温福铁路CX-SUN混凝土外加剂作用机理研究.pdf

2 0 1 2年 第 3期 (总 第 2 6 9期 ) N u mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHN0L OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 4 3 温福铁路 C X S U N混凝土外加剂作用机理研究 于洪宾 。连泽平 。 ( 1 金陵科技学院，江苏 南京 2 1 0 0 0 1 ； 2 中铁大桥局，江苏 南京 2 1 0 0 0 0 ) 摘要： 温福铁路处于东南沿海地区， 台湾海峡西岸， 许多桥梁位于海水和地下水侵蚀环境， 为了确保设计使用年限达到 1 0 0 年以上， 针 对东南沿海环境温福线铁路桥梁混凝土抗腐蚀， 提高耐久性， 应用了 C X - S U N抗侵蚀外加剂。 C X S U N海工高性能混凝土抗侵蚀外加剂 产品， 可解决钢筋混凝土因长期遭受地表海水和地下水中各种化学物质的侵蚀破坏而过早丧失服役现象， 使混凝土使用年限提高2 0 3 0 年。 关键词： 温福铁路；C X S UN 混凝土外加剂；混凝土耐久性；混凝土抗腐蚀性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 1 4 1 0 4 St udy t h e me ch ani s m of CX- SUN c onc r e t e admi x t u r es i n c onc r e t e s t r u c t u r es o f t h e W e nz hou -F uz hou r a i l way YU Ho n g - b i n ， LZ A _ Z e- pi n s ( 1 J i n L i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a Z h o n g t i e Ma j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g Gr o u pCo ， L t d ， Na n j ta g 2 1 0 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： T h e We n z h o u - F uz h o u Ra i l wa y I i e s i n t h e s o u the a s t c O a s t o f China we s t t o Ta i wa n S t r a i t Ma n y o f the b r i dg e s a r e u n d e r c o n d i t i o n s o f the s e a a n d u n d e r g r o u n d wa t e r e r o s i o n In o r d e r t o p r o l o n g t h e s e r v i c e l i f e o f the b ri d g e f o r a t l e ast 1 0 0 y e a r s ， we a p p l y for t h e C X- S UN a n t i e r os i o n a d d i t i v e S O a s t o i mp r o v e the r e s i s t a n c e o f c o r r o s i o n a n d e n h an c e i t s d u r a bi l i t y a c c o r ding to t h e e n v i r o n me n t o fthe s o u the ast C O ast A h i g h - p e rfo r ma n c e c o n c r e t e a d mi x t u r e p r o d u c t s o f c o rro s i o n r e s i s t a