范向前，朱海堂，胡少偉，張啟明

(1.河海大學 力學與材料學院，江蘇南京210024;2.鄭州大學水利與環(huán)境學院，河南 鄭州450001;3.南京水利科學研究院，江蘇南京210029)

堿性環(huán)境對混凝土具有一定的保護作用，但是，對于氧化鋁廠混凝土建筑物、堿回收站車間地面等一些特殊環(huán)境，混凝土長期與強堿性溶液或者強堿性蒸汽接觸，其破壞程度依然相當嚴重［1－2］.迄今為止，提高強堿環(huán)境下混凝土耐久性的試驗研究成果極為少見［2－4］.隨著高效混凝土外加劑技術的快速發(fā)展，耐堿劑應運而生，為混凝土的抗堿腐蝕提供了有利條件，但耐堿劑對混凝土抗堿腐蝕能力的改善研究還遠滯后于工程應用.筆者在進行耐堿劑對混凝土力學性能影響研究［5］的基礎上，研究強堿環(huán)境下耐堿劑對普通混凝土和鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度的影響，分析耐堿劑對強堿腐蝕的抵抗機理，為耐堿混凝土在強堿環(huán)境中的應用提供依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥:強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥;粗骨料:粒徑為5～10 mm的碎石，級配合格;細骨料:細度模數(shù)為2.52的河砂，級配合格;鋼纖維:采用冷軋帶鋼剪切型鋼纖維，纖維長度為14 mm，長徑比為49.6;添加劑:微硅高效水泥砂漿和混凝土耐堿劑，其主要成分由多種有機和無機材料復合而成，主要為CaO/SiO2/Al2O3復合礦粉，少量的活性二氧化硅粉和含沸石粉等.

1.2 堿性腐蝕溶液的配制

根據(jù)溶液pH值的計算公式，取1 kg NaOH并將其溶解于25 kg生活飲用水中，即可配制出試驗所需要的pH=14的強堿溶液.

1.3 試件設計與制作

共設計4組試件，每組3個，混凝土強度為35 MPa.混凝土配合比見表1.表1中試件編號的含義為:C35表示普通混凝土，F(xiàn)C35I表示纖維體積分數(shù)為1.0%的鋼纖維混凝土，C35A表示普通混凝土中添加耐堿劑，F(xiàn)C35AI表示鋼纖維混凝土中添加耐堿劑.其中耐堿劑摻量為水泥用量的7%.

為便于進行快速腐蝕試驗，參考文獻［6］的方法，采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，并按照表1所示的設計配合比進行人工澆筑成型，置于室溫環(huán)境下的清水中養(yǎng)護28 d.其后，將試件分別浸泡于清水中(作為對比組)和強堿溶液中(pH=14).到達設定的試驗齡期時取出試件進行 抗折強度和折后抗壓強度測試.

2 試驗結果與分析

2.1 主要試驗結果

以1個月為1個腐蝕齡期，共設計6個齡期，總腐蝕期為6個月.每個齡期結束次日，測試強堿溶液和對比組溶液中試件的混凝土抗折強度和折后抗壓強度.抗折強度按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13∶2009)［7］進行測試與計算，對于每組試件，結果取不偏離均值15%的3個試件的平均值;折斷后，按照《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》(DL/T 5126—2001)［8］中的試驗方法測試折斷后試件的抗壓強度，每個試件測試2個抗壓強度值，并參考該規(guī)范，去掉6個數(shù)據(jù)中偏離平均值最遠的2個數(shù)值，將剩余4個數(shù)據(jù)求平均值，作為該組試件最終試驗結果，具體結果見表2.

考慮到試驗齡期內，試件混凝土的抗壓強度值和抗折強度值均會隨著時間的延長逐漸增加［9］.為了消除試驗過程中這一增量對試驗分析結果的影響，在強堿溶液下進行腐蝕試驗的同時，以清水環(huán)境作為對比組進行同齡期試驗，并將各試驗齡期下強堿溶液腐蝕環(huán)境混凝土抗壓強度和抗折強度測定值除以同齡期下對比組試件混凝土的抗壓強度和抗折強度值，即以抗壓強度腐蝕系數(shù)和抗折強度腐蝕系數(shù)的形式表述強堿溶液對混凝土的腐蝕劣化作用，具體計算結果列于表2.

