防腐剂对高性能混凝土结构耐久性影响的相关性分析

程棋锋

（合诚工程咨询股份有限公司，福建 厦门 361009）

防腐剂对高性能混凝土结构耐久性影响的相关性分析

程棋锋

（合诚工程咨询股份有限公司，福建 厦门 361009）

本文通过对添加和不添加防腐剂的不同典型强度等级的混凝土的力学性能、ASTM电通量、RCM氯离子扩散性、Permit原位氯离子渗透性、Autoclam吸水性、抗冻融性进行对比研究，得出防腐剂对于不同强度等级混凝土的耐久性的影响，以此来评价各种防腐剂对于高性能混凝土的耐久性的作用。

混凝土；防腐剂；耐久性；相关性；原位氯离子渗透性

0　引言

混凝土以其原材料易得、易浇注成型、适应性强、性价比高、综合能耗低等优点而成为当今世界上应用最广泛、用量最大的建筑材料。由于环境污染、温室效应导致的气候变暖和生态恶化对用量最大的混凝土材料提出了可持续发展的要求。实现混凝土工程的高耐久和长寿命是效益巨大的节能减排和可持续发展举措，因此混凝土的耐久性成为影响混凝土技术未来发展的关键问题。

为了延长混凝土的耐久性很多工程采用添加混凝土防腐剂的方法。掺加防腐剂直接使混凝土的造价提高 10% 左右，但是对于防腐剂与高性能混凝土耐久性的相关性目前没有一个综合的相关性分析，因此有必要对其相关性进行深入综合研究，以得出防腐剂对于混凝土耐久性的贡献。

1　混凝土防腐剂

依据国家标准 GB 8075—2005《混凝土外加剂定义、分类、命名与术语》，外加剂的定义为：混凝土外加剂是拌制混凝土过程中掺放，用以改善混凝土性能的物质，掺量不大于水泥质量的 5%（特殊情况除外）。规范里列出了 20 余种外加剂，但并没有防腐剂，更没有相关检测标准[1]。

混凝土防腐通常可以考虑物理防腐和化学防腐。调研发现，市场上的防腐剂有两大类：粉剂材料主要以矿粉（或粉煤灰）＋硅粉＋亚硝酸钙为主，实际上还是阻锈剂，通过掺加到混凝土中起到阻锈效果，虽然不计入胶凝材料，但实际上造成胶凝材料变大，水胶比减小，提高了混凝土的密实性，其弊端是混凝土坍落度损失很大，不利于混凝土的工作性。水剂材料：主要是减水剂+亚硝酸钙或其他种类的阻锈成分。

2　混凝土耐久性表征技术

混凝土的耐久性材料层次的研究重点是劣化机理、防劣化技术措施、评定标准和劣化状态识别等，目前对于高性能混凝土的耐久性评价方法主要有：

（1） 混凝土力学性能指标作为混凝土发挥功能的最基本的一个指标，具有极度重要的意义。目前建筑高性能混凝土的力学性能主要以承压为主，所以本文主要采用混凝土立方体抗压强度变化情况作为混凝土耐久性评定指标之一，其测试设备如图 1(a) 所示。

（2）混凝土的密实性指标作为混凝土耐久性评价的最重要指标，主要通过测定氯离子在混凝土中的迁移速率来表征。本文采用 ASTM 电通量法和优化后的 RCM 氯离子扩散系数测定法测定所得的氯离子迁移量和氯离子扩散速率作为混凝土耐久性评定的指标之一，其测试设备如图 1(b) 和图1(c) 所示。

（3） 实体结构混凝土耐久性指标对于综合评价混凝土耐久性亦非常重要，因此本文采用英国女王大学引进的Permit原位混凝土氯离子迁移速率测定仪和 Autoclam 混凝土表面渗透性来评价混凝土实体结构的耐久性，其测试设备如图 (d) 和图 1(e) 所示。

Permit 原位混凝土氯离子迁移速率计算相关公式为：

电导梯度转化为浓度梯度公式：dc/dt=5.68ds/dt+1.13

离子迁移系数的计算公式：

其中：

dc/dt——阳极电解液浓度变化情况，mol/(L·s)；

T——绝对温度，K；

R——通用气体常数；

Z——离子的原价；

C——离子源溶液的浓度，mol/L；

F——法拉第常数；

E——正负极间的电势差，V；

V——阳极电解液的体积，m3；

L/A——流动长度与外部面积的比值。

（4）混凝土结构在中国北方地区都面临冻融破坏问题，并且混凝土防腐剂在北方地区应用比南方地区广泛，因此为了全面评价防腐剂对混凝土耐久性的影响，本文把混凝土的抗冻融耐久性指数作为评价混凝土耐久性的指标之一，其测试设备如图 1(f) 所示。

图1　本试验使用仪器设备

3　混凝土试验配合比设计

试验原材料选用普通硅酸盐 P·O42.5 水泥、S95 矿粉和F-Ⅱ级粉煤灰作为胶凝材料，选用闽江中砂作为细集料、蓟县 5～25mm 碎石作为粗集料，选用高效聚羧酸减水剂和市场流通量最大最典型的两种粉剂和一种液体防腐剂 FA（粉剂）、FB（粉剂）、FC（液态）作为外加剂，拌合用水采用饮用自来水。

