防碱性溶出型侵蚀混凝土配合比设计与施工.pdf

2 0 1 0年 第 4 期 (总 第 2 4 6 期 ) N u mb e r 4 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 RE ADY M I XED C0NCRET E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 3 3 防碱性溶出型侵蚀混凝土配合比设计与施工 曾昭东。刘洋。何茂文 ( 郴州市城市规划设计院，湖南 郴州 4 2 3 0 0 0 ) 摘要 ： 以某隧道 防溶出型侵蚀混凝土工程实例 ， 通过试验分析 ， 分别从改善混凝土 自身的材料组 成 、 微观结构以及 密实性 能等方 面探 讨了如何提高混凝土的抗侵蚀能力， 详细地介绍了防侵蚀混凝土的配合比设计及施工工艺， 为类似工程的设计与施工积累了丰富的经验， 提供 了有价值的参考和借鉴。 关键词： 碱性侵蚀；混凝土；配合比设计；施工 中图分类号 ： T U5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 1 0 4 0 3 De s i gn mi x t u r e r a t i o a nd c on s t r uc t i on t he c onc r e t e t o p r ev e nt it f r om c or r adi ng b y t he al k al i nit y l i qu i d ZENG Z too d o n g， L U Ya n g， HE M a o we n ( Ur b a n P l a n n i n g De s i g n I n s ti t u t e o f C h e n z h o u ， C h e n z h o u 4 2 3 0 0 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： Us e t he a n t i - e r o s i o n of c o n c r e t e o f s o me t u n n e l a s a n e n g i n e e rin g e x a mp l e， the pa p e r i n v e s t i g a t e s h o w t o e n h an c e the a b i l i t y o ft h e a n t i e r o s i o n c o n c r e t f r o m i mp r o v i n g i t s ma t e ri a l ， mi c r o s t r u c tur e， c o mp a c t i n g pe r f o r manc e e t c b y e x p e rime n t a l An a l y s i s d e t a i l s h o w t o d e s i n g the mi x tur e r a t i o o ft h e ant i e r o s i o n c o n c r e a n d i t s c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y， a c c um ul ate s t h e d e s i g n an d c o n s t r u c t i o n e x p e rie n c e f o r the s i mi l a r p r o j e c t ， a l s o p r o v i d e s the v a l u a b l e r e f e r e n c e and mo d e 1 Ke ywor d s： a l k a l i n i t y c o r r o s i o n； c o n c r e t e ； d e s i g nmi x t u r e r a t i o； c on s t r u c t i o n 1 工程 概 况 某隧道地质结构良好， 属 I I I 类围岩， 全长 5 1 6 m， 工程所在 地雨水较多，且雨水极易溶解围岩中的碳酸氢盐并渗过围岩对隧 道混凝土行成侵蚀。设计 要求， 该隧道混凝土结构均应达到P 8 级以上抗侵蚀能力。