坪头水电站混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究

李光伟，周麒雯，杨 轶

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610071)

1 前 言

对坪头水电站当地的地下环境水的水质分析结果表明: 当地的地下水中硫酸盐含量是300～500mg/L，为Ca-SO4型水，按GB5027-2006《水力发电工程地质勘察规范》规定，该地下水对混凝土具有中～强等强度的硫酸盐腐蚀。为保证坪头水电站建筑物的长期安全，需结合坪头水电站的实际开展混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究。

2 测试及评价方法

硫酸盐侵蚀是一个较为复杂的过程，具体的侵蚀形式和结果取决于胶凝材料的性质、养护条件和侵蚀环境的温度、浓度以及pH值等。为了对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行测试和评价, 国内外进行了多年研究, 并制定了一系列的标准测试及评价方法, 主要是从试件的膨胀量变化和试件的力学性能变化两个方面进行。

我国关于水泥抗硫酸盐侵蚀性能的测定方法，有关部门先后制定和发布了4个不同版本的国家标准。最早的是1965年发布的GB749-1965《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》，该标准采用1∶3.5胶砂，试件为10mm×10mm×30mm的棱柱体。在湿气中养护1 d，淡水中养护14 d，然后一部分试件仍然在淡水中养护，另一部分放入含有硫酸盐的环境水或人工配制的硫酸盐溶液中，养护至6个月。水泥胶砂的抗蚀性以腐蚀系数表示，腐蚀系数是同一龄期的水泥胶砂试件在侵蚀溶液和淡水中的抗折强度之比。评定准则为: 6个月时的腐蚀系数小于0.80时, 则认为该水泥胶砂试体在该环境水或该浓度的硫酸盐溶液中抗蚀性能较差。在GB749-1965的基础上于1981年发布了GB/T 2420-1981《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》, 该标准采用1∶2.5 胶砂，试件为10mm×10mm×60mm的棱柱体，在养护箱中养护1d，在50℃水中养护7d，28d常温侵蚀，侵蚀溶液采用硫酸盐浓度为2%的硫酸钠溶液。还可根据需要，采用天然环境水，或变更硫酸钠的浓度。以抗蚀系数表示抗蚀能力，抗蚀系数为同龄期的水泥胶砂试体在硫酸盐溶液中浸泡和在20℃水中养护后的抗折强度之比。2001年发布了GB/T749-2001《硅酸盐水泥在硫酸盐环境中的潜在膨胀性能试验方法》。该标准采用小尺寸水泥胶砂试件，通过测量掺石膏水泥胶砂试体在规定龄期的线膨胀率来衡量其潜在的抗硫酸盐性能。2008年发布了GB/T749-2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》,其代替GB/T749-2001和GB2420-1981。该标准中同时列入了潜在膨胀性能试验方法和小试体高浓度溶液浸泡快速试验方法，供选择使用。以上四种试验方法均采用小尺寸的水泥砂浆试件，只能评价水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀的能力，而无法完全反映混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

如何评估水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力是一个值得研究的课题。为了模拟工程的实际情况,分析各种因素对混凝土抗硫酸盐腐蚀能力的影响,本次试验研究选用坪头水电站工程实际采用的混凝土原材料, 采用淡水作为混凝土的拌和水成型混凝土试件，在养护温度为20℃的条件下，分别将试件放置在淡水及具有一定硫酸盐含量的溶液中养护，试件养护至规定龄期后，进行混凝土抗压强度及劈拉强度试验。采用不同龄期硫酸盐溶液养护的混凝土强度性能与淡水养护的混凝土强度性能的比值作为混凝土的抗蚀系数，评估混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。试验时混凝土强度试件为150mm立方体，试验方法参见DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》。

3 混凝土抗硫酸盐侵蚀的试验研究

3.1 水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

水泥抗硫酸盐侵蚀性能取决于水泥熟料的矿物组成及其相对含量，尤其是C3A和C3S的含量具有重要意义。因为C3A水化析出水化铝酸钙是形成钙矾石的必要组分，C3S在水化过程中析出大量的Ca(OH)2，是形成钙矾石和石膏结晶的条件。降低C3A和C3S的含量也就相应地减少了形成钙矾石和石膏的可能性，从而可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀的能力。

采用坪头水电站拟用的峨胜普硅水泥、峨胜中热水泥和嘉华中抗硫酸盐水泥进行水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究。水泥的化学成分及矿物组成见表1。

