防腐混凝土在岩土工程施工中的应用.pdf

2 0 0 7年第 3期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 4 3 防腐混凝土在岩土工程施工中的应用 赖都成 ，张琪清 ，苏芝芳 ( 1 福建 省第三地质工程公司 ， 福建 邵 武 3 5 4 0 0 0 ； 2 江西省勘察 设计研 究院， 江 西 南 昌 3 3 0 0 1 2 ； 3 福建省 九建建 筑工程有限公司， 福建 宁德 3 5 2 1 O O ) 摘要： 结构防腐主要从混凝土内部阐述其腐蚀性， 并通过掺入外加剂进行有机补偿， 使其应用于各种抗裂防渗混 凝土， 尤其适用于与防水有关的地下、 水工 、 海工、 地铁、 隧道和水电等钢筋混凝土结构工程。 关键词： 防腐混凝土； 岩土工程； 地下工程 中图分类号： T U 5 2 8 3 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 6 7 27 4 2 8 ( 2 O O 7 ) 0 3 0 0 4 3 0 4 0引言 建筑结构防腐与裂缝控制是一个系统工程， 近 1 0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 C 3 0向 C 5 0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 4 8 8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 S O 、 K 、 N a 、 C a 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 1 2 0 0 m g L ， 具有强腐蚀性。在附 近流经 线路 的沟 水 ， 水 质属 HC O 一C l 一一K + N a 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2 m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 S O 一 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 S O 一 含量不 同， 能使硬化水泥浆 产生不同性质的腐蚀， 当 S O 一 浓度较低时， 它使硬 化水泥浆产生硫铝酸钙腐蚀， 当s O 浓度 1 0 0 0 m g 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 C a O过高， C a ( O H) 体积膨胀 所致 ； ( 2 ) 水泥中 M g o过高， M g ( O H) 体积膨胀所 致 ； 收稿 日期 2 0 0 61 01 0 作者简介： 赖都成( 1 9 7 3 一) ， 男( 汉族) ， 福建泉州人， 福建省第三地质工程公司副总经理、 一级项目经理、 注册一级建造师， 水文地质与工程 地 质专业 ， 从事桩基 、 地基基础 、 地质灾害和总承包 管理工作 ， 上海市闵行区七莘路 2 4 6 5弄 1 2 5支弄 7号楼 ( 2 0 1 1 0 1 ) ， ( 0 2 1 ) 5 4 8 5 8 5 3 0； 张琪清 ( 1 9 7 2一) ， 男 ( 汉族 ) ， 江西宜春人 ， 江西省勘察设计研究院综合分院主任工程 师， 岩土工程专业 ， 从事工程勘察与设计工 作， 江西省南 昌市 昌东 高校 园区紫 阳大道 1 6 8号， ( 0 7 9 1 ) 8 1 9 5 0 5 2， w z z q q 9 7 1 2 6 e o m； 苏芝芳( 1 9 6 4一) ， 男( 汉族 ) ， 福建宁德人 ， 福建省九建建 筑工程有限公司工程 师 ， 工业与 民用建筑专业 ， 从事工民建工作 ， 福建省宁德市蕉城 区蕉城北路 2 3号 ， ( 0 5 9 3 ) 2 8 2 2 8 8 0 。 