(dá)390kg/m3時(shí),硫酸鹽溶液對(duì)混凝土的破壞隨著C3A含量的增加而只有稍微增加。ASTM標(biāo)準(zhǔn)的5種水泥中除早強(qiáng)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(shuō)明高水泥用量會(huì)顯著地增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性,進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)要求外,其C3A含量不超過(guò)8%,同時(shí)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(xiàng)的混凝土施工過(guò)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?yàn)槭紫扔没鹕交屹|(zhì)混合材將降低水泥中的C3A和C3S的含量,相當(dāng)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(guò)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(qiáng)度。Ca(OH)2的消除將減輕其膨脹危害,強(qiáng)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(jìn)混凝土的能力。所以我們選用了江西貴溪電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰。
2.3 砂
為降低混凝土中的Cl-含量,我們選用了級(jí)配良好、含泥量等符合標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)數(shù)量的扁平和長(zhǎng)條顆粒,這類顆粒對(duì)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),但陶粒或頁(yè)巖輕骨料通常呈圓形和光滑結(jié)構(gòu)。為提高混凝土密實(shí)度,我們選用0.5~4.0cm連續(xù)級(jí)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(duì)市場(chǎng)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(shí)度。
3 防腐混凝土配合比設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明及現(xiàn)場(chǎng)取樣的水質(zhì)分析報(bào)告來(lái)確定混凝土配合比設(shè)計(jì)的防腐等級(jí),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(guò)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(gè)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(qiáng)度計(jì)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(duì)混凝土侵蝕類型及侵蝕程度的判斷的判定規(guī)則(見(jiàn)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(hù)措施的規(guī)定(見(jiàn)表3),其最大水灰比應(yīng)小于0.50,要求抗?jié)B等級(jí)≥P8。
3.2 計(jì)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(guò)混凝土拌合物性能試驗(yàn)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(jì)算砂石用量
按假定容量法2400kg/m3計(jì)算,砂率取38.0%。
砂用量Sm=558kg,石用量G0=1136k
3.4 計(jì)算外加劑用量
按計(jì)算的水泥用量C0計(jì)算外加劑用量,按8%最佳摻量摻入。
3.5 根據(jù)實(shí)測(cè)容重調(diào)整混凝土的原材料用量
4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
4.1 選擇因素水平
因素水平詳見(jiàn)表4。
由極差大小可知:NF-C耐腐蝕防水劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大,粉煤灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響次之。計(jì)算表明,A因素和B因素三個(gè)水平測(cè)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(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度越大。
L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析詳見(jiàn)表5。
上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,NF-C耐腐蝕防水劑和粉煤灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響均是顯著的。且國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)已經(jīng)證明粉煤灰的活性一般在后期得到發(fā)揮,它對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn),有利于后期強(qiáng)度的發(fā)展。所以本次試驗(yàn)沒(méi)有再取60天和90天齡期的抗壓強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)。
5 搗實(shí)和養(yǎng)護(hù)
正確搗實(shí)可提高混凝土的密實(shí)度,避免過(guò)振而使浮漿過(guò)厚,確保抹壓及時(shí)不出現(xiàn)塑性裂縫,同時(shí)認(rèn)真對(duì)施工縫和細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微處理,可阻止SO42-向混凝土內(nèi)部滲透,而潮濕養(yǎng)護(hù)則是混凝土強(qiáng)度發(fā)展的重要因素,對(duì)于摻礦物摻合料特別是摻粉煤灰的混凝土,更應(yīng)該加強(qiáng)潮濕養(yǎng)護(hù)。
施工過(guò)程中由于混凝土保溫、保濕養(yǎng)護(hù)不到位,容易產(chǎn)生收縮裂縫。特別是露天構(gòu)筑物,盡管當(dāng)?shù)貪穸群艽?但是由于吹風(fēng)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(gè)月,甚至在1~2年內(nèi)出現(xiàn)裂縫,除荷載問(wèn)題外,主要還是環(huán)境溫度和風(fēng)速引起的收縮變形所致。有些基礎(chǔ)不及時(shí)復(fù)土,出入口長(zhǎng)期敞開(kāi),局部防水層破壞不及時(shí)修補(bǔ),這些與施工和建設(shè)方對(duì)結(jié)構(gòu)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)有關(guān)。因此,在施工和使用過(guò)程中,我們重視已澆結(jié)構(gòu)的保溫、保濕維護(hù)工作,除確保其強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度等級(jí)100%外,盡量減少“熱脹冷縮”之影響。
6 應(yīng)用效果
在施工過(guò)程中我們對(duì)防腐混凝土的試件進(jìn)行了抗?jié)B試驗(yàn),水壓力加至1.1kPa時(shí),試件均未出現(xiàn)滲水,其抗?jié)B等級(jí)全部能夠滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)其相對(duì)應(yīng)的混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),其強(qiáng)度等級(jí)也達(dá)到了設(shè)計(jì)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(wú)任何新的問(wèn)題產(chǎn)生。
7 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)混凝土機(jī)理的研究和環(huán)境的分析,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),確定了通過(guò)摻入外加劑進(jìn)行有機(jī)補(bǔ)償和施工合理的控制,對(duì)增強(qiáng)混凝土的耐久性、延長(zhǎng)混凝土建筑物使用壽命具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)通過(guò)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(lè)觀,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
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