图1 水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

水泥品种化学成分/ %SiO2Fe2O3A l2O3CaOMgOSO3矿物组成/%烧失量C3SC3A峨胜中热21.074.564.0262.134.3220.64 0.7149.780.93峨胜普硅20.643.255.9260.533.182.63 3.2657.307.70嘉华中抗21.075.845.1362.452.232.01 0.6144.682.31

(1)在相同条件下，采用中热水泥配制的混凝土的抗压强度与采用中抗硫酸盐水泥配制的混凝土一致，但抗拉强度优于采用中抗硫酸盐水泥配制的混凝土，表明采用中热水泥配制的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力优于中抗硫酸盐水泥。这是由于中热水泥的C3A含量低于中抗硫酸盐水泥中的C3A含量的缘故。

(2)在相同条件下, 采用普硅水泥配制混凝土早龄期的强度与采用其它两种水泥配制的混凝土差异不大，但随着龄期的延长，其混凝土抗压强度及劈拉强度均高于采用其它两种水泥配制的混凝土，表明采用峨胜普硅水泥配制的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力要优于嘉华中抗硫酸盐水泥和峨胜中热水泥。其原因在于:峨胜普硅水泥掺有20%的铁合金炉渣作为混合材，该混合材不仅对熟料中的C3A 含量具有一定的稀释作用和对硬化体结构中的毛细孔具有填充作用，而且还具有一定的潜在的火山灰效应，可以减少混凝土中的Ca(OH)2以及游离氧化钙含量，从而有效地提高水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力。

3.2 粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

研究表明，在混凝土中掺入适量的粉煤灰是改善混凝土抗硫酸盐侵蚀破坏性能的一种行之有效的方法。这主要是由于在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可以对熟料中的C3A含量进行稀释、对硬化体结构中的毛细孔进行填充，和混凝土中的Ca(OH)2晶体反应形成胶凝性矿物。由于各种粉煤灰的化学成分不同，因此掺粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响也不尽相同。Dustan通过研究提出了R值判据准则。R值的定义为:R=(C-5)/F。式中C为粉煤灰中CaO含量，F为粉煤灰中Fe2O3的含量。也即粉煤灰中CaO含量和Fe2O3的含量是影响粉煤灰混凝土抗硫酸盐性能的主要因素。系数R越高，抗硫酸盐侵蚀的性能越低。

表2 粉煤灰的化学成分

表3 不同品种粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响

图2 粉煤灰掺量对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响

3.3 外加剂品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

针对坪头水电站的实际，开展掺水泥基防水材料和防腐剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力影响的试验研究，并与掺目前水工混凝土常用的缓凝高效减水剂混凝土进行比较。

由试验结果可以看出：掺水泥基防水材料混凝土的强度要高于掺缓凝高效减水剂混凝土。与掺缓凝高效减水剂混凝土相比，其28d抗压强度提高了20.6%，抗拉强度提高了19%，表明掺水泥基防水材料混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力要优于掺缓凝高效减水剂混凝土。

3.4 混凝土水胶比对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响

混凝土的密实度对其抗硫酸盐侵蚀能力具有重大影响。混凝土的密实度越高，混凝土的孔隙率越小，侵蚀溶液就越难渗入混凝土的孔隙内部。另外，混凝土的密实度越高，也会使混凝土的强度提高。因此降低混凝土水胶比增大混凝土的密实度，可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

图3 水泥基防水材料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图4 防腐剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图5 混凝土的水胶比对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响

4 结 语

(1)选用实际工程所用的混凝土原材料成型混凝土试件，采用不同龄期硫酸盐溶液养护的混凝土强度性能与淡水养护的混凝土强度性能的比值作为混凝土的抗蚀系数，评估混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力，可以真实地反映各种因素对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。

(2)掺有活性混合材的普硅水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力要优于中抗硫酸盐水泥和中热水泥。坪头水电站的混凝土可选用峨胜普硅水泥配制有抗硫酸盐侵蚀要求的水工混凝土。

(3)由于各种粉煤灰的化学成分不同，掺粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的影响也不尽相同，因此坪头水电站应选用R值低的粉煤灰以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

(4)在坪头水电站混凝土中掺用一定量的水泥基防水材料和防腐剂可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。

(5)降低混凝土的水胶比可以使混凝土的密实度增大，因此坪头水电站的混凝土应尽量选择较小的水胶比。

参考文献：

[1] 冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 李光伟，周麒雯.坪头水电站不同品种水泥的抗硫酸盐侵蚀试验研究[J].水电站设计,2010(4).

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[4] 梁咏宁，袁迎曙，等.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响[J].中国矿业大学学报,2005(4).

[5] 袁晓露，周明凯，李北星.混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的测试与评价方法综述[J].混凝土,2008(2).