耐碱混凝土在工业工程应用中的研究

何 潘

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在有色冶金行业，尤其是氧化铝行业，在生产过程中有使用碱液(强碱)过程或者在生产不正常情况下或设备故障导致碱液从管道里或者容器里不可避免的跑、冒、滴、漏，使得建构筑物很容易受碱腐蚀。耐碱混凝土是一种特种混凝土，混凝土结构工程的基础、楼地面、管道支墩、池槽等都可能因为受碱介质的腐蚀，导致其全面破坏。严重的碱腐蚀，对生产过程造成了重大影响，带来了极大的经济损失，还对环境造成极大的污染，所以混凝土的耐碱性问题颇受工业建筑行业的关注。

1 耐碱混凝土外加剂

早在50年代，因为对无机材料研究不够，可供选择的材料比较少，耐碱砼中比较多的选择了膨胀剂，结果造成了许多麻烦。由于氧化铝厂出现的碱腐蚀破坏问题越来越多，我们需要一种新的耐碱外加剂使混凝土在40 ℃以下时，抗压强度≥20 MPa，抗渗标号≥1.2 MPa，可耐腐蚀介质碱液浓度为30 %的氢氧化钠、氨水、铝酸等；当在40～80 ℃时能耐腐蚀介质碱液浓度为15 %～30 %浓度的强碱、氨水、碳酸钠、及碱性气体和粉尘等。它主要应用于受碱介质腐蚀的基础、地面、池槽等混凝土结构工程。就针对提高耐碱混凝土抗化学、物理腐蚀能力及耐久性，耐碱外加剂是其它混凝土添加剂无法替代的。

2 耐碱混凝土外加剂的原理

混凝土在腐蚀性介质的长时间作用下，根据其对混凝土劣化的程度，可以造成外观变化、重量变化、强度损失以及腐蚀速度等因素。笔者从实际出发，采用研究规范和多种模拟相结合的研究方法，对建筑材料混凝土材料性能的规律性及特殊性分析研究，论证了混凝土在碱性环境中的破坏机理，破坏性不仅是化学腐蚀，更深层次的物理腐蚀破坏为腐蚀破坏的主导，更加充分地为工业建筑耐碱防腐工程提供了科学依据。

文章突出了之前研究混凝土耐腐蚀局限于材料研究的思路，提出了碱在混凝土中的结晶应力是造成混凝土碱腐蚀的主要原因。主要对耐碱混凝土的组成材料、配合比优化设计进行研究。

3 掺加耐碱混凝土外加剂配合比设计建议

与普通混凝土配合比不同，耐碱混凝土配合比要求密实度高，强度符合设计要求，耐磨性能好等。按照现有强度理论，影响混凝土耐蚀性能的主要因素是混凝土密实度，从原则上来讲如果改善提升了混凝土的密实度就会同时提升混凝土的耐酸碱能力。针对耐碱混凝土主要参考体积堆积的理论进行专门的配合比的设计与优化。

3.1 材料的选取

水泥：强度等级为42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

细骨料：细骨料选取为I类2区中粗砂，颗粒级配为过5 mm筛孔的累计筛余量0 %～10 %、过1.25 mm筛孔的累计筛余量10 %～50 %、过0.315 mm筛孔的累计筛余量70 %～92 %、过0.16 mm筛孔的累计筛余量90 %～100 %的砂子为宜。

粗骨料：粗骨料选取颗粒级配为过25 mm筛，孔的累计筛余量0 %～5 %、过16 mm筛孔的累计筛余量30 %～70 %、过5 mm筛孔的累计筛余量90 %～100 %的碎石或卵石为宜。

减水剂：萘系高效减水剂或聚羧酸系高性能减水剂。

掺合料：宜使用比表面积大于350 m2/g的超细矿粉材料。

外加剂：主要为DY-1、DY-2或者DY-4耐碱混凝土外加剂。

3.2 试配试验注意事项

(1)按照最紧密堆积法设计出的配合比进行准确称量；

(2)将水泥、掺合料、耐碱混凝土外加剂、细骨料和粗骨料进行混合均匀后，得到干拌料；

(3)将水和减水剂加入所述步骤(2)所得的干拌料中，混合均匀后即可成型。

(4)成型后特别注意对混凝土进行养护，避免产生裂缝。

4 工程实例

云南文山铝业有限公司800 kt/a氧化铝及其配套矿山项目、云南文山铝业有限公司600 kt/a氧化铝技术升级提产增效项目，根据生产过程中产生介质的腐蚀性，环境条件、生产操作及管理水平和施工维修条件等，因车间制宜，区别对待。涉及到有腐蚀性介质碱液、碱性气体和粉尘等侵蚀的墙地面、高压溶出系统、分解分级槽系统、钢结构系统、设备基础、设备基础孔洞二次灌浆找平细石混凝土以及排水沟等等。未做耐碱处理，后期将影响建构物的结构安全及对厂区周边环境造成一定的碱污染。

