張惠忠

(中國電建克州新隆能源開發(fā)有限公司，新疆烏恰 845450)

混凝土已經(jīng)成為了各種建筑物的主要材料之一.尤其是在水電站的水工建筑物所使用的混凝土的結(jié)構(gòu)性能直接影響著建筑物的使用和安全.影響水工建筑物混凝土使用壽命的因素眾多，其中混凝土耐久性是一個重要的因素，因此在現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范當(dāng)中已經(jīng)把混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和適應(yīng)性并列為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要考慮的指標(biāo).很多水電站工程中局部的水工建筑物在未達(dá)到使用期限就失去了極限承載力而發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致維修費用過高或直接廢棄，造成資源的浪費[1-2].影響水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性主要有氯離子腐蝕、碳化、凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)以及硫酸鹽侵蝕等的多種因素.其中硫酸鹽侵蝕是一種作用于水工建筑物混凝土非常復(fù)雜的環(huán)境侵蝕因素，是影響混凝土耐久性的主要因素之一.它的發(fā)生機理是由于長期浸潤在地下水的水工建筑物混凝土內(nèi)外環(huán)境中硫酸根離子存在著濃度差，使得硫酸根離子能擴散到混凝土內(nèi)部，且和混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性產(chǎn)物，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開裂，剝落等不良現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強度降低而失效[3-7].

夏特水電站工程位于新疆克州烏恰縣吾合沙魯鄉(xiāng)的克孜勒蘇河中游河段，為克孜勒蘇河規(guī)劃2庫6級開發(fā)方案中的第三個梯級電站，其主要開發(fā)目標(biāo)和任務(wù)是發(fā)電.電站總裝機容量248 MW，屬Ⅲ等中型工程.樞紐主要由長約1.3 km引水渠、2.3 km壓力鋼管埋管段、17 km發(fā)電引水隧洞、豎井、調(diào)壓井、電站廠房等建筑物組成，混凝土總量約47萬m3.電站工程區(qū)域河水對普通水泥具硫酸鹽弱腐蝕性，地下水中的第四系孔隙水及第三系石膏地層中的基巖裂隙水對普通水泥具硫酸鹽強腐蝕性，元古界云母片巖、石英片巖、千枚巖地層及第三系砂巖、泥巖或砂礫巖地層的基巖裂隙水對普通水泥混凝土具硫酸鹽強腐蝕性；第四系覆蓋層土層對普通水泥混凝土存在硫酸鹽型中等腐蝕性.

1 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗內(nèi)容

根據(jù)夏特水電站的設(shè)計方案和夏特電站所在地區(qū)的水文地質(zhì)條件，工程抗硫酸鹽侵蝕混凝土工程量較大，由于抗硫酸鹽硅酸鹽水泥價格較高，為降低工程造價，在保證混凝土耐久性的前提下，進(jìn)行采用普通硅酸鹽水泥替代抗硫酸鹽硅酸鹽水泥配制抗硫酸鹽侵蝕混凝土的試驗研究.通過減少或控制非抗硫酸鹽水泥中的C3S、C3A的含量、在水泥中摻加混合材料替代、減少水泥熟料用量以及控制混凝土水膠比、提高混凝土密實性或抗?jié)B性等技術(shù)措施防治硫酸鹽侵蝕或提高混凝土抗侵蝕性，研究采用P·O42.5水泥配制抗硫酸鹽侵蝕混凝土的技術(shù)可行性，推薦滿足抗硫酸鹽侵蝕混凝土設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的配合比.

針對工程存在的環(huán)境水硫酸鹽侵蝕、骨料堿活性反應(yīng)問題及高寒地區(qū)混凝土抗凍性要求較高的特點，本次夏特水電站抗硫酸鹽侵蝕混凝土試驗研究主要內(nèi)容為:

1)采用抗硫酸鹽水泥配制抗硫酸鹽侵蝕混凝土試驗研究；

2)采用普通硅酸鹽水泥配制抗硫酸鹽侵蝕混凝土試驗研究；

3)比較抗硫酸鹽水泥混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽性能，以及在滿足設(shè)計要求的情況下的經(jīng)濟(jì)性能.