表2 主要試驗結果

2.2 強度分析

2.2.1 抗壓強度

圖1給出了強堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗齡期抗壓強度的變化情況.由圖1可知，對于普通混凝土C35和C35A，前4個腐蝕齡期內，添加耐堿劑混凝土的抗壓強度值并沒有明顯提高，相反，C35A的抗壓強度值還有低于C35的情況，而第4個齡期之后，摻入耐堿劑試件C35A的混凝土抗壓強度則大于普通混凝土試件C35的抗壓強度;強堿腐蝕環(huán)境下，C35A抗壓強度值隨著腐蝕齡期的增加而降低的速率小于普通混凝土試件C35，耐堿劑的加入可以減緩強堿溶液對混凝土的腐蝕程度;對于FC35I和FC35AI而言，在各腐蝕齡期內，摻加耐堿劑鋼纖維混凝土試件FC35AI的抗壓強度均大于普通鋼纖維混凝土試件FC35I，表明在強堿溶液環(huán)境下，鋼纖維可在一定程度上提高混凝土的抗壓強度.

圖1 試件的抗壓強度

比較試件 C35A和 FC35I的試驗結果可知，C35A和FC35I在各腐蝕齡期的抗壓強度值基本相同，在腐蝕齡期的最后階段，C35A抗壓強度值大于FC35I.可以推測，強堿腐蝕環(huán)境下，添加水泥用量7%的抗堿劑的普通混凝土優(yōu)于鋼纖維體積分數(shù)為1%的鋼纖維混凝土.

綜合以上分析可以得出，在強堿溶液腐蝕環(huán)境下，試驗所設計的4種配合比的混凝土，其抗壓強度均隨試驗齡期呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢.在其他條件基本一致的情況下，耐堿劑的添加可以提高普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度，且添加耐堿劑的普通混凝土抗壓強度優(yōu)于鋼纖維混凝土，同時摻加耐堿劑和鋼纖維的混凝土抵抗強堿溶液腐蝕的能力最強.另外，耐堿劑的添加可以減緩強堿溶液腐蝕環(huán)境下混凝土抗壓強度的降低速率.

2.2.2 抗折強度

圖2給出了強堿溶液侵蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗齡期抗折強度的變化情況.由圖2可知，隨著腐蝕齡期的增加，4種設計配合比的混凝土抗折強度均呈現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，且僅有同時摻加鋼纖維和耐堿劑的FC35AI試件的抗折強度呈直線增長趨勢，其他3種配合比混凝土的抗折強度均呈曲折增長.

圖2 試件的抗折強度

對比耐堿劑添加前后的普通混凝土C35和C35A，在前2個腐蝕齡期內，耐堿劑的添加可以優(yōu)化混凝土的抗折強度值;第3～6個腐蝕齡期內，C35A的抗折強度值小于C35的抗折強度值.就整個腐蝕齡期來看，耐堿劑的加入可以減小混凝土抗折強度值的波動，有利于保證混凝土抗折強度值的穩(wěn)定.

對比添加耐堿劑的普通混凝土C35A和摻入鋼纖維體積分數(shù)為1.0%的鋼纖維混凝土FC35I，可以看出，C35A與FC35I的抗折強度均隨試驗齡期的增加呈現(xiàn)出微弱增加的趨勢.經歷2～5個齡期的強堿溶液腐蝕后，C35A的抗折強度低于FC35I，但其差值逐漸趨于減小，至第6個腐蝕齡期時，C35A與FC35I的抗折強度基本一致.

對比FC35I和FC35AI，可以明顯看出，在鋼纖維混凝土中加入耐堿劑之后，對處于強堿溶液腐蝕條件下的鋼纖維混凝土抗折性能有顯著改善，在整個試驗周期，其抗折強度幾乎仍呈線性增長.

