防腐混凝土在岩土工程施工中的应用
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-·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
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。
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,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-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
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,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ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水泥。
2.2 粉煤灰
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Ⅱ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和光滑结构。为提高混凝土密实度,我们选用0.5~4.0cm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,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混凝土受硫酸盐、盐类结晶或溶出型侵蚀的防护措施的规定(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30~50mm。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=C0×30%=398×30%=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=1136k
3.4 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。
3.5 根据实测容重调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。
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