为了综合评价混凝土防腐剂对不同强度等级的混凝土耐久性的影响的相关性，按照目前中国地区使用最为常见的混凝土设计强度等级，根据本单位在典型高性能混凝土配合比设计方面长期积累的经验来进行混凝土配比设计。本文以不掺加防腐剂的混凝土为基准配合比，以掺加不同种类防腐剂的配合比作为对比配合比，具体的试验配合比如表 1 所示。

4　实验结果分析

按照表 1 的混凝土配合比设计方案，依据标准规定进行混凝土的拌制和相关性能试验，每个配合比进行三组平行试验，以三组代表值的平均值作为对应配合比性能的代表值。本文主要对基准和对比混凝土配合比的混凝土立方体抗压强度、ASTM 电通量、RCM 氯离子渗透系数、混凝土板 Permit表面稳态氯离子迁移系数测试、混凝土板 Autoclam 表面吸水性测试以及混凝土快速冻融耐久性指数进行测试。其中混凝土立方体抗压强度 3d、7d、28d、56d 所得结果汇总分析如图2 所示，其他耐久性试验结果汇总分析如图 3 所示。

表1　试验基准及对比配合比设计

图2　混凝土强度随时间变化情况汇总分析表

由图 2 可以看出：（1）掺加粉剂防腐剂的 FA 系列混凝土和 FB 系列混凝土的 3d 和 7d 早期强度比基准配合比要高得多，而基准配合比的早期强度又比液态的稍微更高。产生这种现象的原因应该是由于粉剂防腐剂中的主要成分包括矿粉、粉煤灰等胶凝材料，在与基准混凝土相同水灰比的情况下间接降低了掺防腐剂类配比的水灰比，因此混凝土的强度在防腐剂的作用下得到一定的提高；（2）粉剂防腐剂对于混凝土早期强度的增强效果随着设计强度的增大在不断降低，对于 C50 的混凝土其早期强度的增强效果并不显著。产生这种现象是因为高强混凝土的强度发展速度比低等级的快，降低了防腐剂对于混凝土早期强度的影响作用。（3）防腐剂对于 56d 龄期混凝土强度的变化影响并不明显，这是因为防腐剂在提高混凝土早期强度的同时大量消耗了水泥水化物中Ca(OH)2的含量，从而影响了混凝土的后期强度发展，所以说防腐剂对于混凝土的长期强度提高作用有限。

图3　耐久性能试验测试结果

由图 3(a)、(b) 和 (c) 的电通量、RCM 氯离子扩散系数及 Permit 原位氯离子渗透试验结果可以看出掺加粉剂防腐剂的混凝土抗氯离子侵蚀性能比基准和掺液态防腐剂的更优，低强度等级混凝土的抗氯离子侵蚀性提高程度比高强度混凝土比例大，原位氯离子迁移速率 Dmiginsitu变化情况也基本类似。产生这种现象的原因主要是因为低等级混凝土的密实性较低，而掺加防腐剂，尤其是粉剂防腐剂之后，会降低混凝土的水胶比，同时引入防腐成分，大大增加了混凝土的密实性，同时防腐剂中掺入了部分阻止离子渗透的材料，使得混凝土的抗氯离子渗透性大大增强。

由图4 (d) 可以看出防腐剂对于低等级混凝土的吸水性有较大地提高，但是当混凝土强度高于 C40 之后其吸水性减小情况变缓。出现这种情况是因为水在没有压力的作用下其渗透性很弱，当混凝土密实性达到一定程度之后，水分子要继续渗透就会变得非常困难，因此当高性能混凝土的强度等级大于 C40 之后吸水性系数变化就不明显。

由图 3(e) 看出防腐剂对于混凝土的抗冻融耐久性提高程度非常大，对于不同强度等级的混凝土都有显著的提高效果。这是因为很多防腐剂中都掺加了一定量的引气剂，使得新拌混凝土中加入了大量的微型气泡，这些气泡能抵消混凝土由于热胀冷缩引起的内部应力。当混凝土的含气量能控制在 3%～5% 时，气泡对于混凝土的抗冻融性具有很好的提高效应。同时，防腐剂具有一定的增密性，进一步提高了混凝土的抗冻融性。

5　结论

（1）由图 2 和图 3 的试验结果分析可以得出，对于低于C40 的混凝土掺加防腐剂能在一定程度上能提高混凝土的早期强度，同时能提高混凝土的 28d 抗氯离子侵蚀性能。

（2）对于不小于 C40 的混凝土，防腐剂对于其抗氯离子侵蚀性的提高作用不明显。

（3）由于防腐剂中的引气成分给混凝土中引入适量的微型气泡，因此防腐剂对于混凝土抗冻融性能的提升效应是最为显著的。

（4）由于防腐剂的掺加将导致混凝土造价增加 6%～8%，因此对于混凝土中是否掺加防腐剂应该根据现场的防腐要求、混凝土强度设计等级以及工程造价来综合判定。

[1] 闻宝联．沿海地区桩基础腐蚀防护与相关问题探讨[C]．2011 桩基础腐蚀北京研讨会论文集[A]，2011.6．

［通讯地址］厦门市湖里区枋钟路 2368 号（361009）

程棋锋（1986—），男，工程师，长期从事混凝土耐久性等研究工作。