下面就工业建设项目耐碱混凝土进行研究。

4.1 配合比实验及选材

4.1.1 原材料要求

(1)水泥

水泥为无机水硬性胶凝材料，是很重要的建筑材料，在建筑工程中有着很广泛的应用。而水泥品种非常多，耐碱混凝土要使用硅酸盐含量比较多、铝酸盐含量比较少的普通硅酸盐水泥，这里重点要注意的是铝酸三钙(C3A)，水泥原材料中其含量不应该超过9 %，该工程选用的是华新水泥(红河)有限公司生产的品种强度为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，应符合GB175-2007标准要求。具体的标准见表1。

表1 红河P.O 42.5水泥的检测结果

(2)细骨料

细骨料应因地制宜选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小的洁净天然中粗山砂、机制砂。该工程选用的是文山当地砂石场生产的机制砂，符合JGJ52-2006标准要求。具体的标准见表2。

表2 机制砂试验检测结果

(3)粗骨料

该工程选用的是文山当地砂石场生产的碎石，粗骨料应选用公称粒径、级配较合理，质地均匀坚固，膨胀系数、含泥量较小的干净的碎石、鹅卵石。

粗骨料的最大公称粒径应≤钢筋的混凝土保护层厚度的2/3，同时≤钢筋最小间距的3/4。

粗骨料松散堆积密度为1 600 kg/m3，空隙率为41 %，吸水率为1 %(用于干湿交替或冻融环境下的混凝土应<1 %)。

当粗骨料为碎石时，碎石的强度用岩石抗压强度表示，且岩石抗压强度与混凝土强度等级之比应≥1.5。施工过程中碎石的强度可用压碎指标值进行控制，若粗骨料为鹅卵石，鹅卵石的强度用压碎指标值表示。

粗骨料应符合JGJ52-2006标准要求。具体标准见表3。

表3 碎石试验检测结果

(4)减水剂

减水剂使用的昆明市鸿格新型建材有限公司，昆明市鸿格新型建材有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水率在14 %以上，符合GB 8076-2008、GB/T8077-2012标准要求。具体的标准见表4。

表4 羧酸系高效减水剂试验检测结果

(5)掺和料

粉煤灰使用阳宗海发电有限公司生产的粉煤灰掺和料，符合GB/T1596-2017的标准要求。具体标准见表5。

表5 粉煤灰试验检测结果

(6)外加剂

耐碱混凝土外加剂是碱腐蚀的混凝土复合外加剂。由于它有改善混凝土的亚微观结构，改善骨料与水泥石的界面性能，可以提高混凝土的密实度，从而提高了抗渗性能，增加混凝土抗化学腐蚀和抗物理腐蚀的能力，是理想的耐碱混凝土外加剂。该工程主要使用DY-1、DY-2、DY-4型外加剂：①DY-1用于腐蚀介质碱液浓度为30 %，温度为40 ℃以下，受干湿交替作用的楼地面的混凝土；②DY-2用于腐蚀介质碱液气温度为40 ℃以下，受干湿交替作用的地上承重结构的混凝土；③DY-4用于地下工程(各类基础、设备基础等)的抗硫酸盐或氯盐的腐蚀环境的混凝土。

主要技术性能及指标见表6、表7、表8。

表6 DY-1主要技术性能及指标

表7 DY-2主要技术性能及指标

匀质性指标物理力学性能指标项目指标项目指标含水量/%3±1pH值8～11硫酸钠含量/%≤1抗压强度比/%3 d907 d9028 d100氯离子含量/%<0.1耐碱蚀系数/%≥0.8碱含量/%≤5抗渗等级/MPa2.6——————收缩率比/(28d/%)≤110——————抗氯离子渗透性(电通量)C<1 500

表8 DY-4主要技术性能及指标

注意事项：

①施工与验收按行业技术规范及《混凝土结构工程施工质量验收规范》(BG50204)的有关规定。

②每立方米混凝土掺DY-1添加剂，占总胶凝材料的8 %(外掺)。

③DY-1改性耐碱混凝土搅拌时间延长30～60 s，水胶比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32～34 %。