通过对该处水样进行检测， 证实该处水质中 所含碳酸氢盐逆向电解后能对混凝土行成侵蚀。 2 侵蚀机理 简介 当水质中碳酸氢盐含量较大时， 碳酸氢盐会与水介质存在 如下水解化学平衡： HC O + H 2 O ： * O H- + H 2 C O3 以上平衡式中的 O H- 和 、 Na + 等碱性离子构成碱性溶出 型侵蚀。根据侵蚀机理不同， 可将侵蚀分为物理、 化学、 水溶三 种侵蚀作用。 2 1 物 理侵蚀机 理 物理侵蚀主要是指碱性介质从混凝土的外部通过孔隙渗 透到其表层， 再与空气中的 C O： 及 H2 0发生反应而行成新的结 晶体， 由于固有体积膨胀而引起混凝土破坏。如 ： 2 Na + 2 OH- + CO2 + 9 H2 0 = Na 2 CO3 1 0 H2 O 由于Na 2 C O 3 1 0 H 2 0结晶体比原 N a OH体积增大约 2 5倍 左右， 新生晶体在混凝土内膨胀， 导致了混凝土结构的破坏。 2 2 化学侵蚀机理 化学侵蚀主要指活性碱性离子和水泥水化物在水介质中发 生反应， 生成易溶的新化合物， 从而破坏混凝土的整体受力结构。 2 C a O。 mS i O 2 x H 2 O+ 2 Na OH c m 2 C a ( O H) 2 + Na 2 S i O3 + ( x 一 1 ) H ： O 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 1 7 l 0 4 n C a O m Al 2 0s x H2 0 + 2 mN a OH c ： m C a ( OH) 2 + 2 m Na A 1 02 H 2 0 这些反应不仅破坏了水泥石受力结构， 而且Na 2 S i O， ( 偏硅 酸钠 ) 和 Na A 1 0 ： ( 偏铝酸钠 ) 都是易溶介质， 最后导致混凝土结 构 的破坏。 2 3水溶侵蚀 机理 上述化学反应中析出的 C a ( OH) 等介质都易在水中溶解流 失， 流失的介质促进化学反应的进一步深入， 导致混凝土结构 的连续破坏 。 3 前期试验观察及分析 3 1 前期试验 为研究隧道渗水对不同材料所组成的混凝土的侵蚀程度， 先通过试 验分析 甲、 乙两种水 泥以及 当地 的粗 细骨料的性能 ， 发现其各项性能指标均符合相关标准。按材料组织方便的原 则， 分别使用甲乙两种不同的水泥以及当地的粗细骨料配制出 混凝土试件， 通过试验观察不同材料组成混凝土的侵蚀情况。 按照 J G J 5 5 2 o 0 O 规范以及隧道混凝土的性质要求， 利用 以上两种水泥以及粗细骨料， 配制 C1 5 、 C 2 0 、 C 2 5三种级别混 凝土， 测试结果如下表 1 所示。 表 1 中的试验数据是 5 次测试结果的平均值， 抗渗等级为 2次试验结果 。混凝土试件在养护过程中， 发现甲种水泥配制 的混凝土试件表面有较多的白色晶体析出， 经分析白色晶体为 Na ： S i O ( 偏硅酸钠) 。 在相同的配合比、 养护条件下， 用乙种水泥 配制的混凝土试件表面只有微量的白色晶体析出， 且混凝土强 度及抗渗等级比甲种水泥配制的混凝土试件高。 根据前期试验可初步得出如下结论： 该处水质对混凝土有侵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 前期试验混凝土测试结果表 蚀作用， 且对以甲、 乙两种水泥配制的混凝土试件表现出不同程度 的侵蚀作用， 表明侵蚀作用因原材料的差异而呈现不同程度和结果。 3 2试验 分析 通过对碱性溶 出型侵蚀机理分析及前期试验观察可以得 知， 侵蚀作用因原材料的差异而呈现不同程度和结果。为达到 防侵蚀的 目标 ， 应该从以下两个方面予以考虑 ， 来增强混凝土 的抗侵蚀能力。 ( 1 ) 调整混凝土自身材料组成成分， 增强抗侵蚀能力。 ( 2 ) 优化混凝土配合比， 改善混凝土的微观结构 ， 切断侵蚀 反应发生的途径。 为满足以上两点要求 ， 应从混凝土的原材料 、 配合 比以及 施工工艺 3个方面来改善混凝土的抗渗性能。 3 2 1 原材料的要求 ( 1 ) 水泥 水泥熟料的水化矿物成分 中， C ， S和 C S耐碱能力最强 ， c F次之， c 最差。 因此混凝土要达到防渗的目的， 所选水泥 水化组成中 C ， S和 C ： S含量要高， c 含量要低。 在水泥混合材 掺料中， 粉媒灰 、 火山灰都含有大量的活性 S i O 及 Al 2 o ， 这些 物质在介质中容易与碳酸氢盐发生反应 ， 导致水泥石结构破坏， 所以水泥掺合料不宜为粉煤灰或火山灰。