坪頭水電站混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗研究

李光偉，周麒雯，楊 軼

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610071)

1 前 言

對坪頭水電站當地的地下環境水的水質分析結果表明: 當地的地下水中硫酸鹽含量是300～500mg/L，為Ca-SO4型水，按GB5027-2006《水力發電工程地質勘察規范》規定，該地下水對混凝土具有中～強等強度的硫酸鹽腐蝕。為保證坪頭水電站建筑物的長期安全，需結合坪頭水電站的實際開展混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究。

2 測試及評價方法

硫酸鹽侵蝕是一個較為復雜的過程，具體的侵蝕形式和結果取決于膠凝材料的性質、養護條件和侵蝕環境的溫度、濃度以及pH值等。為了對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能進行測試和評價, 國內外進行了多年研究, 并制定了一系列的標準測試及評價方法, 主要是從試件的膨脹量變化和試件的力學性能變化兩個方面進行。

我國關于水泥抗硫酸鹽侵蝕性能的測定方法，有關部門先后制定和發布了4個不同版本的國家標準。最早的是1965年發布的GB749-1965《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》，該標準采用1∶3.5膠砂，試件為10mm×10mm×30mm的棱柱體。在濕氣中養護1 d，淡水中養護14 d，然后一部分試件仍然在淡水中養護，另一部分放入含有硫酸鹽的環境水或人工配制的硫酸鹽溶液中，養護至6個月。水泥膠砂的抗蝕性以腐蝕系數表示，腐蝕系數是同一齡期的水泥膠砂試件在侵蝕溶液和淡水中的抗折強度之比。評定準則為: 6個月時的腐蝕系數小于0.80時, 則認為該水泥膠砂試體在該環境水或該濃度的硫酸鹽溶液中抗蝕性能較差。在GB749-1965的基礎上于1981年發布了GB/T 2420-1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》, 該標準采用1∶2.5 膠砂，試件為10mm×10mm×60mm的棱柱體，在養護箱中養護1d，在50℃水中養護7d，28d常溫侵蝕，侵蝕溶液采用硫酸鹽濃度為2%的硫酸鈉溶液。還可根據需要，采用天然環境水，或變更硫酸鈉的濃度。以抗蝕系數表示抗蝕能力，抗蝕系數為同齡期的水泥膠砂試體在硫酸鹽溶液中浸泡和在20℃水中養護后的抗折強度之比。2001年發布了GB/T749-2001《硅酸鹽水泥在硫酸鹽環境中的潛在膨脹性能試驗方法》。該標準采用小尺寸水泥膠砂試件，通過測量摻石膏水泥膠砂試體在規定齡期的線膨脹率來衡量其潛在的抗硫酸鹽性能。2008年發布了GB/T749-2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》,其代替GB/T749-2001和GB2420-1981。該標準中同時列入了潛在膨脹性能試驗方法和小試體高濃度溶液浸泡快速試驗方法，供選擇使用。以上四種試驗方法均采用小尺寸的水泥砂漿試件，只能評價水泥膠砂抗硫酸鹽侵蝕的能力，而無法完全反映混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

如何評估水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力是一個值得研究的課題。為了模擬工程的實際情況,分析各種因素對混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力的影響,本次試驗研究選用坪頭水電站工程實際采用的混凝土原材料, 采用淡水作為混凝土的拌和水成型混凝土試件，在養護溫度為20℃的條件下，分別將試件放置在淡水及具有一定硫酸鹽含量的溶液中養護，試件養護至規定齡期后，進行混凝土抗壓強度及劈拉強度試驗。采用不同齡期硫酸鹽溶液養護的混凝土強度性能與淡水養護的混凝土強度性能的比值作為混凝土的抗蝕系數，評估混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。試驗時混凝土強度試件為150mm立方體，試驗方法參見DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》。

3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕的試驗研究

3.1 水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

水泥抗硫酸鹽侵蝕性能取決于水泥熟料的礦物組成及其相對含量，尤其是C3A和C3S的含量具有重要意義。因為C3A水化析出水化鋁酸鈣是形成鈣礬石的必要組分，C3S在水化過程中析出大量的Ca(OH)2，是形成鈣礬石和石膏結晶的條件。降低C3A和C3S的含量也就相應地減少了形成鈣礬石和石膏的可能性，從而可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕的能力。

采用坪頭水電站擬用的峨勝普硅水泥、峨勝中熱水泥和嘉華中抗硫酸鹽水泥進行水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究。水泥的化學成分及礦物組成見表1。

