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1、抗硫酸盐耐久性混凝土的性能研究与工程应用探讨摘要：以市新区快速通道项目为工程背景，结合当地混凝土原材料的性能和工程地处水文地质特点,对比试验与分析了普通硅酸盐水泥配制混凝土和抗硫酸盐水泥配制的耐久性混凝土性能，特别是两者的抗硫酸盐耐久性参数进行试验详细的比较分析，由抗硫酸盐水泥配制的混凝土具有更好的抗硫酸循环能力，具有更好的强度保持性和耐久性，并成功应用于本重点工程中，可实现工程涉及的几座大桥的使用寿命满足100年设计使用年限。前言市新区快速通道（G245至G213连接线）工程项目，该公路西起市区的镇，经过新区镇,东止县的镇，全线长48.65公里。公路设计使用年限为100年，经勘探检测，工程中
2、的南大桥、河大桥、上跨铁路大桥和大道跨线桥桥位所处区域，地下水中SO2含量最高达到2154mg1.o在这样的环境条件，进行大桥的混凝土桩基、埋于土壤里的混凝土墩柱的建设与施工，若是采用常规性能的混凝土，则比较容易被侵蚀混凝土表面，进而会腐蚀至大桥的桩基、墩柱内部结构，影响其混凝土结构的整体使用寿命。因此，需要研究能够抗硫酸盐腐蚀的混凝土，来保证整个混凝土结构的耐久性，进而使工程涉及的几座大桥的使用寿命满足设计使用年限，达到真正的耐久、经济作用。1试验1.l混凝土受硫酸盐侵蚀的机理硫酸盐侵蚀主要是环境中的S02-通过混凝土中的毛细血管进入混凝土内部，并与混凝土硬化后产物中的Ca（OH）2发生化学
3、反应，生成硫酸钙（CaSO4）,硫酸钙进而再与水泥水化产物铝酸钙（CaOA1.2O312H2O）反应生成水化硫铝酸钙（钙矶石）引起体积膨胀，膨胀产生的拉应力超过混凝土的极限拉应力就会造成混凝土的开裂破坏；再者，由于整个混凝土体系内的碱度被降低到一定程度，进而会导致混凝土包裹着的钢筋失去钝化而锈蚀破坏。根据硫酸盐来源的不同可分为外部和内部硫酸盐侵蚀。1.2混凝土的原材料（1）水泥：特种水泥股份有限公司生产的PQ42.5R普通硅酸盐水泥和PMS42.5中抗硫酸盐水泥。（2）粉煤灰：生产的11级灰，细度12%,需水量比105%,三氧化硫含量1.75%。（3）粗集料：卵石压碎的5-1Omm和10-25
4、mm碎石双掺，两者掺和配比为例，碎石吸水率0.6%,坚固性1%,含泥量0.3%,表观密度2790kgm30（4）细集料：地区卵石压碎的机制砂和天然细砂，两者掺和配比为加，机制砂细度模数3.1,石粉含量5.6；细砂细度模数14含泥量2.8。（5）外加剂：生产的HZQl型聚竣酸高性能减水剂，减水率27%。（6）水：拌合水采用自来水。1.3 试验方法根据大桥的不同部位、环境条件和混凝土原材料的性能特点，依据JGJ552011普通混凝土配合比设计规程、JTG/TF50-2011公路桥涵施工技术规范、GB/T50476-2008混凝土结构耐久性设计规范等标准规范分别设计出工程所需要的桩基（水下C35）、
5、桥台（C35）和墩柱（C40）的混凝土配合比，具体见表1.1。表1.1凝土的设计配合比WkainmtHui91OomiiIO*25auu?0162TjOIITO2MEC393SI701626141?1m202EC4601%420204S04上述混凝土配合比进行试配，按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/50080）、普通混凝土力学性能试验方法标准（GB60081）和普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB方0082）标准方法，进行混凝土的性能试验和对比分析。2试验结果与分析2.1混凝土的抗硫酸盐侵蚀试验分别采用P.042.5R普通硅酸盐水泥和PMS42.5中抗硫酸盐水泥配制混凝土，
