坪头水电站不同品种水泥的抗硫酸盐侵蚀试验研究

李光伟,周麒雯

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610071)

1 前 言

水工混凝土的工作环境一般都比较恶劣,因此耐久性是水工混凝土必须具有的性能。硫酸盐侵蚀是影响水工混凝土耐久性的一项重要因素,也是影响因素最复杂、危害性最大的一种环境腐蚀。硫酸盐广泛分布于地球的各个地方,大部分土壤中都含有部分的硫酸盐。由于岩石一般透水性较弱,因而导致降水在岩层中缓慢流动或滞留,在渗流途中充分溶解可溶盐类矿物而成为矿化度较高的氯化物硫酸盐型地下水。水利水电工程的地下厂房、泄洪洞以及导流洞等工程部位混凝土常常会受到含有较高浓度的硫酸盐地下水的侵蚀,从而降低混凝土的耐久性,缩短混凝土结构的使用寿命。

坪头水电站位于凉山彝族自治州美姑、昭觉和雷波三县交界处,是美姑河流域梯级开发的最下游一个梯级电站。坪头水电站具有日调节性能,以发电为主,装机 180MW。工程枢纽由拦河闸坝、进水口、压力隧洞、调压井、埋藏式压力管道、地下厂房、尾水调压室和尾水隧洞等建筑物组成。对坪头水电站当地的地下环境水进行的水质分析试验结果表明:当地的地下水中硫酸盐含量在 300～510mg/L,为 Ca-SO4型水,对混凝土具有弱～中等强度的硫酸盐腐蚀。为保证水电站建筑物的长期安全,结合坪头水电站的实际情况,开展了不同品种水泥对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究。

2 混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的测试及评价方法

硫酸盐侵蚀是一个较为复杂的过程,在硫酸盐介质中混凝土的破坏机理主要包括石膏侵蚀、钙矾石型硫酸盐侵蚀和镁盐侵蚀等,具体的侵蚀形式和结果取决于胶凝材料的性质、养护条件和侵蚀环境的温度、浓度以及 pH值等。为了对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能进行测试和评价,国内外进行了多年研究,并制定了一系列的标准测试及评价方法,主要是从试件的膨胀量变化和试件的力学性能变化两个方面进行。我国曾先后四次制定了用于水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法的国家标准:GB749-1965、GB/T2420-1981、GB/T749-2001和 GB/T749-2008,其中 GB/T749-2008为前三种标准的替代标准,它包括潜在膨胀性能试验方法和浸泡抗蚀性能试验方法。但这两种试验方法均采用小尺寸的水泥砂浆试件,无法完全反映混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

如何评估水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力是一个值得研究的课题。为了模拟工程的实际情况,分析水泥品种对混凝土抗硫酸盐腐蚀能力的影响,本次试验研究以实际工程混凝土配合比成型试件,采用不同龄期硫酸盐溶液养护的混凝土强度性能与淡水养护的混凝土强度性能的比值作为混凝土的抗蚀系数,评估混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。试验时选用坪头水电站工程实际采用的混凝土原材料,采用淡水作为混凝土的拌和水成型混凝土试件,在养护温度为 20℃的条件下,分别将试件放置在淡水以及具有一定硫酸盐含量的溶液中养护,试件养护至规定龄期,进行混凝土抗压强度以及劈拉强度的试验。混凝土强度试件尺寸为 150mm×150mm×150mm,试验龄期分别为 7d、28d和 90d,试验方法参见 DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》。

3 混凝土原材料的基本性能

采用坪头水电站拟用的峨胜普硅水泥、峨胜中热水泥和嘉华中抗硫酸盐水泥进行水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究,水泥的化学成分见表1。

表1 水泥的化学成分 %

试验采用坪头水电站当地龙头沟料场的白云细晶岩加工的人工骨料,其中粗骨料的表观密度为2.72g/cm3,吸水率为 0.51%;人工砂的表观密度为2.69g/cm3,细度模数为 2.61,石粉含量为 21%。试验采用攀枝花 504厂的Ⅱ级粉煤灰(细度为 20%)和浙江龙游的 ZB-1A缓凝高效减水剂。

4 水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究

4.1 试验结果与结论

在相同条件下,选用普硅水泥和中热水泥进行混凝土抗硫酸盐侵蚀的比较试验,其中拌和水为淡水,养护水分别为含 350mg/L SO2+4的溶液和含600mg/L SO2+4的溶液,混凝土的强度等级为 C20,二级配,骨料比例为:中石∶小石 =50∶50,粉煤灰的掺量为 20%。养护条件对不同品种水泥混凝土强度性能的影响见表2。

试验结果表明:

(1)当混凝土养护水中的硫酸盐浓度增加时,无论采用普硅水泥还是中热水泥所配制的混凝土的抗压强度和劈拉强度均有所降低,表明养护水中的硫酸盐对混凝土具有一定的腐蚀作用。随着养护水中的硫酸盐浓度的增加,混凝土的强度性能有所降低。在同等条件下,混凝土劈拉强度的降低值要大于抗压强度的降低值,表明硫酸盐的侵蚀对混凝土抗拉强度的影响要大于对抗压强度的影响。

(2)在相同条件下,采用普硅水泥配制的混凝土强度的抗蚀系数较采用中热水泥配制的混凝土强度的抗蚀系数高,其中抗压强度的抗蚀系数高3.2%～15.2%,劈拉强度的抗蚀系数高 2.3%～11.4%,表明采用普硅水泥配制的混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力要优于采用中热水泥配制的混凝土。

表2 普硅水泥与中热水泥对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

为了模拟坪头水电站工程混凝土有可能采用含有一定硫酸盐的环境水作为混凝土拌和用水的实际情况,将拌合水和养护水同时采用含 600mg/L的溶液,在保持混凝土的配合比不变的条件下,进行普硅水泥、中热水泥以及中抗硫酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀的对比试验,试验结果见图1。

由图 1可见:

(1)在保持混凝土配合比一致的条件下,采用峨胜普硅水泥配制的混凝土抗压强度和抗拉强度均要高于采用中热水泥配制的混凝土抗压强度和抗拉强度。其中龄期为 28d时,抗压强度高 13.3%,劈拉强度高 15.2%;龄期为 90d时,抗压强度高10.0%,劈拉强度高 7.4%。

图1 水泥品种对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

(2)在保持混凝土配合比一致的条件下,采用峨胜普硅水泥配制的混凝土早龄期的抗压强度及劈拉强度与采用中抗硫酸盐水泥配制的混凝土抗压强度及劈拉强度一致,随着龄期的延长,采用峨胜普硅水泥配制的混凝土抗压强度及劈拉强度均高于采用中抗硫酸盐水泥配制的混凝土抗压强度及劈拉强度。其中龄期为 28d时,抗压强度高 11.5%,劈拉强度高 15.8%;龄期为 90d时,抗压强度高 13.9%,劈拉强度高 16.0%。

试验结果表明:采用峨胜普硅水泥配制的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力要优于采用嘉华中抗硫酸盐水泥以及峨胜中热水泥配制混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。

4.2 机理分析与讨论

含有硫酸盐的地下水对水工混凝土中硅酸盐水泥的侵蚀主要体现在:环境水中的硫酸盐与水泥石中的 Ca(OH)2和水化铝酸钙起反应生成水化硫铝酸钙(钙矾石),产生体积膨胀或使水化硅酸钙分解,从而破坏水泥石结构。水化铝酸钙主要来自于水泥中 C4AF和 C3A的水化。研究表明:在硫酸盐的作用下,C4AF所形成的水化硫铁酸钙或与硫酸钙的固溶体,系隐晶质呈凝胶状析出,而且分布均匀,其膨胀性远比钙矾石小。因此降低水泥熟料中C3A的含量增加 C4AF的含量,可以提高水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力。另外,水泥中 C3S在水化时析出较多的 Ca(OH)2,而 Ca(OH)2又是造成溶出侵蚀的主要因素,适当减少 C3S的含量、增加 C2S的含量也能提高水泥的耐硫酸盐侵蚀的能力。

峨胜中热水泥的矿物组成与嘉华中抗硫酸盐水泥的矿物组成相比,其 C3A含量仅为 1.92%,低于嘉华中抗硫酸盐水泥中的 C3A含量(C3A为2.13%),因此在相同条件下,采用峨胜中热水泥配制的混凝土其抗硫酸盐侵蚀的能力要优于采用嘉华中抗硫酸盐水泥配制的混凝土。

峨胜普硅水泥抗硫酸盐侵蚀的能力优于中抗硫酸盐水泥和中热水泥抗硫酸盐侵蚀能力的原因在于:(1)峨胜普硅水泥熟料的 C3A含量较其它普硅水泥熟料低,水泥又掺有 5%～20%的混合材,对C3A矿物具有一定的稀释作用;(2)峨胜普硅水泥混合材的品种为生铁炉渣、铁合金炉渣和粉煤灰,不仅对硬化体结构中的毛细孔具有填充作用,而且具有一定的潜在的火山灰效应,可以减少混凝土中的Ca(OH)2以及游离氧化钙含量,从而有效地提高水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力。

5 结 语

[1]汪澜.水泥混凝土组成、性能、应用[M].北京:中国建材工业出版社,2005.

[2]袁晓露,等.混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的测试与评价方法综述[J].混凝土,2008(2).

[3]黄站,等.硫酸盐侵蚀对混凝土结构耐久性的损伤研究[J].混凝土,2008(8).

[4]梁咏宁,等.硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响[J].中国矿业大学学报,2005(4).