维普资讯 http:/ 探矿工程 ( 岩土钻掘工程 ) 2 0 0 7年第 3期 ( 3 ) 水泥和外加剂碱含量过高 ， 与集料 中活性 硅等发生碱 一集料反应所致 ； ( 4 ) 有害离子 C l 一 、 Mg 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 N FC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， C A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 C ， S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。 表 1 水泥中各主要矿物的含量对抗硫酸盐性能的影响表 矿物组成 膨胀率 ( 在 3 N a 2 S O 4溶液 中浸泡 ) C 3 A C 3 S C 2 S C 4 A F 9 0天 1 8 0天 2 7 0天 3 6 5天 5 6 0 2 0 1 5 1 2 6 胀坏 4 6 0 2 0 1 6 0 4 1 2 5 胀坏 3 6 0 2 O 1 7 O 1 8 O 5 8 1 2 2 l _ 5 6 2 6 0 2 O 1 8 O 1 5 O 6 8 1 _ 1 8 1 _ 5 9 1 6 0 2 O 1 9 O o 6 O 1 5 O 3 O O o 9 O 6 0 2 O 2 O O O1 O 0 2 O o 6 O 儿 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 V e r b e c k对加利 福尼亚州萨拉曼都硫酸盐土壤 ( 含 1 0 N a S O 4 ) 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 2 2 5 k g m 和 3 1 0 k g m 时 ， 硫 酸盐 溶液 对混 凝 土 的破 坏程 度 随着 C A的增加而增大 ， 但 当水泥用量达 3 9 0 k g m 时 ， 硫酸盐溶液对混凝 土的破坏 随着 C A含量 的增加 而只有稍微增加 。A S T M标 准的 5种水 泥中除早强 型水 泥外 ，I、 、 和 V型水泥 ( 水 泥中C A 含量 1 4 0 l 2 O l O O O 2 4 6 8 1 O 1 2 平均 c A含帚 图 1 混凝土 中水泥品种 t C 3 A含量 ) 对其性能的影响 分别为 1 0 、 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 C ， A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 0 3 2 5水泥。 2 2 粉煤灰 在本项 的混凝 土施工过程 中， 掺人一定量的粉 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 C ， A和 C ， S的含 量 ， 相当于在混凝土中所用的胶结材料是低 C ， A和 低 C S的水泥。其次这些火 山灰质混合材的水泥水 化过程 中产生 C a ( O H) ， 引起 化学反应生成 CS H凝胶 ， 除了消除一部分 C a ( O H) 外 ， 还能提高 强度。C a ( O H) 的消除将减轻其膨胀危害， 强度的 提高则能限制其膨胀。CSH凝胶的产生使结 构致密 ， 降低 了 S O 一 渗透进混 凝土的能力。所 以 我们选用了江西贵溪 电厂 级粉煤灰。 2 3 砂 为降低混凝 土中的 C l 一 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 0 e m连续级配卵石配制防腐混凝土。 2 5 防腐剂 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 3期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 4 5 为了抑制混凝土的侵蚀 ， 并对市场上的调查 ， 我 们选定了 N FC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 = u k+1 6 45 6=28 2 MPa W C=0 4 u _ 0 + 0 4 6 X 0 0 ) = 0 4 6 X 3 6 7 ( 2 8 2+ 0 4 6 x 0 0 7 X 3 6 7 、 = 0 5 6 按 公 路混 凝 土 与砌 体 工程 施 工 规 范( T B 1 0 2 1 02 0 0 1 J 1 1 8 2 0 0 1 ) 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 5 0 ， 要求抗渗等级 P 8 。 