2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法

由于硫酸鹽侵蝕的本質(zhì)是在混凝土內(nèi)部形成硫酸鈣(石膏)和硫鋁酸鈣(鈣礬石)，體積膨脹、使混凝土開裂，硫酸鹽侵蝕過程較緩慢，通常情況下，破壞作用從邊緣和角落開始，隨后發(fā)生開裂和剝落.目前國內(nèi)外研究混凝土抗硫酸鹽侵蝕加速試驗方法主要有內(nèi)置石膏法、干濕循環(huán)法和全浸泡法[8-9].

(1)內(nèi)置石膏法

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(American Society for Testing and Materials，ASTM)提出的 ASTM C452和ASTM C1012兩種加速方法來評估水泥的抗硫酸鹽侵蝕性能[10-11].ASTM C452是水泥在硫酸鹽環(huán)境中潛在膨脹性能的試驗方法，制備試件時往水泥中添加石膏，采用25 mm×25 mm×280 mm的砂漿試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)23 h拆模測量試件初始長度，然后浸泡在水中，14天后測量試件長度以獲得膨脹值.這種方法稱為內(nèi)置石膏法，與實際工程遭受內(nèi)部硫酸鹽侵蝕的機理相似程度較高.內(nèi)部硫酸鹽侵蝕破壞除了延遲鈣礬石以外，主要是由于采用了含有石膏的集料，導(dǎo)致硫酸鹽侵蝕引起的破壞.

(2)干濕循環(huán)法

對于由干濕條件不同引起的鹽結(jié)晶破壞，國內(nèi)通常采用干濕循環(huán)和半浸泡的方法作為鹽結(jié)晶侵蝕破壞的加速試驗方法.一般干濕循環(huán)法是將試件放在適宜的侵蝕溶液中浸泡一段時間，然后放入一定溫度的烘箱中烘干一段時間，取出冷至室溫測量相關(guān)性能，為一個循環(huán)，如此反復(fù)循環(huán).另一種是采用半浸泡的方法，使試件同時處于兩個不同的干濕環(huán)境，如混凝土結(jié)構(gòu)中水平面上下幾公分處的部位即是干濕環(huán)境的分界處[12-14].

(3)全浸泡法

ASTM C1012是將試件浸泡在Na2SO4溶液中的抗硫酸鹽性能的試驗方法，采用與ASTM C452相同尺寸的試件，在強度達(dá)到20 MPa后，認(rèn)為此后水泥的組成對測試結(jié)果可以忽略時再將試件放入Na2SO4溶液，并在6個月內(nèi)對每個齡期下的膨脹值進(jìn)行測定，這種方法為全浸泡法.全浸泡法能夠真實反應(yīng)外部硫酸鹽侵蝕引起混凝土破壞的過程，能夠代表真實條件下的硫酸鹽侵蝕破壞的機理[15].

3 主要原材料的檢測

夏特水電站位于新疆克州烏恰縣，地域偏遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離內(nèi)地經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，考慮到運輸成本和工程造價，主要建材盡量考慮當(dāng)?shù)禺a(chǎn)品.

(1)水泥

對當(dāng)?shù)靥焐剿嘤邢挢?zé)任公司烏恰天山生產(chǎn)的P·O42.5(以下簡稱烏恰P·O42.5)和P·MSR42.5水泥(以下簡稱天山P·MSR42.5)、天山水泥有限責(zé)任公司克州天山生產(chǎn)的P·O42.5(以下簡稱克州P·O42.5)，克州青松建化水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥(以下簡稱青松P·O42.5)4種水泥分別進(jìn)行了相應(yīng)的化學(xué)成分、礦物成分、水泥品質(zhì)和性能檢驗，水泥化學(xué)成分分析檢測結(jié)果見表1，水泥礦物成分分析檢測結(jié)果見表2.水泥品質(zhì)檢驗執(zhí)行《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)、《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》(GB748-2005)、《水泥化學(xué)分析》(GB/T176-2008)，經(jīng)檢測，4種水泥所檢參數(shù)均符合規(guī)范要求.