通過對4種配合比的混凝土試件經歷強堿溶液環(huán)境腐蝕后的抗壓強度和抗折強度分析可知，在試驗齡期范圍內，抗堿劑的加入對普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度均有所提高，含有耐堿劑的普通混凝土抗壓、抗折強度值稍高于鋼纖維混凝土，而含有抗堿劑的鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度值在整個試驗齡期內均基本處于較大值，從而使得含耐堿劑的鋼纖維混凝土具有較強的抵抗強堿腐蝕的能力.

2.3 強度腐蝕系數(shù)分析

抗壓強度和抗折強度絕對值的變化雖能直觀地反映出試件遭受強堿溶液腐蝕的變化情況，但在長達6個月的試驗齡期內，試件充分水化強度逐漸增加這一因素不能消除，可能會給試驗的分析結果造成一定的誤差.在此，通過試件抗壓強度腐蝕系數(shù)和抗折強度腐蝕系數(shù)進行試驗結果分析，以消除試件強度隨齡期增加這一不利因素的影響.

2.3.1 抗壓強度腐蝕系數(shù)

圖3給出了強堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗齡期抗壓強度腐蝕系數(shù)的變化情況.由圖3可知，C35和C35A，F(xiàn)C35I和FC35AI初始抗壓強度腐蝕系數(shù)基本一致，添加耐堿劑的試件C35A和FC35AI的抗壓強度腐蝕系數(shù)低于不添加耐堿劑的試件C35和FC35I的抗壓強度腐蝕系數(shù);最終，C35和FC35I的抗壓強度腐蝕系數(shù)由增大到逐漸變小，而C35A和FC35AI的抗壓強度腐蝕系數(shù)則先變小后變大.

圖3 試件的抗壓強度腐蝕系數(shù)

由對4種配合比混凝土的抗壓強度試驗結果的分析和圖3可知，在整個試驗齡期內，C35和FC35I的抗壓強度腐蝕系數(shù)變化均較小，第3個試驗齡期之前，C35和FC35I的抗壓強度腐蝕系數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢，說明強堿溶液對普通混凝土C35和鋼纖維混凝土FC35I不僅沒有腐蝕作用，相反對其還有較好的保護作用，從而使強堿溶液環(huán)境下的混凝土抗壓強度值大于清水環(huán)境;在第3個試驗齡期之后，C35和FC35I的抗壓強度腐蝕系數(shù)開始逐漸減小，甚至多次出現(xiàn)小于1的情況，表明在試驗后期強堿溶液對混凝土的保護作用開始減弱，最終對其產生了腐蝕作用.

對比耐堿劑添加前后的鋼纖維混凝土FC35I和FC35AI兩種構件，在整個試驗齡期內，混凝土抗壓強度腐蝕系數(shù)變化趨勢基本一致，且FC35AI的抗壓強度腐蝕系數(shù)略大于FC35I.在試驗初期，F(xiàn)C35I和FC35AI的抗壓強度腐蝕系數(shù)逐漸增大，隨后逐漸減小，甚至低于同條件下不添加耐堿劑的試件，最終幾個齡期內又逐漸增大而超過不添加耐堿劑的情況.該變化趨勢表明，在強堿溶液環(huán)境作用下，耐堿劑耐堿效應的發(fā)揮有一個過程.在試驗初期，耐堿劑尚未能發(fā)揮其效應，而堿溶液對混凝土的抗壓強度有一定的增強效應;但隨著試驗齡期的逐漸延長，強堿溶液對混凝土的增強作用逐步減小，甚至開始對其產生腐蝕劣化的時候，耐堿劑也逐漸發(fā)揮其作用，從而使得混凝土摻加耐堿劑之后，抗壓強度腐蝕系數(shù)逐步增加.

2.3.2 抗折強度腐蝕系數(shù)

圖4給出了強堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗齡期抗折強度腐蝕系數(shù)的變化情況.由圖4可以看出，C35和C35A在整個試驗齡期內的抗折強度腐蝕系數(shù)基本一致，且多數(shù)都大于1，但變化趨勢稍有區(qū)別:試驗前期，兩者均增加，之后不添加耐堿劑的普通混凝土試件C35一直增加，直到第4個試驗齡期開始降低，而添加耐堿劑的普通混凝土試件C35A則先降低后增加，并最終超過了C35.這一規(guī)律同C35和C35A的抗壓強度腐蝕系數(shù)變化規(guī)律基本一致.