表 2 环境水对混凝土侵蚀类型及侵蚀程度的判定表 表 3 混凝土受硫 酸盐 、 盐类结晶或溶出型侵蚀 的防护措施表 墨 篓 蕊爱 辫 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 3 0 5 0 mm。通过混凝土拌合 物性能试验选择用水 量 1 7 1 k g , m。 。粉煤 灰采用外加法 ， 掺入量为水泥 用量的 3 0 。 水泥用量 C 0 =1 7 1 0 4 3=3 9 8 k g 。 粉煤灰用量 F =C 0 X 3 0 =3 9 8 X 3 0 =1 1 9 k g 。 3 3 计算砂石用量 按 假 定 容 量 法 2 4 0 0 k g m。计 算 ， 砂 率 取 3 8 0 。 砂用量 S = 5 5 8 k g ， 石用量 G 0 =1 1 3 6 k g 。 3 4 计算外加剂用量 按计算的水泥用量 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 。 维普资讯 http:/ 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 0 7年第 3期 表 4 混凝土抗压强度试 验的因素 水平表 4 2 正交试验结果与极差分析 L 9 ( 3 ) 正交试验结果及极差分析详见表 5 。 表 5 L 9 ( 3 ) 正交试 验结果及极差分析表 7 7 6 6 6 5 6 3 7 4 6 3 3 3 7 4 1 6 9 1 6 4 6 3 1 6 6 7 7 0 6 6 8 7 6 8 5 0 7 0 7 0 1 6 9 2 6 8 5 0 5 3 3 3 由极差大小可知： N F 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， N F C耐腐蚀防水剂掺量最佳时， 混凝土抗压 强度越大。 4 3 方差分析 ( 3 ) 正交试验结果及方差分析详见表 6 、 表 7 表 6 焉 方差分 析表 表 7 R 2 8 方差分析表 上述试验数据分析表明， N F C耐腐蚀防水剂 和粉煤灰对混凝土抗压强度的影响均是显著 的。且 国内外大量试验已经证 明粉煤灰的活性一般在后期 得到发挥 ， 它对混凝土的后期强度有较大贡献 ， 有利 于后期强度的发展 。所以本次试验没有再取 6 0天 和9 0 天龄期的抗压强度来验证这一点。 5 捣实和养护 正确捣实可提高混凝土的密实度 ， 避免过振而 使浮浆过厚 ， 确保抹压及时不出现塑性裂缝 ， 同时认 真对施工缝 和细部结构进行微处理 ， 可阻止 S O 一 向混凝土内部渗透， 而潮湿养护则是混凝土强度发 展 的重要因素 ， 对于掺矿物掺合料特别是 掺粉煤灰 的混凝土 ， 更应该加强潮湿养护 。 施工过程中由于混凝土保温、 保湿养护不到位 ， 容易产生收缩裂缝 。特别是露天构筑物， 尽管当地 湿度很大， 但是由于吹风影响， 加速了混凝土水分蒸 发速度 ， 亦即增加 干缩 速度 ， 容易 引起 早期表面裂 缝 ， 这也是夏季比秋季、 南方 比北方出现结构裂缝较 多的原因。不少结构在浇注完 了3 6个月， 甚至在 1 2年 内出现裂缝 ， 除荷载问题外， 主要还 是环境 温度和风速引起的收缩变形所致。有些基础不及时 复土， 出入 口长期 敞开 ， 局部 防水层 破坏不及 时修 补， 这些与施工和建设方对结构维护缺乏认识有关。 因此， 在施工和使用过程中， 我们重视已浇结构的保 温 、 保湿维护工作 ， 除确保其强度达到规定强度等级 1 0 0 外 ， 尽量减少“ 热胀冷缩” 之影响。 6 应用效果 在施工过程中我们对防腐混凝土的试件进行了 抗渗试验 ， 水压力加至 1 1 k P a时 ， 试件均未出现渗 水， 其抗渗等级全部能够满足设计要求， 同时其相对 应的混凝土试件进行 抗压强度试验 ， 其强度等级也 达到了设计要求。