n t o n ma r i n e c a ll s o l v e the p h e n o me n o n t h a t many r e i n f o r c e d c o n c r e t e l o s s the i r s e r v i c e s O e a r l y d u e to a l o n g t e r m e x p o s u r e t o v a r i e t i e s o f c h e mi c a l e r o s i v e d e s t r u c t i o n o n t h e s u r f a c e o f the s e a and gro u n d wa t e r T h e a d d i c t i v e wo ul d p r o l o n g t h e s e rvi c e o f the c o n c r e t e for a bo u t 2 O to 3 0 y e a r s Ke y wor ds ： we n z h o u - f u z ho u r a i l wa y； CX- S UN c o n c r e t e a d mi x t u r e s c o n e re t e d ura b i l i t y； c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f c o nc ret e 0 引言 地表海水和地下水中各种有害化学物质的侵蚀， 严重威胁 沿海跨海桥梁钢筋混凝土结构的耐久性。 C X S UN海工高性能 混凝土抗侵蚀外加剂可解决钢筋混凝土因长期遭受地表海水 和地下水中各种化学物质的侵蚀破坏而过早丧失服役现象 ， 使 混凝土使用年限提高2 0 3 O 年。 温福铁路处于东南沿海地区， 台湾海峡西岸， 许多桥梁位 于海水和地下水侵蚀环境 ， 为了确保设计使用年限达到 1 0 0年 以上， 针对东南沿海铁路温( 州) 福( 州) 线桥梁混凝土抗腐蚀 ， 提高耐久性 ， 经过大量理论分析和试验研究 ， 应用了 C X S U N 抗侵蚀外加剂。 C X S UN高性能混凝土抗侵蚀性外加剂是一种含有纳米 尺度矿物的复合型粉状材料 ， 集减水增强、 细化混凝土内部孔 结构 、 堵塞混凝土内部渗水通道、 降低混凝土收缩率和吸收海 水中侵蚀性离子等功能于一身， 属于多功能、 高性能的抗侵蚀 性 l J n 剂。 它不仅对钢筋无锈蚀作用 ， 而且能大幅度提高钢筋抗 锈蚀能力。 ( 1 ) 掺加 7 O 9 0 的 C X S UN 抗侵蚀外加剂， 在保持相 同流动性的情况下， 能使砂浆抗渗等级提高 3 0 0 以上 ， 使混凝 土的抗渗等级提高4 0 0 ， 亦可用来配制抗渗等级为 P 2 0以上的 防水抗渗混凝土。 收稿 日期 ：2 0 1 1 o 9 - 2 6 ( 2 ) 掺加 C X S UN抗侵蚀外加剂， 可以大幅度降低混凝土 中 c 1 一 的渗透速度， 按照 AS T M1 2 0 2方法测得的电通量远低于 1 0 0 0 c， 属于渗透性很低的范畴， 非常适合于长寿命服役期的 海工钢筋混凝土工程。 ( 3 ) 在保持水泥用量和坍落度不变盼隋况下， 掺加 7 -0 9 6 的C X S UN 抗侵蚀外加剂可减 ! 、 ? 昆 凝用水量 1 5 2 3 ， 使混凝 土 3 d 强度提高 1 5 0 以上， 7 d 强度提高 1 2 0 2 右， 2 8 d 强度提 高 4 0 左右 。 ( 4 ) 掺加 C X S UN 抗侵蚀外加剂可以使混凝土在潮湿养护 条件下早期产生一定膨胀( 0 O 1 - 4 ) 0 2 ) ， 补偿后期 由于失水 干燥引起的部分收缩， 从而提高结构物抗裂性 、 体积稳定性和 耐久性 。 ( 5 ) 掺加 C X S UN 抗侵蚀外加剂可以大幅度改善混凝土的 保水性和抗离析性， 减少泌水通道， 提高海工混凝土表面光洁 度 ， 降低海浪( 海砂) 对钢筋保护层表面的冲蚀破坏。 