减水剂对抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土适应性研究

武 斌，白玉生，李宪军，骆佐龙

(1.山西大学 土木工程系,太原 030013；2.国网山西省电力公司,太原 030001)

0 引言

变电站工程和特高压变电站工程是有关国计民生的重大工程项目，这些工程有很大一部分处于复杂的外部环境中，而混凝土基础作为输变电工程重要的工程构件，其耐久性寿命的长短直接决定了输变电工程的寿命。中国山西、山东等地变电站基础存在硫酸盐腐蚀现象，“泛碱”损害严重。近年来，国内外对于抑制硫酸盐腐蚀的主要方法之一是配制高性能混凝土[1-4]。减水剂，作为高性能混凝土配合比设计的重要组成部分，可以改善混凝土工艺、提高混凝土性能、节约水泥[5]，在高性能混凝土耐久性发挥方面具有较大的作用。因此，研究减水剂对高性能混凝土适应性具有较大的经济意义和现实意义。目前国内研制并被广泛使用的高效减水剂主要有聚羧酸系高性能减水剂和萘系高效减水剂[6-13]：聚羧酸系高性能减水剂具有高减水率、低收缩、高强度、低泌水和坍落度损失小等性能优点；萘系高效减水剂性能稳定，对砂石含泥量敏感性低[6-13]。这两种减水剂均广泛应用在输变电工程基础混凝土中。

本文采用聚羧酸系高性能减水剂和萘系高效减水剂分别辅以复合缓凝组分、保坍组分、阻断毛细孔和引气组分配制复合减水剂，从研究减水剂对抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土的适应性入手，为配制抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土的功能型复合减水剂提供一定的依据。

1 试验原材料

1)水泥：普通硅酸盐水泥，山西吉港P·O42.5水泥，其比表面积为324 m2/kg，初凝时间为167 min，终凝时间为218 min，3 d抗折和抗压强度分别为5.0 MPa和22.1 MPa，28 d抗折和抗压强度分别为8.5 MPa和49.2 MPa。

2)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，太原二电厂生产，细度为11%，需水量比为101%，含水量为0.2%。

3)矿粉：山西太钢生产，比表面积为450 m2/kg，流动度比为103%，烧失量为2.3%。

4)硅灰：山西交城义望铁合金厂生产，比表面积为18 000 m2/kg，SiO2含量为91.2%，pH为中性。

5)砂：中砂，文水，细度模数为2.7。

6)碎石：5 mm～25 mm级配碎石，太原东山。

7)减水剂：聚羧酸系高性能减水剂和萘系高效减水剂母液，减水率≥25%，固含量为40%，山西山大合盛新材料股份有限公司生产，缓凝组分、保坍组分、防水组分、引气组分等小料均由该公司提供。

8)水：饮用水。

9)无水硫酸钠：天津市鼎盛鑫化工有限公司生产。

2 高性能混凝土减水剂的配制

混凝土耐久性受多种因素影响，提高混凝土的密实度，高掺量使用掺合料，合理匹配胶凝材料、砂、碎石的级配，功能型减水剂的研究与合理配合比的设计是关键。本文从研制抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土功能型减水剂方面入手，配制复合聚羧酸系高性能减水剂和萘系高效减水剂各5组进行对比研究，根据试验结果选出最佳配比，详细配方见表1。

表1 功能型减水剂的配方

3 减水剂对水泥适应性的影响

为了研究减水剂对高性能混凝土的适应性，首先应从减水剂对水泥适应性入手，从水泥净浆流动度、泌水两个方面测试对水泥的影响，测试结果见表2和图1。

表2 不同配方功能型减水剂对水泥适应性的影响

由表2和图1可以看出，10组减水剂配方的水泥工作性均良好，只有1号和6号发生轻微泌水现象，其他8组均未出现泌水、离析现象。10组减水剂配方对所用水泥的适应性均能满足要求，相比5组萘系高效减水剂，5组聚羧酸系减水剂的水泥净浆流动度损失较小，适应性更好，随着母液掺量的增大，其对水泥的适应性也逐渐增强，但成本也随之提高。

4 减水剂对高性能混凝土抗腐蚀泛碱性能的影响

为了研究表1中10个功能型减水剂的适应性，采用C30高性能混凝土(配合比见表3)为载体测试混凝土的坍落度、含气量、KS3、泛碱破坏情况、抗压强度等参数，其中“泛碱”研究采用半浸泡法(5%硫酸钠溶液)[3]，研究测试方法如图2。

表3 C30高性能混凝土配合比

试验结果如表4、图3和图4所示。

表4 不同配方减水剂对混凝土性能的影响

由表4可以看出，10种配方半浸泡30次干湿循环后试件均未出现裂纹，说明10组抗腐蚀性能均良好。聚羧酸系减水剂的含气量较萘系高，这主要是与两种减水剂的合成机理及组分有关。结合图2可以看出，聚羧酸系高性能减水剂坍落度损失较小，工作性能较萘系高效减水剂好。综合考虑，复合聚羧酸系高性能减水剂的性能总体优于萘系高效减水剂。聚羧酸系减水剂1，2号配方与萘系5种配方均出现“泛碱”破坏情况很严重的现象，而聚羧酸系减水剂3，4，5号配方泛碱破坏情况较轻，说明聚羧酸系减水剂3，4，5号配方综合性能更好。此外，对比图3中聚羧酸系减水剂3，4，5号配方的7 d，28 d强度，3号配方7 d，28 d强度均较其余2组高，综合考虑，优选3号配方减水剂。