6、并制成100mm*10Omm*10Omm立方体试块，编号Al（水下C35）、Bl（C35）、Cl（C40）为普通硅酸盐水泥（P.042.5R）配制，A2（水下C35）、B2（C35）、C2（C40）为中抗硫酸盐水泥（PMS42.5）配制。试验采用硫酸钠溶液干湿交替循环的试验方法。具体的操作过程：第一步，将标准养护箱中养护26d龄期的试件取出并擦干其表面的水分，将其放入温度为80C5C的烘箱中放置48h,然后取出冷却至室温；第二步，将试样放入5%的Na2SO4中，使液面至少高于试样上面20mm,相邻试件之间应保持20mm的间距,试件与试件盒侧壁的间距也不应小于20mm,浸泡时间为15h0.5h;
7、第三步，将试件风干放置烘箱维持在（80C5C）从开始烘到冷却至（2530）时间应控制9h0.5h,每个干湿交替循环时间应控制在24h2h内。分别测15、30、60、90、120、150、180次循环后的试块的抗压强度变化,计算其变化率。每间隔15个循环进行一次Na2SO4溶液的PH值检测，使溶液的PH值保持在6-8的范围之间，溶液温度控制在（2530）C。2.2 不同混凝土配合比的抗硫酸盐性能对比分析通过上一节的不同部位不同强度等级的混凝土配合比，进行了混凝土的强度试验、抗硫酸盐侵蚀的试验，试验结果如图2.1所示。图2.1不同水泥试件在Na2SO4溶液中强度损失与干湿循环次数的关系曲线1、上图
8、试验数据可知，普通硅酸盐水泥配制的混凝土在硫酸盐环境下，混凝土早期耐蚀系数呈缓慢增加，但强度都低于标准养护强度，在90次干湿循环次数时，耐蚀系数和强度达到顶点，到180次干湿循环后耐蚀系数己经接近75%o强度耐蚀系数明显比抗硫酸盐水泥拌制混凝土小。干湿循环条件下平均温度大于标养温度，混凝土强度增长理因大于标养条件，但是混凝土在硫酸盐溶液中被SO2腐蚀，造成干湿循环条件下混凝土强度低于标养下混凝土强度；早期混凝土在强度增长率大于硫酸盐侵蚀率，所以混凝土强度还在缓慢增长。2、用抗硫酸盐水泥配制的混凝土在硫酸盐环境下，早期耐蚀系数在缓慢增长，在90次循环时达到顶峰，后呈缓慢下降趋势，在180次干湿循
9、环后耐蚀系数还能在90%以上。干湿循环条件下平均温度大于标养温度，抗硫酸盐混凝土能有效减小SO2腐蚀性，使混凝土强度在120次干湿循环条件下都大于标养强度。这是因为抗硫酸盐水泥中，其水泥熟料铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）的含量远低于普通硅酸盐水泥，混凝土硬化后，水泥水化产物中的Ca（OH）2和铝酸钙（CaOA1.2O312H2O）少，和混凝土周围环境中的硫酸盐发生反应生成硫酸钙（CaSo4）,硫酸钙再和水泥水化产物铝酸钙（CaOA1.2O312H2O）反应生成水化硫铝酸钙（钙矶石）的量就少，对混凝土内部造成的破坏就低，减少了混凝土受硫酸盐环境的侵蚀，从而保护了混凝土，保证了混凝土结构在
10、硫酸盐含量较高的环境中仍保持的整体耐久性。3工程应用新区快速通道（G245至G213连接线）工程是市北部地区一条重要的横向通道，连接成都和简阳市，将极大的改善市北部交通现状，促进市和成都市的经济交流和发展。公路为一级公路，设计时速为80kmh,使用年限为100年，经检测公路中的南河大桥、府河大桥、锦江大道跨线桥和上跨成昆铁路大桥桥位处，地下水中S02含量最高达到2154mg1.为保障工程100年使用寿命，南河大桥、府河大桥、锦江大道跨线桥和上跨成昆铁路大桥的地下结构（桩基），包括部分在地下的承台、系梁和立柱全部采用抗硫酸盐水泥配制的耐久性混凝土。年月日新区快速通道第一根抗硫酸盐桩基混凝土在府河
11、大桥浇筑，截至年月，除了南大桥主体未完成，其余桥梁主体结构均已完工，抗硫酸盐混凝土已完成全部供应，累计供应6万余方。所有混凝土同条件试块、标准养护试块抗压强度和结构实体回弹强度均达到设计要求，并且满足抗硫酸盐的耐久性要求。4结论（1）用抗硫酸盐水泥配制的耐久性混凝土比用普通硅酸盐水泥配制的混凝土在抗硫酸盐环境下具有更好的抗腐蚀性。虽然普通混凝土在硫酸盐腐蚀下还能保持长时间的耐腐蚀性，但是随着时间的增加，水泥水化产物氢氧化钙在混凝土内部反应生成的硫铝酸钙（钙研石）就越多，强度损失加快，混凝土内部的碱度进一步降低，最终混凝土内部结构被破坏，严重影响混凝土寿命。（2）抗硫酸盐耐久性混凝土，由于抗硫酸