1 作 用机理分析 结合 C X S UN 对硫酸盐侵蚀 、 镁盐侵蚀、 硫酸型酸性侵蚀、 溶出型侵蚀( 含碳酸型侵蚀) 、 盐类结晶侵蚀和钢筋锈蚀等各种 侵蚀类型的作用阐述 C X- S UN的作用机理。 1 1 抗硫 酸 盐侵 蚀 和硫 酸型酸性 侵蚀 这两种侵蚀中起主要作用的都是S O , - 。 s O j 一 与硬化水泥石 1 41 中的C a ( O H) 起置换作用， 生成 C a S O 。 C a S O 与水泥石中的 固态水化铝酸钙作用生成三硫型水化铝酸钙 ： 4 Ca O A1 2 03 1 2 H2 O+ 3 C a S O4 + 2 0 H2 0_ _ + 3 C a O A 1 2 0 3 3 C a S O 4 3 1 H 2 O + C a ( O H) 2 生成的三硫型水化铝酸钙含有大量结晶水， 使原有固相体 积增大 1 5 倍以上， 由于是在已经硬化的水泥石中产生上述反应， 因 - tyC z k 泥石起极大的破坏作用。 当浓度较高时， 将在孔隙中直接 结晶成二水石膏， 体积膨胀导致破坏。 C X S U N海工混凝土抗侵 蚀外加剂的使用可以大大提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀和硫酸 型酸生 侵蚀作用。 具体作用机理如下 ： 首先， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂添加到混凝土 中， 能使混凝土结构更加密实。 C X - S UN 抗侵蚀外加剂中含有纳 米级密实组分 ， 他们的粒径远小于水泥平均粒径。 这些组分的存 在使得拌水前混凝土中的胶凝材料具有良好的连续微级配。 水 化过程中不同粒径的胶凝材料颗粒互相填充， 减少了颗粒间的 孔隙， 从而进一步减少了复合胶凝材料体系凝结硬化后的总孔 隙率， 有利于降低s o l - x 混凝土的渗透l生。 其次， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂具有很强的减水 作用。 用水量的减少， 使得海工混凝土的结构更加密实 ， 由水分 蒸发引起的毛细孑 L 将大大减少 ， 这对减少S O l - 的渗透有着巨大 的作用。 还可以大幅度改善混凝土的保水性和抗离析性， 减少 泌水通道， 降低混凝土表面的毛细管， 从而减少混凝土对S O 的 毛细吸入。 第三， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂可以使混凝土在 潮湿养护条件下早期产生一定膨胀( 0 0 1 0 0 2 ) ， 补偿后期 由于失水干燥引起的部分收缩， 从而提高结构物抗裂性、 体积 稳定性和耐久性。 混凝土的收缩开裂造成的危害很大， 特别是海 工混凝土， 一旦造成混凝土收缩开裂， 则s 0 2 - 将会非常大量地渗 透到混凝土内部， 侵蚀混凝土结构， 混凝土的使用年限也将大 大减少。 掺加 C X S UN 抗侵蚀剂能够提供微膨胀以抵消后期的 干燥收缩 ， 这对 防止混凝 土的开裂有着非常重大 的意义。 第四， C X。 S UN 抗侵蚀外加剂在混凝土水泥石中引入能吸 纳和固化s O j 一 的特殊组分。 该些组分的存在， 使在减少混凝土离 子渗透通道的基础上 ， 使s 0 ； 更加难以进入到混凝土内部区域。 C X S UN 抗侵蚀外加剂中含有减少混凝土中的游离 C a ( O H) ： 且给予铝相以不活泼性的特殊组分 ， 这种组分的存在 ， 大大提 高了混凝土抗s 0 侵蚀的能力。 1 2抗镁 盐侵蚀 在镁盐侵蚀中， 起主要作用的是 Mg 2 o Mg 可以与水泥石中 的C a ( O H) 起置换作用生成 Mg ( OH) 。 反应方程式如下： Mg S O 4 + C a ( O H) 2 + 2 H2 0 - + C a S O 4 - 2 H 2 O + Mg ( O H) 2 Mg C 1 2 + C a ( O H) 2 - + C a C 1 2 + Mg ( O H) 2 由于生成的 Mg ( O H) ： 无胶结能力 ， 而对混凝土结构产生 破坏。 C X。 