表1 水泥化學(xué)成分分析檢測結(jié)果Table 1 Test results of cement chemical composition analysis

表2 水泥礦物成分分析檢測結(jié)果Table 2 Analysis and test results of cement mineral composition

(2)混合材

混合材料針對當(dāng)?shù)乜κ不痣姀S生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰及喀什礦粉廠磨細(xì)礦渣粉進(jìn)行了檢驗.檢測驗結(jié)果表明:粉煤灰所檢參數(shù)均滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T5055-2007)C類Ⅱ級灰標(biāo)準(zhǔn).礦渣粉所檢參數(shù)均滿足《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》(GB/T 18046-2008)對S75礦渣粉技術(shù)要求.檢測結(jié)果表明:烏恰P·O42.5水泥、天山P·MSR42.5水泥、克州P·O42.5水泥和青松P·O42.5水泥與混合材強度活性指數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

水泥混合材膠砂強度、膠砂強度增長率和抗壓強度比的試驗按照粉煤灰摻量0、20%、30%、40%，摻礦渣粉摻量40%、50%、60%進(jìn)行分組檢測和對比.檢測結(jié)果表明:隨著粉煤灰摻量(礦渣粉摻量)的增加，抗壓強度隨之降低；膠砂抗壓強度增長率(以28 d為100%)有所波動，但變化不大；抗壓強度比則有所下降.摻加粉煤灰對水化熱的影響試驗表明:水化熱隨齡期的增長而增長，隨粉煤灰的摻入而明顯降低.

(3)骨料

夏特水電站骨料采用施工規(guī)劃專用料場的骨料.針對夏特水電站粗細(xì)骨料進(jìn)行了物理性能檢驗、堿活性及堿骨料抑制性檢測.結(jié)果表明，砂細(xì)度模數(shù)為2.69，屬于中砂，2.5～5 mm顆粒占了30.4%，含量偏高；配合比用砂卵石均為堿活性骨料，分別以摻入20%、30%、40%、50%粉煤灰和40%、50%、60%礦粉等量替代水泥進(jìn)行堿骨料反應(yīng)抑制措施有效性檢驗，水泥中等量摻入混合材后成型的試件14d膨脹率均小于0.1%，抑制該種骨料的堿骨料反應(yīng)危害性評定為有效.經(jīng)比較，礦粉對堿活性抑制效果比粉煤灰稍差，結(jié)合摻混合材水泥膠砂強度，礦粉相較于粉煤灰優(yōu)勢小、成本高，本研究混凝土配合比不再選用摻加礦粉方案.

(4)外加劑

外加劑檢測分別選用兩種樣品:新疆玉鑫蕊科技開發(fā)有限責(zé)任公司(以下簡稱:新疆玉鑫)的減水劑原液配制成高性能減水劑和抗硫酸鹽高性能減水劑、引氣劑(粉劑)；江蘇蘇博特新材料股份有限公司(以下簡稱:江蘇蘇博特)的聚羧酸高性能減水劑(PCA-Ⅰ水劑)、引氣劑(GYQ水劑).

針對外加劑先后做了化學(xué)指標(biāo)檢驗、適應(yīng)性檢驗和品質(zhì)檢驗.結(jié)果表明:兩種外加劑減水率、強度比、收縮率比均達(dá)到規(guī)范要求.水泥凈漿流動度≥220 mm，作為外加劑的適宜摻量，根據(jù)檢測結(jié)果，江蘇蘇博特聚羧酸高性能減水劑(PCA-Ⅰ水劑)在克州P·O42.5水泥中摻量為1.2%，在天山 P·MSR42.5和青松P·O42.5水泥中摻量均為0.7%；新疆玉鑫蕊高性能減水劑(1#水劑)在克州P·O42.5水泥中摻量摻量為1.1%，在青松P·O42.5水泥中摻量為0.5%.

