利用XYPEX外加剂提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的尝试

1、问题的提出

    地处浙江西部的龙游县南部山区是富含黄铁矿的区域，龙游沐尘水库工程正处在这一区域。受黄铁矿外围影响，工程所处区域地层岩石结构面上均有不同程度的黄铁矿分布，局部黄铁矿发育，特别是通过大坝趾板F2和F3断层，实为黄铁矿矿脉。施工过程中采用深挖后混凝土回填的方法进行处理。由于黄铁矿的存在，混凝土必须具有较强的抗硫酸盐侵蚀的特性。

如何让混凝土具有较强的抗硫酸盐腐蚀的特性，常规方法是采用抗硫酸盐水泥来拌制混凝土，但由于抗硫酸盐水泥在国内应用并不广泛，生产厂家较少且采购困难，同时还存在成本较高等问题。采用普通水泥掺加外加剂的方法来提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能便成为解决此间题的另一种思路。

2、混凝土被硫酸腐蚀机理

    混凝土或钢筋混凝土抵抗环境作用的能力较强，常被认为是耐久的材料，但实际情况并不总是这样。环境作用下影响混凝土结构的材料劣化现象主要是钢筋锈蚀和混凝土腐蚀。混凝土的腐蚀主要有化学腐蚀和冻融破坏以及碱骨料反应，在化学腐蚀中硫酸盐侵蚀又是一项重要因素，主要是因为在实际中硫酸盐侵蚀环境普遍存在，尤其是地下水和土壤中总是或多或少地存在着硫酸根离子。

    硫酸根离子由外界渗入到混凝土，与混凝土的某些成分发生化学反应而对混凝土产生腐蚀，使混凝土性能逐渐退化，这是一个复杂的物理化学过程，这个过程主要受两方面因素的影响：一是混凝土自身的特点，在此称为材料因素，包括混凝土的水灰比、孔隙率、水泥品种和用量、骨料品种与级配、外掺剂等；二是混凝土所产处的硫酸盐侵蚀环境特点，在此称为环境因素，包括溶液中阳离子类型、硫酸根离子浓度、溶液温度以及侵蚀溶液的PH值等。材料因素主要是通过影响混凝土的密实度和水化铝酸钙和Ca(OH)₂含量来影响硫酸盐侵蚀，已有的研究表明，混凝土密实度越高、水化铝酸钙含量越低，则混凝土抗硫酸盐侵蚀性越好，但密实度和水化铝酸钙含量的高低并不影响硫酸盐侵蚀混凝土的机理；而环境因素主要是通过影响硫酸盐反应的发生条件或者是说机理来影响混凝土退化速度的，由于地下水和土壤中硫酸根离子不同、温度不同、pH值不同，若水位有变动混凝土还会处于干湿循环状态等，使实际工程中混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的形态也不尽相同。归纳一下，主要表现为以下几种形式：

    1) 当硫酸盐溶液中的阳离子为可溶性的离子(如Na、K)时，硫酸盐与C₃A反应生成钙矾石，由于钙矾石能产生膨胀，而混凝土的抗拉强度又很低，所以混凝土很容易在膨胀压力下开裂。

    2) 当溶液中存在Mg²⁺时，硫酸盐与氢氧化钙反应生成石膏，并且能将C—S—H置换成M—S—H，使混凝土只能产生微小的膨胀，而更多的是表现为使混凝土强度、刚度和粘结力的降低。

    3) 低温潮湿或者有碳酸盐存在的条件下生成碳硫硅钙石，碳硫硅钙石也能引起膨胀，且在微观结构上与钙矾石很接近，所以通常会被误认为是钙矾石，最近已越来越多地引起重视。

    4) 干湿循环条件下进入到混凝土中的硫酸盐吸水结晶对混凝土产生结晶压力，而使混凝土开裂、破坏。在黄铁矿岩石中，黄铁矿在水及水中游离氧的作用下，会形成硫酸根离子和亚硫酸根离子，其主要反应过程如下：

    ① 黄铁矿氧化生成游离硫酸和硫酸亚铁：

    2FeS₂+7O₂+2H₂O→2H₂ SO₄+2FeSO₄

    ② 硫酸亚铁在游离氧的作用下转化为硫酸铁：

4 FeSO₄+2 H₂ SO₄+ O₂→2Fe₂ (SO₄)₃+2H₂O因此，通过掺加外加剂改善混凝土自身特点是提高混凝土抗硫酸盐腐蚀的一条重要途径。

3、外加剂的选择

通过对各种外加剂性能对比，决定选用XYPEX(赛柏斯)作为外加剂。它是由波兰特水泥、硅砂和多种特殊的活性化学物质组成的灰色粉末状无机材料。其工作原理是XYPEX特有的活性化学物质利用水泥混凝土本身固有的化学特性和多孔性，以水作载体，借助渗透作业，在混凝土微孔及毛细管中传输、充盈、催化混凝土内的微粒和未完全水化的成份再次发生水化作用，从而使来自各个方向的水或其它液体被堵塞，达到防水、防潮和保护钢筋、增强混凝土结构强度的效果。同时，根据ASMC267-77进行的“砂浆对化学物质的阴抗试验”，XYPEX在广泛的范围内不受化学物质(包括弱酸性物质、氯化物和弱碱性物质)的腐蚀，其耐酸碱程度是：长期接触pH值3.0～11.0；间歇性接触pH值2.0～12.0。可防止盐类及其它有害物质的入侵。

4、对比试验

4.1  掺入外加剂后水泥抗硫酸盐侵蚀试验

试验执行标准为GB2420－81。共制作10×10×60三联模型试件6组，编号为037－1的3组未掺外加剂，在水中养护28d，另外编号为037－2的3组在制作胶砂时掺入水泥用量1％的XYPEX外加剂，在3％的Na₂ SO₄溶液中养护28d(见表1)。

从以上试验结果可以看出：掺入XYPEX外加剂后，试件强度得到了显著提高，虽然浸泡在3％的Na₂ SO₄溶液中，强度未发生损失，反而有所提高，抗蚀系数达到1.05。

4.2  混凝土抗侵蚀试验

为验证加入XYPEX外加剂后混凝土抗蚀性能是否有提高，我们用C20普通混凝土和掺加了水泥用量1％XYPEX外加剂的C20混凝土同步进行抗腐蚀试验。试验采用全浸泡法，成型100mm×100mm×100mm的混凝土试件，标养28d后将试件取出，然后移入3％的Na₂ SO₄液体中，侵蚀龄期从试件移入起开始计算。按试验设计龄期分别取出一组试件测定在侵蚀介质中以及清水中相同龄期、相  同配比的混凝土抗压强度，求出强度耐蚀系数K_f值(见表2)。

从以上结果可以看出，加入XYPEX外加剂后，混凝土强度耐腐蚀系数在90d、180d和360d分别为2.3％、3.3％、5.5％，均大大小于标准规定的75％，混凝土强度耐腐蚀系数符合要求。

5、结语

在黄铁矿分布区，混凝土应具备抗硫酸盐腐蚀能力，由于抗硫酸水泥采购困难，使用成本较高。通过掺加外加剂的方法来提高混凝土耐蚀性是一种很好的方法，具有使用方便、成本低的特点，耐蚀效果明显。

（摘自《技术交流·小水电》2009年第3期 总第147期）

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