该防腐蚀堵漏效果工程完成2年 后回访， 防腐蚀堵漏效果显著而无任何新的问题产 生。 ( 下转第 5 7页J 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年第 3期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 7 爆破前 预处 理 圄 一 爆破 中 爆破 后 图 2双排水泥窑爆破过 程 降低爆堆高度 ， 除了在爆破切 口范 围内的立柱布眼 爆破外 ， 还采取 了下列措施 ： 在切 口范围内与倾倒方 向平行的横梁布 2个炮眼， 使爆破时横梁折断； 在切 口范围外 的其它各排立柱 ， 除最后一排柱外 ， 每层布 2个炮眼装药爆破 ， 以使楼 房倒塌充分 。爆 破实践 证明 ， 措施是有效的。 ( 3 ) 对于只有 2排立柱的水 泥窑， 可 以通过对 后排立柱的网路和爆高控制 ， 从而对水泥窑的后坐 进行定量控制。 ( 4 ) 对双排水泥窑爆破是本次爆破工程 的重点 和难点 。在爆破切 口范围内的前排水泥筒体的预处 理一定要充分。因双排水 泥窑 的高宽 比小， 设计 的 爆破切 口， 必须使爆破后爆破切 口闭合时， 整个构筑 物的重心 的平面投影一定要移出水泥窑 的平面投影 的边缘之外 ， 才能确保水泥窑顺利倾倒。为 了防止 爆破后水泥窑下坐 ， 爆破切 口范 围外的立柱折断影 响倾倒 ， 最后一排柱可不布眼。爆破后 ， 水泥窑的重 力足以使最后一排柱折断。 ( 5 ) 爆破后产生 的粉尘较大。虽然采取 了爆破 前清扫楼板积尘、 部分厂房楼板上设置水池、 对包裹 布眼立柱的草袋洒水等措施 ， 但因爆破规模较大 ， 部 分水泥窑里还储有半筒的半成品( 泥粉 ) 等 ， 致使爆 破后的粉尘仍然较大 。以后 的爆破中， 为更好地保 护环境 ， 应采取更多措施加 以控制。 参考文献 ： 1 黎剑华 ， 赵江倩 ， 等 大型水 泥筒仓结 构群体 的拆除爆 破技术 J 工程爆破 ， 2 0 0 6， ( 1 ) ： 3 5 3 8 2 刘殿 中 工程爆破手册 M 北京 ： 冶金工业出版社 ， 1 9 9 3 3 冯叔瑜 ， 吕毅 ， 等 城 市控制爆破 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 6 致谢 ： 本次拆 除爆破工程 的设计在广东 2 0 0 6年爆破技术人 员培 训班学习期间得到了考核专家组史雅语 教授 的热情 指导 ， 设计 与施 工得到了广东肇庆广地爆 破工程 公司 经理黎学 平高级 工程师 的指 导 ， 在此深表谢意 ! ( 上接第 4 2页) 水下砼 C I O ( 添加速凝剂) 浇注 ， 待初凝 81 0 h后 ， 固壁作用开始发挥， 进行透槽施工， 循环使用此方法 直至穿透坍塌段。 5 2 成槽 、 成墙 砾( 卵) 石松散、 易塌层经固壁后 ， 使用常规法成槽 施工达到设计要求的深度， 然后浇注水下砼并成墙。 大大节省人力物力 ， 我们将此法应用于江西省丰城 市赣江大堤稂2 标段、 抚州赣抚大堤八宝堤段、 廖坊 水库大堤等多个工程项 目的松散、 易塌地层成槽施 工实践 ， 效果 良好 ， 且实现了槽 内骨料的综合利用； 完工项 目所形成的防渗墙 ， 经汛期洪水的考验 ， 坝基 附近的泡泉、 涌水现象消失 ， 止水效果良好 。 致谢 ： 本文在写作过程 中得到了刘留春先生的大力帮助 ， 在此表 6 结语 示衷心的感谢 处理极松散段 的砾 ( 卵) 石层 ， 采用上述方法可 ( 上接第4 6页) 环保角度和避免重复建设角度考虑， 防腐蚀混凝土 的前景令人乐观 ， 具有较高的经济价值 。 7 结语 通过对混凝 土机理的研究和环境 的分析 ， 结合 参考文献 ： 试验数据 ， 确定 了通过掺人外加剂进行有机补偿 和 1 陈肇元 混凝土结构的耐久性设计方法 建筑技术， 2 0 0 3 ， 施工合理 的控制， 对增强混凝土的耐久性 、 延长混凝 2 混凝土结构的耐久性与寿命预测 M E 京 ：科学 出 土建筑物使用寿命具有很强的现实意义。同时通过 版社， 2 0 0 3 维普资讯 http:/