4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗及結(jié)果分析

4.1 混凝土配合比試驗

4.1.1 二級配混凝土砂率選擇

混凝土的合理砂率是使其拌和物獲得最大的流動度，且能保持良好的粘聚性和保水性.經(jīng)過試驗，同時參考用水量，二級配混凝土水膠比為0.45時，最優(yōu)砂率為36%.當(dāng)摻入引氣劑后混凝土砂率會根據(jù)拌合物實際情況相應(yīng)減少.三級配常態(tài)混凝土水膠比為0.45時，最優(yōu)砂率取32%.二級配混凝土在夏特水電站用量較大，本次研究僅以二級配混凝土進(jìn)行研究.4.1.2 粉煤灰摻量選擇

混凝土摻合理的粉煤灰，在不損失強度的前提下替代一定量水泥既能降低成本，還能抑制骨料的堿活性反應(yīng)，增加混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能.根據(jù)試驗結(jié)果，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土早期強度(7 d、28 d強度)降低，混凝土后期強度(60 d、90 d強度)增長率增加，且摻量為20% ～30%左右時強度最優(yōu).摻粉煤灰混凝土干縮試驗結(jié)果表明，混凝土早齡期(60 d以前)干縮率變化較大，隨著齡期增長，干縮率逐漸趨于穩(wěn)定.選擇粉煤灰合理摻量為20%或30%.

4.2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗

根據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS207:2006規(guī)定，全浸泡法不適合水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)，本試驗研究分別按照內(nèi)置石膏法、干濕循環(huán)法不同的加速試驗方法進(jìn)行相應(yīng)環(huán)境下的硫酸鹽侵蝕進(jìn)行研究，研究普通混凝土摻混合料替代抗抗硫酸鹽水泥的可行性.

4.2.1 內(nèi)置石膏法膨脹性能試驗

試驗按照GB/T 749-2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》要求進(jìn)行.試驗條件:水泥采用天山P·MSR42.5，克州P·O42.5和青松P·O42.5三種水泥；砂為夏特水電站項目自產(chǎn)砂，粒度范圍在0.5～1.0 mm的中級砂.水泥和二水石膏混合材與砂的比例為 1:2.75(質(zhì)量比)，水灰比為 0.485，采用25.4 mm×25.4 mm×285 mm試件，安裝在萬能測長儀上進(jìn)行測試，試驗結(jié)果見表3，膨脹率隨齡期變化曲線見圖1.

表3 水泥膠砂膨脹率試驗結(jié)果Table 3 Test results of expansion rate of cement mortar

由試驗結(jié)果可知，P·O42.5水泥膨脹率隨著齡期的增長而增長，到達(dá)84 d后有所下降，克州 P·O42.5水泥增長率高于青松P·O42.5水泥.天山P·MSR42.5水泥潛在抗硫酸鹽性能優(yōu)于P·O42.5；青松P·O42.5水泥潛在抗硫酸鹽性能優(yōu)于克州P·O42.5水泥，三種水泥配制的混凝土均能達(dá)到抗硫酸鹽硅酸鹽水泥(GB748-2005)對中抗硫酸鹽水泥14 d線膨脹率應(yīng)不大于0.60%的要求.

圖1 普通水泥膠砂膨脹率曲線Fig.1 Expansion rate curve of cement mortar

4.2.2 內(nèi)置石膏法水泥膠砂抗硫酸鹽侵蝕試驗

按照CECS 207-2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法(GB/T 749-2008)，檢驗水泥和膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能，評價其抗硫酸鹽侵蝕性能是否合格.試驗?zāi)z凝材料分別選用烏恰P·O42.5和天山P·MSR42.5.抗硫酸鹽侵蝕性能的評估標(biāo)準(zhǔn):浸泡在5%Na2SO4溶液中15周時，如6條試件膨脹率的平均值小于0.4%，則該種砂漿試件的水泥或膠凝材料的抗硫酸鹽侵蝕性能合格.試驗結(jié)果見表4.膨脹率隨齡期變化曲線見圖2.

表4 抗硫酸鹽水泥膠砂膨脹率試驗結(jié)果Table 4 Test results of expansion rate of cement mortar with sulphate carrier

由試驗結(jié)果可知，在5%Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)的膠砂膨脹率大于在水中養(yǎng)護(hù)的膠砂膨脹率，烏恰 P·O42.5水泥和天山P·MSR42.5水泥膨脹率相差不大，兩種水泥的抗硫酸鹽侵蝕性能符合要求.

圖2 抗硫酸鹽水泥膨脹率隨齡期變化曲線Fig.2 Curve of expansion rate of sulphate cement with age

4.2.3混凝土干濕循環(huán)試驗

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，測定混凝土試件在干濕交替條件中，以能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示混凝土硫酸鹽侵蝕性能[16-18].