S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂的使用可以大大提高 混凝土的抗 Mg 渗透作用。 具体作用机理如下 ： 首先， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂添加到混凝土中， 能使混凝土结构更加密实， 有利于降低 M 对混凝土的渗透陛。 其次， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂具有很强的减水 作用， 从而减少混凝土对 M 的毛细吸人。 第三， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂可以使混凝土在 潮湿养护条件下早期产生一定膨胀 ， 补偿后期由于失水干燥引 起的部分收缩， 从而提高结构物抗裂性、 体积稳定性和耐久性。 1 4 2 第四， C X S UN 抗侵蚀外加剂中含有减少混凝土中的游离 C a ( OH) 且给予铝相以不活泼性的特殊组分， 这种组分的存在， 大大提高了混凝土抗镁盐侵蚀的能力。 1 3抗 盐类结 晶侵 蚀 盐类结晶侵蚀中起主要作用的是溶解盐类。 溶解盐类能与 硬化水泥浆发生化学反应， 从而破坏混凝土结构。 C X S UN 海工 混凝土抗侵蚀外加剂的使用可以大大提高混凝土抗各种盐类 离子的渗透性。具体作用机理如下： 首先 ， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂添加到混凝土 中， 能使混凝土结构更加密实， 有利于降低各种盐类离子对混 凝土的渗透性。 其次， C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加剂具有很强的减水 作用， 从而降低各种盐类离子对混凝土的渗透性。 第三， C X S UN海工混凝土抗侵蚀外加剂有补偿收缩的作 用 ， 从而提高结构物抗裂性、 体积稳定性和耐久性。 1 4 抗溶 出型侵蚀( 含碳酸型侵蚀 ) 溶出型侵蚀主要是由于环境水 ， 可以把混凝土中的游离 C a ( O H) 溶出， 使混凝土孔隙率增大， 强度下降。 随着 C a ( OH) 的溶出， 高碱性水化物分解成低碱性水化物， 最后成为无胶结 能力的硅胶等物质， 于是混凝土结构受到进一步破坏， 强度继 续下降， 最终引起整体毁坏。 当混凝土与含有碳酸的水接触时， 将发生如下反应： C a ( 0 H) 2 + C 0 2 + H2 O - - C a C O 3 + 2 H 2 O C a C 03 + C 0 2 十 H 2 O ： C a ( HC O3 ) 2 C O 的溶解， 促使使混凝土中的 C a ( OH) ： 转化为中间产物 C a C O， ， 最后转变为可溶性的 C a ( H C O ) ： ， 导致其他水泥水化物 的分解， 混凝土起层剥落。 抵抗这两种侵蚀的有效措施是降低混 凝土中的游离 C a ( OH) ： 含量。 C X S UN 抗侵蚀外加剂中含有减 少混凝土中的游离 C a ( O H) 且给予铝相以不活泼性的特殊组分， 这种组分的存在， 大大提高了混凝土抗溶出型侵蚀( 含碳酸型 侵蚀) 的能力。 1 5 抗 钢筋锈 蚀 引起钢筋锈蚀作用的离子中起主导作用的是 c l 一 。 由于 c l 一 的离子半径很小， 其在混凝土中的迁移能力较强。 c 1 一 穿过混凝土 保护层 ， 在钢筋表面积聚的浓度超过一定范围， 如 C 1 - O H- 0 6 1 时， 钢筋开始锈蚀 ， 并已此作为“ 临界值” 。 c l 一 的渗透使钢筋钝化 膜破坏， 引起钢筋锈蚀并膨胀而导致混凝土结构破坏。 通常混凝土中的钢筋处于碱性环境中， 其阳极表面有一层 钝化膜( 成分主要为 F e ， O 或 F e 2 0， ) ， 使钢筋不易锈蚀。 但混凝 土一方面受到酸胜气体作用后 ， p H值下降， 当p H值 1 1 5时， 钝化膜就会处于不稳定状态， 当p H值 9 8 8时， 钝化膜逐渐遭 到破坏。 更主要的是 ， 外部环境中丰富的 C l 一 通过混凝土孔隙扩 散到钢筋表面， 吸附于局部钝化膜处时， 可使该处的p H值迅速 下至 4以下， 钝化膜遭到破坏。 