另外还要求水泥的泌 水率小， 结合当地的气候条件， 因此所选水泥应为普通硅酸盐 水泥， 且混合材不能为粉煤灰或火山灰。 ( 2 ) 骨料 骨料的耐碱性能取决于碱性氧化物含量的高低及骨料的 致密程度 ， 工地所在地的石材都属于玄武岩或石灰岩质， 通过 试验分析 ， 能满足抗碱性侵蚀的要求。 ( 3 ) 外加剂 根据混凝土侵蚀机理， 外加剂的选择应遵循以下 3个原则： 能抑制HC O ； 在混凝土中的逆向电解 ， 也就是抑制碱性溶出型 侵蚀的发生条件。要达到这种 目的， 必须增加t 昆 凝土结构 OH 一 中浓度或通过高分子的亲和作用降低H c o 的活性。能减少 混凝土的单位用水量， 提高混凝土的密实性能和改善混凝土结 构中的毛细管道特性， 切断侵蚀发生的途径。对水泥水化无 不良反应， 不锈蚀钢筋并能优化施丁。 ( 4 ) 外掺料 外掺料的选择应遵循以下原则： 本身耐碱性侵蚀。 能改 善混凝土的微观结构， 提高混凝土的防侵蚀能力。施工方便， 经济合理。 3 2 2 防侵蚀混凝土的配合 比 由于防侵蚀混凝土的密实度要求高， 一般规定 W C小于0 6 ， 坍落度小于5 c m， 水泥用量大于 2 7 0 k g m ， 。混凝土结构强度符合 设计要求， 抗渗等级大于P 8 。 防侵蚀混凝土对骨料级配要求严格， 根据“ 级配曲线越接近抛物线， 其孑 L 隙率越小” 的富勒理论以及魏 矛斯骨料干涉理论可得出理想的骨料级配组成， 如表 2 所示。 表 2 理想骨料级配组成 3 2 3 防侵蚀混凝土的施工工艺 为保证防侵蚀混凝土的施工质量 ， 混凝土的施工工艺应满 足下列要求。混凝土的搅拌应采用强制式搅拌机搅拌， 根据 混凝土的结构特点 ， 采用二次搅拌法， 加强混凝土结构中各组 成部分的黏结力。 混凝土结构最好一次浇筑， 不得留施工缝 ， 在施工不能满足以上要求时， 应妥善处理施工缝， 混凝土浇筑 后必须振捣密实， 尤其在混凝土结构的边缘和薄弱环节， 以保 持混凝土结构的整体密实性能。 防侵蚀混凝土的养护工作相 当重要， 要求也相当严格， 既要保温又要保湿， 以防止混凝土表 面收缩开裂， 养护时间不应小于 1 4 d 。 4 防侵蚀 混凝土 配合 比设计 与施 工 根据现场试验结果及当地材料供应状况 ， 选用以下材料进 行混凝土配合 比设 计。水泥采用乙种 P O 4 2 5级水泥 ； 粗骨料 采用临近采石场的玄武岩质碎石 ； 细骨料采用临近河砂 ； 以上 三种材料的技术参数， 通过试验验证均能满足要求。外加剂采 用 F D N W 型防水减水剂， 为萘系高聚合物， 可减少混凝土的单 位用水量 ， 增强混凝土的密实抗渗能力， 而且和水泥水化物反 应生成不透水的高分子膜， 掺量为水泥用量的 0 2 0 5 。 4 1 粗 、 细骨料组成比例 的确定 根据前面提出的最佳骨料级配及粗、 细骨料的筛分试验结 果， 由物理颗粒级配标准图解法可得出砂率 3 8 。 4 2 混凝土的水灰 比及骨灰 比的确定 根据普通混凝土配合 比设计规程及隧道防侵蚀混凝土的 特殊要求， 可按照以下步骤进行对比试验分析， 以确定混凝土 的水灰比及骨灰比。 由骨料特性和坍落度以及公式 W C -= a , f ( ，。 + o r o t b f ) ， 可 确定混凝土的水灰比， 上式中 为水泥抗压强度的实测值 ； ， 。 为 所要 配置的混凝土强度 ； ， o r b 为与骨料有关的经验 系数。 由公式 ( s + G) C = 2 6 5 0 C 一 2 6 5 ( w c) 一 0 8 5及水灰比与砂率， 可确定骨 料用量。掺 F DN W 减水剂时， 保持水泥用量及坍落度不变， 以 此调整用水量， 按以上步骤求出各材料的单位用量； 掺石粉时， 用等量的石粉替代等量的河砂 ， 调整用水量 ， 维持坍落度不变， 其他各材料用量保持不变。根据所得出的混凝土的配合比， 制做 出不同配合比混凝土试件， 混凝土试件的测试结果如表 3 所示。 由以上对比试验结果可知 ， 掺 F D N- W 型外加剂后 ， 混凝土 单位用水量相应减少 ， 密度有少许增加 ， 和易性有所改善 ， 抗渗 性能和强度尤其时早期强度有明显提高。掺入石粉后， 在用水 量相同的情况下 ， 混凝土的坍落度略有下降， 混凝土试件在振 捣过程中， 发现有少量石粉泛出， 在养护过程中， 混凝土试件表 面出现“ 脱皮” 现象 ， 但掺人石粉后， 混凝土的抗渗性能有一定 程度的提高。 