5 扩链剂组分对抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土适应性研究

为了研究减水剂中扩链剂组分对抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土的适应性，优化减水剂配方，通过对比3号配方(含扩链剂组分)和3-1号配方(不含扩链剂组分)高性能抗腐蚀性能、抗压强度和微观形态，掌握扩链剂组分对抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土的作用。

5.1 抗腐蚀性能

本文研究混凝土的抗腐蚀性能，从泛碱方面入手。泛碱的产生，主要是混凝土表面结晶和内部渗透的综合作用效果，采用半浸泡法测试高性能混凝土表面的泛碱量，析出泛碱量的多少可以反应高性能混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能，表5为3号配方减水剂(含扩链剂组分)和3-1号配方减水剂(不含扩链剂组分)所配制混凝土的15 d，30 d，60 d表面碱的析出量。

表5 高性能混凝土的“泛碱”析出量

从表5可以看出，相比不含扩链剂组分的混凝土，含扩链剂组分的混凝土析出的盐分较多，这可能是扩链剂组分的加入提高了混凝土的密实性，抵抗了硫酸钠溶液的入侵，导致干湿界面析出的盐分较多，一定程度上反应出扩链剂组分改善了混凝土的内部结构，使其更加密实，抵抗了硫酸盐的入侵，提高了混凝土抗硫酸盐腐蚀性能。

5.2 抗压强度

为了研究减水剂中扩链剂组分对高性能混凝土强度方面的作用，测试了含扩链剂组分和不含扩链剂组分高性能混凝土的抗压强度。抗压强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[14]进行，采用非标准试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，换算系数为0.95，抗压强度试验加荷速率为0.5 MPa/s,经换算后的抗压强度见表6。

表6 高性能混凝土力学性能

从表6可以看出，3号配方减水剂(含扩链剂组分)配制的混凝土较3-1号配方减水剂(不含扩链剂组分)配制的混凝土强度有所降低，可知扩链剂组分对混凝土强度方面贡献不大，甚至有降低混凝土强度的不利作用。这可能是扩链剂组分的存在改善了混凝土的内部孔隙结构，增加了混凝土的韧性，但使混凝土脆性有所降低，抗压强度有一定的损失。

5.3 微观分析

为了进一步分析减水剂中扩链剂组分对高性能混凝土的影响，从微观形态方面进行分析研究，图5为C30混凝土28 d含扩链剂组分C30-4-1与不含扩链剂组分C30-4-2的SEM微观形貌图。

由图5可以看出，C30-4-1中的水化产物相互交错搭接，形成明显的空间网状结构，微观结构更加致密，而C30-4-2的水化产物也形成互交错搭接的结构，但微观结构密实性弱于C30-4-1，即掺扩链剂组分混凝土微观结构密实性优于无扩链剂组分混凝土。可能是因为扩链剂与聚羧酸系高性能减水剂部分发生聚合反应，增加了短支链的数量，延伸了原有支链的长度，使各支链长短交替，或扩链剂小分子游离在各支链或支链与主链之间，改善了空间位阻斥力，使混凝土微观结构发生了改变，同时发生聚合反应形成聚合物胶体，提高了混凝土韧性及密实度，但导致了混凝土脆性降低，抗压强度有一定的损失。这也可以说明含扩链剂组分混凝土由于内部密实，抗硫酸盐腐蚀能力强而抗压强度有所降低的原因。

6 结论

(1)为了研制抗硫酸盐腐蚀高性能混凝土功能性减水剂，本文配制复合聚羧酸系高性能减水剂和萘系高效减水剂各5组进行对比研究，经测试可知，聚羧酸系高性能减水剂性能优于萘系高效减水剂，并通过对比，3号配方(含扩链剂组分)性能最优。

(2)为了研究扩链剂对高性能混凝土性能的影响，本文对比了含扩链剂减水剂和不含扩链剂减水剂配制的C30高性能混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能、抗压强度、微观形态三个方面，得出如下结论：1)含扩链剂组分的混凝土析出的盐分较多，这可能是扩链剂组分的加入提高了混凝土的密实性，抵抗了硫酸钠溶液的入侵，导致干湿界面析出的盐分较多，一定程度上反应出扩链剂组分改善了混凝土的内部结构，使其更加密实。2)含扩链剂组分混凝土较不含扩链剂组分混凝土强度有所降低，可知扩链剂组分对混凝土强度方面贡献不大，甚至有降低混凝土强度的不利作用。这可能是扩链剂组分的存在改善了混凝土的内部孔隙结构，使混凝土韧性增强，但脆性降低。3)微观结构方面，含扩链剂组分混凝土更加致密，扩链剂组分提高了混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能。