局部钝化膜破坏后 ， 露出铁基体， 成为“ 腐蚀电池” 中的阳 极 ， 未破坏的钝化膜为阴极 ， 水或潮湿气体为电解质， “ 腐蚀电 池” 的形成加速了钝化膜的破坏。 钝化膜破坏后， 钢筋就失去了 保护， 此时使钢筋锈蚀的主要因素就是 0 和 H 2 0。 反应如下： 阳极区 ： n H2 O+ F e _ F e n H 2 O + 2 e 阴极区 ： 4 e + O2 + 2 H2 0 4 0 H 一 2 F e 2 + + 6 O H - + 3 0 2 - - - + 2 F e ( O H ) 3 上 + 2 e 普通混凝土由于抗水渗透l生差， 为 C I - 透到钢筋表面提供 了良好通道。 C X S UN海工高性能混凝土抗侵蚀外加剂是由减 水组分、 减缩抗裂组分 、 结晶组分、 纳米级填充密实组分等多种 有机、 无机组分互相匹配复合而成的一种粉状产品。 在混凝土拌 和过程中， 将该产品按一定比例掺人并与其他组分拌和均匀后 ， 能显著提高混凝土抗 c l 一 渗透性，从而延长海工混凝土的使用 寿命。 具体作用机理如下： 首先， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂添加到混凝土中， 能使混凝土结构更加密实。 C X S U N抗侵蚀外加剂中含有纳米 级密实组分， 它们的粒径远小于水泥平均粒径。 这些组分的存在 使得拌水前混凝土中的胶凝材料具有 良好的连续微级配。 水化 过程中不同粒径的胶凝材料颗粒互相填充 ， 减少了颗粒间的孔 隙， 从而进一步减少了复合胶凝材料体系凝结硬化后的总孔隙 率， 有利于降低 c l 对 混凝土的渗透性。 其次， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂具有很强的减水 作用。 用水量的减少 ， 使得海工混凝土的结构更加密实， 由水分 蒸发引起的毛细孔将大大减少， 这对减少 C 1 一 的渗透 、 减少酸性 气体的侵入有着巨大的作用。 还可以大幅度改善混凝土的保水 性和抗离析性， 减少泌水通道 ， 降低混凝土表面的毛细管， 从而 减少混凝 土对S 0 j _ 的毛细吸人 。 第三， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂可以使混凝土在 潮湿养护条件下早期产生一定膨胀 ， 补偿收缩， 从而提高结构 物抗裂性 、 体积稳定性和耐久性。 第四， C X S U N抗侵蚀外加剂在混凝土水泥石中引入能吸 纳和固化 C l 一 的特殊组分。 该些组分的存在， 使在减少混凝土离 子渗透通道的基础上， 使 C 1 1 更加难以进入到混凝土内部区域， 能有效地保护混凝土内部的钢筋免受侵蚀。 2混凝 土性 能试验 2 1 物理力学性能试验 C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂可改善混凝土的和易 性、 提高混凝土力学性能， 相关试验结果见表 1 。 表 1 混凝土力学性能表 代 号 A B 混凝土配合比 ( k g m ) 坍落度抗压强度 1V I P a - _ _ _ _ _ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - 。 。 。 。 。 。 _ 。 - _ 。 。 一_- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 。 _ -_ _ _ _ _ - 一 水泥粉煤灰砂 石 水外加剂 m m 7 d 2 8 d 3 2 2 1 3 8 7 5 5 1 O 4 2 l 6 5 4 6 l 5 O 4 0 1 5 23 3 2 2 1 3 8 7 5 5 l 0 4 2 l 6 5 3 6 8 l 8 O 4 6 3 5 8 2 注 ： A组用外加剂为某高效减水剂 ， B组为 C X- S U N海工混凝土抗 侵蚀外加剂 。 