試驗條件為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，實驗組放入干濕循環(huán)試驗裝置中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗，一個循環(huán)包括在5%Na2SO4溶液中浸泡15 h、風(fēng)干1 h、80℃烘干6 h、冷卻2 h，一個完整循環(huán)共24 h.對比組保持在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù).到達(dá)指定的干濕循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行抗壓強度試驗.抗硫酸鹽等級以混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)下降到不低于75%時的最大干濕循環(huán)次數(shù)來確定，并應(yīng)以符號KS表示.由于時間原因，兩種混凝土采用了KS60和KS30兩種試驗，普通硅酸鹽混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗結(jié)果(KS60)見表5，表6為P·MSR水泥混凝土的硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(KS30)結(jié)果.

表5 普通硅酸鹽混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗結(jié)果(KS60)Table 5 The wetting-drying test results of sulphate resistance of ordinary silicate concrete(KS60)

表6 P·MSR42.5水泥混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗結(jié)果(KS30)Table 6 The wetting-drying test results of sulphate resistance of P·MSR42.5 cement concrete(KS30)

試驗結(jié)果表明，向普通水泥混凝土摻一定比例的粉煤灰，其抗硫酸鹽性能可以達(dá)到設(shè)計要求.

4.3 混凝土配合比推薦值

混凝土配合比設(shè)計試驗按照《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T5330-2005)的要求進(jìn)行，混凝土的計算采用絕對體積法，砂石骨料以飽和面干狀態(tài)的質(zhì)量計算.混凝土配制強度根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)進(jìn)行計算，配合比的優(yōu)化設(shè)計按照配合比計算、試拌和調(diào)整等步驟進(jìn)行，表7給出了混凝土配合比的推薦值.

表7 混凝土配合比推薦值Table 7 Recommended concretemix ratio

青松P·O 4 2.5天山P·O 4 2.5天山P·M S R 4 2.5 2.4 9 5 0.3 Ⅱ 2 9 3 0新疆1#/1.1 0.3 1 2 0 2 8 0 1 2 0 5 4 0 1 3 3 6 4.4 1.2 C 3 0 F 2 0 0 W 6 0.3 5Ⅱ 3 2 2 0 P C A/0.6 0.0 5 1 3 3 3 0 4 7 6 5 9 8 1 2 5 4 2.6 6 0.0 1 9 2.9 1 5 1.6

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明，粉煤灰的添加較大降低了混凝土膠凝材料中C3A的含量，有效改善和細(xì)化了混凝土的粗孔結(jié)構(gòu)(因大孔隙被填充)，使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨勢致密化，粉煤灰的二次水化反應(yīng)消耗了部分水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2，降低了硫酸鹽與水泥水化物反應(yīng)生成石膏的速度，同時粉煤灰的二次水化產(chǎn)物能夠細(xì)化混凝土的微孔結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密化.粉煤灰顆粒對混凝土內(nèi)的裂紋擴展具有阻隔效應(yīng).粉煤灰的添加具有良好的改善水泥基材料抗硫酸鹽侵蝕性能的作用.通過粉煤灰的添加，大大改善了混凝土堿總含量(夏特水電站骨料具有潛在危害性堿活性)，降低水灰比是提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的重要措施.經(jīng)配合比優(yōu)化，普通硅酸鹽水泥配制的混凝土能夠滿足設(shè)計抗硫酸鹽性能的要求，推薦的混凝土配合比，均能滿足設(shè)計提出的相關(guān)要求.通過施工預(yù)算分析，普通混凝土摻粉煤灰比抗硫酸鹽水泥配制的混凝土，更加經(jīng)濟(jì)合理，夏特水電站若采用普通混凝土摻粉煤灰方案有望節(jié)約投資約3 000萬元以上.

國內(nèi)尤其是新疆地區(qū)類似地下水環(huán)境問題突出，研究結(jié)果對硫酸鹽較重的水工建筑物上，尤其是類似新疆克孜河段上配制抗硫酸鹽混凝土的設(shè)計具有較大的推廣價值.