圖4 試件的抗折強度腐蝕系數(shù)

對比各試件抗折強度腐蝕系數(shù)結果還可以看出，添加耐堿劑的普通混凝土試件C35A和不添加耐堿劑的鋼纖維混凝土試件FC35I，其抗折強度腐蝕系數(shù)較為接近.FC35I在最初的幾個試驗齡期內，其抗折強度腐蝕系數(shù)與C35A和FC35AI的抗折強度腐蝕系數(shù)相當，隨后FC35I的抗折強度腐蝕系數(shù)開始變大，最終又小于C35A和FC35AI的抗折強度腐蝕系數(shù)，且C35A，F(xiàn)C35I和FC35AI的抗折強度腐蝕系數(shù)多大于1.這一現(xiàn)象和抗壓強度腐蝕系數(shù)的變化規(guī)律基本一致.從而進一步表明，強堿溶液對混凝土試件有一定的增強作用，但其增強效果隨著試驗齡期的延長逐漸變弱，最終開始對其產生腐蝕;耐堿劑的摻加對強堿溶液環(huán)境中的混凝土強度具有一定影響，甚至減弱其抗壓和抗折強度，但當堿溶液對混凝土的增強作用變小甚至出現(xiàn)負效應時，耐堿劑開始發(fā)揮其功效，從而有效提高混凝土抵抗強堿溶液腐蝕的能力.

3 耐堿劑的工作機理

強堿溶液對混凝土的腐蝕主要包括物理作用和化學作用兩個方面［10］:物理腐蝕是指堿性介質通過混凝土表面孔隙，滲到混凝土表層，并與空氣中的CO2，H2O 反應生成 Na2CO3·10H2O，反應后體積相比反應前增加2.5倍，造成內部膨脹，產生很大內應力，從而破壞混凝土結構;化學腐蝕則是指水泥水化物 CaO·SiO2·nH2O，CaO·mAl2O3·xH2O 與強堿溶液中的NaOH反應，生成極易為堿性介質所溶解的化合物Na2SiO3，NaAlO2，這些反應破壞了水泥石結構，并導致混凝土解體.事實上，強堿溶液對混凝土的腐蝕，并不是單一的物理腐蝕或者化學腐蝕，而是這兩種腐蝕同時進行.

耐堿劑摻入水泥砂漿或混凝土中，可以使其達到大流態(tài)、高密實、高抗?jié)B、高耐久性，其耐堿溶液腐蝕性更強，是一種綜合的高性能外加劑.耐堿劑的加入可抑制水泥砂漿和混凝土構件的堿－集料反應，確保其耐久性.通過添加超微細粉和防收縮物質，使硬化后的混凝土結構更加密實、穩(wěn)定，增強了耐堿混凝土抗物理腐蝕的能力;通過添加耐堿物質，使混凝土內水化產物的化學環(huán)境更加合理，提高了耐堿混凝土的抗化學腐蝕能力.

4 結語

1)在試驗周期初期，強堿溶液對普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強度和抗折強度表現(xiàn)為一定的增強作用，其增強幅度隨著試驗周期的延長逐漸減弱，直至后來對混凝土產生腐蝕劣化.

2)在強堿溶液浸泡條件下，當浸泡周期較長，強堿溶液對混凝土的增強作用減弱甚至產生腐蝕時，耐堿劑可發(fā)揮其抗堿作用，從而提高混凝土的抗堿腐蝕能力.

3)在強堿溶液浸泡環(huán)境下，普通混凝土添加耐堿劑以后，其抗壓、抗折強度值大于鋼纖維體積分數(shù)為1.0%的鋼纖維混凝土;摻加耐堿劑的鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度值均最大，抵抗強堿腐蝕的能力較強;用抗壓強度腐蝕系數(shù)和抗折強度腐蝕系數(shù)可以準確地分析強堿溶液對混凝土抗壓和抗折強度的影響.

4)強堿溶液對混凝土的腐蝕是包括物理腐蝕和化學腐蝕在內的多種腐蝕因素的綜合反映，耐堿劑的添加有利于混凝土工作性能的改善，從而有助于抵抗強堿溶液對混凝土的腐蝕.

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