由表 1 可见 ， C X S U N海工混凝土抗侵蚀剂的掺入， 明显改 善了混凝土的和易性， 且早期强度及后期强度都有所提高。 2 2混凝 土收 缩性 能试验 混凝土收缩性能试验结果见表 2 。 表 2混凝土收缩性能表 注： A组用外加剂为某高效减水剂， B组为C X - S U N海工混凝土抗 侵蚀外加剂。 由表 2 可见， C X S U N海工混凝土抗侵蚀剂， 可大大降低混 凝土的收缩率 ， 降幅 5 0 左右， 因此 C X S UN海工混凝土抗侵 蚀剂可提高混凝土的抗收缩性能。 2 3 多功能抗侵蚀剂与水泥 掺合料的适应性试验 通过进行水泥净浆初始流动度和流动度保挣I生的测定， 来判 定C X S UN海工混凝土抗侵蚀外加剂与水泥 掺合料的适应性。 2 3 1 初始流动度试验结果 初始流动度试验结果见图 1 3 。 CX S UN 掺量 ， 图 1 C X S U N掺量变化对初始流动度的影响 粉煤灰掺量， 图 2 C X S U N等掺量( 8 ) 时。 粉煤灰掺量对初始流动度的影响 矿渣粉掺 量 ， 图 3 C X S U N等掺量( 8 ) 时。 矿渣粉掺量对初始流动度的影响 2 3 2 流动度保持性试验结果 流动度保持性试验结果见图4 8 。 时 l可 mi n 图 4 纯水泥浆体流动度保持性 由以上结果可见： 在等水胶比的情况下， C X S U N海工混凝 土抗侵蚀外加剂的掺人 ， 可以大幅度的提高净浆初始流动度。 当 配合一定的活性掺合料时， 这种效果更加明显。 在流动度保持性 方面， C X S U N海工混凝土抗侵蚀外加剂的掺入， 大大降低浆体 的流动度损失。 当配合一定的活性掺合料时， 浆体流动度经 2 h 1 43 时间 mi n 图6 掺4 0 粉煤灰的水泥浆体流动度保持性 后基本无损失， 当掺合料为矿渣粉时， 浆体流动度还有所增大。 这表明C X S UN海工混凝土抗侵蚀外加剂与三种水泥和两种 掺合料均有很好的适应性。 2 4 耐腐蚀及抗氯离子渗透性能试验 考虑到温福铁路主要桥梁所面临的腐蚀程度不同， 以及各 种原材料的成本等因素， 针对强度等级 C 2 5 - - C 6 0的混凝土， 提 出如下混凝土配合比。 具体内容见表 3 。 各组混凝土的坍落度保持性 、 抗压强度、 抗渗等级 、 耐腐蚀 性、 抗氯离子渗透性等性能指标的试验结果见表 4 。 时间 rai n 图8 掺 6 0 矿渣粉的水泥浆体流动度保持性 表 3 混凝土配合比 k m 表 4 混凝土综合性能表 3灶论 漱一一 技 剜 ( 1 ) c x S U N海工混凝土抗侵蚀剂的掺人大幅度提高混凝 土材料本身抗渗透性； 改善混凝土内部孔结构和堵塞内部连通 孔 ； 降低混凝土收缩率和具有补偿收缩性； 分散混凝土内部应 力从而提高混凝土结构的抗裂性； 在混凝土水泥石中引入能吸 纳和固化对钢筋危害作用较大的 c l 一 、 s O 等物质。 ( 2 ) 在施工过程中， 使用 C X S UN 海工混凝土抗侵蚀外加 剂， 混凝土坍落度 2 h 后基本无损失， 且不需再掺加减水剂等其 他外加剂， 简化施工工艺， 节约人力、 设备， 便于施工单位施工。 ( 3 ) C X S UN 海工混凝土使用年限延长， 大大减少 了维修 次数 ， 提高了海工混凝土结构的使用安全性 ， 减少自然资源的 开发， 减少了能耗， 环境效益和社会效益亦得到突显。 】 44 4 7- 4 8 【 2 钟震斌 ， 雷慧峰 钢筋混凝土结构的耐久性问题I J l1 铁道标准设计， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 3 ) ： 3 - 4 【 3 】3 杜洪彦， 邱富荣， 林昌腱 混凝土的腐蚀机理与新型防护方法f J 腐蚀 科学与防护技术， 2 0 0 1 ， 1 3 ( 3 ) ： 1 5 6 1 6 1 作者简介： 于洪宾( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 讲师。 联系地址： 南京白下区友谊河路 1 号金龙花园 8 栋 7 0 4 室( 2 1 0 0 0 0 ) 联 系电话 ： 1 3 2 4 5 2 7 3 7 4 4