圖1 水泥品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

水泥品種化學成分/ %SiO2Fe2O3A l2O3CaOMgOSO3礦物組成/%燒失量C3SC3A峨勝中熱21.074.564.0262.134.3220.64 0.7149.780.93峨勝普硅20.643.255.9260.533.182.63 3.2657.307.70嘉華中抗21.075.845.1362.452.232.01 0.6144.682.31

(1)在相同條件下，采用中熱水泥配制的混凝土的抗壓強度與采用中抗硫酸鹽水泥配制的混凝土一致，但抗拉強度優于采用中抗硫酸鹽水泥配制的混凝土，表明采用中熱水泥配制的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力優于中抗硫酸鹽水泥。這是由于中熱水泥的C3A含量低于中抗硫酸鹽水泥中的C3A含量的緣故。

(2)在相同條件下, 采用普硅水泥配制混凝土早齡期的強度與采用其它兩種水泥配制的混凝土差異不大，但隨著齡期的延長，其混凝土抗壓強度及劈拉強度均高于采用其它兩種水泥配制的混凝土，表明采用峨勝普硅水泥配制的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力要優于嘉華中抗硫酸鹽水泥和峨勝中熱水泥。其原因在于:峨勝普硅水泥摻有20%的鐵合金爐渣作為混合材，該混合材不僅對熟料中的C3A 含量具有一定的稀釋作用和對硬化體結構中的毛細孔具有填充作用，而且還具有一定的潛在的火山灰效應，可以減少混凝土中的Ca(OH)2以及游離氧化鈣含量，從而有效地提高水泥的抗硫酸鹽侵蝕的能力。

3.2 粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

研究表明，在混凝土中摻入適量的粉煤灰是改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕破壞性能的一種行之有效的方法。這主要是由于在混凝土中摻入一定量的粉煤灰可以對熟料中的C3A含量進行稀釋、對硬化體結構中的毛細孔進行填充，和混凝土中的Ca(OH)2晶體反應形成膠凝性礦物。由于各種粉煤灰的化學成分不同，因此摻粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響也不盡相同。Dustan通過研究提出了R值判據準則。R值的定義為:R=(C-5)/F。式中C為粉煤灰中CaO含量，F為粉煤灰中Fe2O3的含量。也即粉煤灰中CaO含量和Fe2O3的含量是影響粉煤灰混凝土抗硫酸鹽性能的主要因素。系數R越高，抗硫酸鹽侵蝕的性能越低。

表2 粉煤灰的化學成分

表3 不同品種粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響

圖2 粉煤灰摻量對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響

3.3 外加劑品種對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

針對坪頭水電站的實際，開展摻水泥基防水材料和防腐劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力影響的試驗研究，并與摻目前水工混凝土常用的緩凝高效減水劑混凝土進行比較。

由試驗結果可以看出：摻水泥基防水材料混凝土的強度要高于摻緩凝高效減水劑混凝土。與摻緩凝高效減水劑混凝土相比，其28d抗壓強度提高了20.6%，抗拉強度提高了19%，表明摻水泥基防水材料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力要優于摻緩凝高效減水劑混凝土。

3.4 混凝土水膠比對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響

混凝土的密實度對其抗硫酸鹽侵蝕能力具有重大影響?；炷恋拿軐嵍仍礁?，混凝土的孔隙率越小，侵蝕溶液就越難滲入混凝土的孔隙內部。另外，混凝土的密實度越高，也會使混凝土的強度提高。因此降低混凝土水膠比增大混凝土的密實度，可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

圖3 水泥基防水材料對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖4 防腐劑對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖5 混凝土的水膠比對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響

4 結 語

(1)選用實際工程所用的混凝土原材料成型混凝土試件，采用不同齡期硫酸鹽溶液養護的混凝土強度性能與淡水養護的混凝土強度性能的比值作為混凝土的抗蝕系數，評估混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，可以真實地反映各種因素對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

(2)摻有活性混合材的普硅水泥的抗硫酸鹽侵蝕的能力要優于中抗硫酸鹽水泥和中熱水泥。坪頭水電站的混凝土可選用峨勝普硅水泥配制有抗硫酸鹽侵蝕要求的水工混凝土。

(3)由于各種粉煤灰的化學成分不同，摻粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力的影響也不盡相同，因此坪頭水電站應選用R值低的粉煤灰以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

(4)在坪頭水電站混凝土中摻用一定量的水泥基防水材料和防腐劑可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

(5)降低混凝土的水膠比可以使混凝土的密實度增大，因此坪頭水電站的混凝土應盡量選擇較小的水膠比。

參考文獻：

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