l 05 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 对 比分析试验测试 结果表 根据原材料的特点及防侵蚀混凝土配合比设计的相关理 论， 模拟实际环境条件进行了系列对比试验 ， 掺人石粉后并没 有取得预期效果， 掺入 F D N W 型外加剂后， 混凝土试件也出现 了表面粗涩， 蜂窝麻面及水泡等不良现象。 经过对比试验分析， 造成以上现象的原因有以下几个方面： ( I ) 用水量过大， 水化作用后剩余的水就可能滞留于骨料 与胶结材料黏合的薄弱环节， 使混凝土内部结构行成贯通的毛 细管道和表面水泡。 ( 2 ) 砂率过大， 引起骨料表面积的增加， 从而引起湿润骨料 的水和包裹骨料的胶结材料也相应增加， 导致了多余的活性水 出现和混凝土强度的降低， 同时， 粒子间的相互干涉作用， 使得 混凝土难以搅拌和捣实， 从而导致混凝土行成内部缺陷和蜂窝 麻面 。 根据以上对比试验分析结果， 混凝土配合比的设计时， 应严 格控制用水量和砂率， 当选用 F D N W 型外加剂( 掺量0 - 3 ) ， 通过 现场的配合比l斌验， 总结出水泥用量与砂率的对应表， 如表4 所示。 表 4 水泥用量与砂率对应表 根据以上原则， 可得出该隧道混凝土的施工配合比， 按此 施工配合比制做了混凝土试件， 并对混凝土试件进行了试验验 证， 具体情况如表 5 所示。 表 5施工配合 比及试验测试 结果表 由以上试验结果可知， 按此施工配合比制做的混凝土试件 强度、 抗渗性能等各项技术指标均能满足设计要求。 4 - 3 隧道 防侵蚀 混凝 土施 工 为更好地提高混凝土的抗渗性能， 隧道防侵蚀混凝土在施 工过程 中应遵循以下两点 ： ( 1 ) 混凝土采用二次搅拌法搅拌， 先将砂湿润( 含水量为 5 8 ) ， 再将水泥和F D N W 型粉剂一起和湿砂搅拌 l 1 5 mi n 左右， 然后将粗骨料和剩余的水加入， 再搅拌 l 1 5 mi n左右。 这种搅拌法不仅湿外加剂与水泥胶结材料得到充分接触， 发挥 了外加剂的效用， 同时增强了水泥水化物与骨料的握裹力， 改善 了混凝土的微观结构及均匀性。 ( 2 ) 由于施工条件的限制 ， 隧道衬砌施工只能分段进行 ， 为 保证隧道衬砌的整体防侵蚀能力， 用 F D N W 粉剂拌合同强度等 级的水泥砂浆， 对施工缝进行压浆处理， 切断了水介质和碱性 离子的通道， 满足了混凝土整体结构防侵蚀性能的要求。 均为P 1 2 级以上， 隧道混凝土结构的力学性能都满足设计要求。 混凝土配制材料的性能及其构成比例是混凝土结构抗渗能 力的关键影响因素。 凡能抑制侵蚀介质的反应活性、 提高混凝土的 抗渗密实性能及改善混凝土内部毛细管道结构的外加剂均可一定 程度的增强混凝土的抗侵蚀能力； 掺入惰性细粉的实质就是利 用其填充混凝土水化结构中的微小孔隙， 提高混凝土的密实抗渗 性能， 切断侵蚀介质的通道， 从而增强了混凝土的抗侵蚀能力； 施 工工艺也是影响混凝土结构抗侵蚀能力的重要因素。 参考文献 ： 【 1 】 J G J 5 5 -2 0 0 0 ， 普通混凝土配合比设计规程【 s 】 E 京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 3 【 2 】 雍本 特种混凝土设计与施工【 M E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 3 】 朱清江 混凝土外加剂工程应用手册【 K 1 北京： 中国建筑工业出版 社， 2 0 0 5 【 4 】 王幅J I 1 土木工程材料 M 】 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 1 5 结语 作 者简介： 的边墙、 拱部和仰拱共 4 3 个部 位防侵蚀混凝土进行检测。 通过抽样检测表明， 混凝土的抗渗等级 1 06 单位地址 ： 联 系电话 ： 曾昭东( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 工程师， 硕士， 主要研究方向为桥梁结 构工程。 湖南省郴州市城市规划设计院( 4 2 3 0 0 0 ) 1 3 6 1 7 3 5 1 93 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m