12、盐水泥熟料中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）总量少，水泥水化后的产物和S02.反应在混凝土内部生成的水化硫铝酸钙（钙矶石）总量就少，从而减少了混凝土内部被破坏的因子，保证了混凝土的整体耐久性，进而保质混凝土结构体的强度、耐侵蚀，延长了结构体的使用寿命。（3）工程采用抗硫酸盐性能更好的耐久性混凝土,才能更长时间有效的保证混凝土在硫酸盐环境下的长期质量稳定，从而才能实现工程的100年设计使用寿命目标。附参考资料：高性能抗硫酸盐混凝土的试验研究针对结构混凝土因硫酸盐侵蚀破坏影响工程结构安全等问题,通过试验研究了掺粉煤灰混凝土，掺磨细矿渣粉混凝土，认为矿物掺合料的掺加量和水灰比是决定混凝土抗硫酸
13、盐性能的关节因素。关键词硫酸盐；混凝土；粉煤灰；水胶比；掺合料1研究背景煤炭是我国的主要能源。煤层开采后处于氧化环境，燥炭中所含的矿物质硫与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解作用，生成硫酸，使水呈酸性，即产生了酸性矿井水。酸性矿井水的形成对地下水及土壤造成了严重的污染。地下水及土壤中的硫酸盐侵蚀是造成地下混凝土工程腐蚀的重要因素，因此在建筑设计时地下混凝土工程越来越多地要求使用抗硫酸盐混凝土。硫酸盐侵蚀以混凝土的膨胀和开裂形式表现。渗透性增大，侵蚀水就很容易渗入内部，因此使劣化过程加速。有时，混凝土膨胀会造成严重的结构问题，例如构件的膨胀造成位移。硫酸盐侵蚀还会由于劣化水泥水化产物的胶
14、联作用丧失，而表现为强度逐渐减低和质量损失。提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的技术措施通常是采用抗硫酸盐水泥配制抗侵蚀混凝土,但抗硫酸盐水泥的应用范围有一定的局限性，且价格远远高于常用水泥。专用的抗硫酸盐水泥生产厂家十分稀少，产量很低，远不能满足要求，需要探索新的抗硫酸盐混凝土配制方法，研究使用普通硅酸盐水泥配制高性能抗硫酸盐混凝土。2硫酸盐侵蚀中的化学原理水硬性硅酸盐水泥体系中氢氧化钙和铝相易受硫酸根离子侵蚀。在水化过程中，C3A含量在5%以上的硅酸盐水泥所含大部分为单硫型水化物C3ACSH18形式；C3A含量超过8%时，水化产物也含有C3ACHH18由于硅酸盐水泥中存在氢氧化钙，当水泥浆体与硫酸根离
15、子接触时，两种含铝的水化物转变成高硫型(钙供石，C3A3CSH32):C3ACS-H18+2CH+3S+11H-*C3A-3CS-H32(1)C3ACS-H18+2CH+2S+12H-*C3A-3CSH32(2)通常认为，混凝土中与硫酸盐相关的膨胀都和钙机石有关；但是，形成导致膨胀的机理仍然是一个有争议的问题1。3研究项目情况及方法3.1 原材料(1)水泥：采用太钢双良普通硅酸盐42.5级水泥。(2)矿粉：采用S95级太钢磨细矿渣粉。(3)粉煤灰：采用太原第一热电厂11级粉煤灰。(4)砂子：交城水洗砂，细度模数2.8。(5)石子：采用交城碎石(525mm)连续粒径。(6)外加剂：采用山大合盛生产的HS-209聚粉酸高性能减水剂，掺量2.0%。试验采用的外加剂为聚粉酸高性能减水剂，普通蔡系高效减水剂中Na2SO4含量为16%左右，而高浓高效蔡系减水剂Na2SO4含量为2.6%,聚度酸高性能减水剂几乎不含Na2SO4,这样混凝土中Na2SO4含量极低，可以使粉燥灰和磨细矿渣粉可以消耗更多的Ca(OH)2,充分阻断硫酸盐侵蚀反应的发生。3.2 单掺粉煤灰时混凝土抗硫酸盐侵蚀情况研究不同水胶比条件下，单掺粉煤灰，其掺量对混凝土性能的影响。混凝土配合比见表1,性能检测