4.2 性能试验及试验结果

耐碱混凝土是一种使用范围较小、专业性要求强的特种混凝土，目前国家还没有现行规范及标准，所以不同氧化铝项目的耐碱混凝土没有统一的标准来配制，工程质量参差不齐，甚至一些工程中被误认为可以用抗渗混凝土来代替，因此出现了较多的质量问题。

4.2.1 耐碱混凝土性能试验

该试验为模拟现实条件的环境介质及温度状态变化对混凝土的破坏，因暂无国家及行业相关标准，故做如下介绍：

(1)用于腐蚀介质碱液浓度为30 %，温度为40 ℃以下，受干湿交替作用的楼、地面工程的混凝土。

每立方混凝土掺DY-1添加剂，占总胶凝材料的8 %(外掺)。DY-1改性耐碱混凝土搅拌时间延长30～60 s，水胶比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。30 %NaOH碱液浸泡120天。

(2)用于腐蚀介质碱液温度为40 ℃以下，受干湿交替作用的地上承重结构的混凝土。

每立方混凝土掺DY-2添加剂，占总胶凝材料的8 %(外掺)。DY-2添加剂混凝土搅拌时间延长30～60 s，水胶比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

(3)用于地下工程(各类基础、设备基础等)的抗硫酸盐或氯盐的腐蚀环境的混凝土。

每立方混凝土掺DY-4添加剂，占总胶凝材料的8 %(内掺)。DY-4添加剂混凝土搅拌时间延长30～60 s，水胶比宜≤0.38，坍落度50～70 mm，砂率32 %～34 %。

主要对外加剂匀质性指标、耐碱混凝土性能指标进行试验。

4.2.2 试验结果，见表9、表10。

表9 外加剂匀质性指标

表10 耐碱混凝土主要性能指标

耐碱混凝土的腐蚀试验是一个较长时间的过程，用其作为具体指标来控制现场质量是比较难的，用抗渗指标来衡量，容易让人误解为抗渗效果好就是耐碱效果好，所以应该用抗渗指标和耐碱指标共同来衡量耐碱的质量。工程上只要正确使用耐碱外加剂，同时达到抗渗要求，混凝土就可以达到耐碱效果，具备了耐碱及抗渗的共同效果。耐碱外加剂中除考虑了抗渗效果外，还添加了防碱腐蚀的组分，它兼备了抗渗、耐碱腐蚀、提高强度等诸多优点。

4.3 耐碱混凝土施工应符合下列规定

(1)耐碱混凝土宜用机械搅拌，时间不少于2 min；

(2)耐碱混凝土宜采用泵送方式和2次振捣工艺；

(3)耐碱混凝土施工时按施工规范要求用振捣棒慢慢的从下到上进行反复操作，振捣时应避免过振或者漏振，这样就可以减少混凝土施工过程中里面产生的气泡，让混凝土变得更加的密实，以更高的密实度来避免侵蚀性介质侵蚀。

(4)要求一次浇筑不留施工缝，楼地面应在浆体初凝至终凝之间进行2次找坡抹平压实，禁止铺撒干水泥。

(5)耐碱混凝土地面的伸缩缝所用嵌缝材料应选用耐碱能力强、温度敏感性低的耐碱嵌缝胶泥，不推荐使用常用的沥青、聚氯乙烯等材料。

(6)耐碱混凝土现场施工作业完成后，按照要求进行围挡，禁止无关人员进入，避免人为损坏。

(7)保湿和养护持续时间不宜少于14 d，应经常检查塑料薄膜或养护剂涂层的覆盖及养护情况，并要确保混凝土表面处于湿润状态。

5 结 语

耐碱混凝土作为一种特种混凝土，其所用的主要胶结材料为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混凝土本身也是碱性的，具有一定抗碱能力，在碱性介质作用下，可能2、3年内不会出现腐蚀，但时间一长，其腐蚀破坏的严重性就会显现出来，即使是一个微小的孔隙，也可能导致混凝土结构的全面破坏。

另外，作为一个整体防护体系，耐碱混凝土地面的伸缩缝所用嵌缝材料也是防护体系的重要组成部分，若选用普通的材料，即便混凝土耐碱质量再好，也会因为嵌缝材料被碱性介质破坏导致全面破坏。如常用的沥青材料，聚氯乙烯材料由于温度敏感性、老化及遇碱变脆等特性，一段时间后，伸缩缝就会遭到碱介质破坏，使得混凝土地面全面破坏，从而使得整个防护体系全面破坏。只有耐碱混凝土外加剂加上耐碱嵌缝胶泥共同使用，才能构筑起有效的防护体系，取得良好的效果。也使厂区地下水含碱量达到国家环保验收标准，达到国内甚至是国际先进水平，同时取得显著的经济效益和社会效益。