牛斌涛 王山峰 姜 骞 石 亮 穆 松

1.中国建筑第二工程局有限公司 青岛 266000；2.高性能土木工程材料国家重点实验室 南京 210008

0 引言

背景工程项目中地下水腐蚀层为服役环境最恶劣区域[1,2]。经专家评审会论证，该地块项目桩基应采用耐腐蚀混凝土进行制备。相关耐腐蚀混凝土的设计指标为：桩基混凝土强度等级为C45、桩身混凝土保护层厚度70 mm、桩身混凝土采用大掺量矿物掺合料制备、桩身混凝土掺入抗硫酸盐的防腐剂和钢筋阻锈剂、混凝土28 d氯离子扩散系数≤6×10-12m2/s、抗硫酸盐等级为KS120（混凝土抗压强度耐蚀系数≥0.90）。

1 原材料、配合比及试验仪器

1.1 原材料

水泥：大宇P.Ⅰ52.5水泥；粉煤灰：普通Ⅱ级粉煤灰；矿粉：S95级矿渣粉；细骨料：细度模数3.00的中砂；粗骨料：5～31.50 mm连续级配玄武岩碎石；减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的SBT-PCA®(Ⅰ)聚羧酸高性能减水剂；阻锈剂：SBT®-ZX(Ⅱ)钢筋混凝土阻锈剂；防腐剂：某市售普通防腐剂和SBT®-RMA(Ⅱ)混凝土高效防腐剂。

1.2 配合比

C45桩基耐腐蚀混凝土配合比详见表1。

1.3 试验方法与仪器

表1 C45桩基耐腐蚀混凝土配合比

混凝土理化性能测试方法应符合相关国标要求，混凝土微观形貌与元素组成试验使用FEI Quanta 250扫描电子显微镜，电压15 kV。

2 试验结果与分析

为了研究防腐剂和胶材用量对桩基混凝土抗压强度和耐久性能的影响，试验中研究了不掺加防腐剂、分别掺加普通防腐剂和高效防腐剂（防腐剂按取代矿物掺合料内掺），以及不同胶凝材料用量（435 kg/m3、450 kg/m3和465 kg/m3）对混凝土性能的影响。同时，为了研究防腐剂对桩基混凝土抗硫酸盐性能的提升机理，对经过KS120试验后的混凝土试样进行微观形貌观测和能谱测试分析。

2.1 抗压强度

图1是防腐剂对桩基耐腐蚀混凝土抗压强度的影响，在相同胶凝材料用量和水胶比条件下，使用防腐剂后混凝土抗压强度提高，并且使用高效防腐剂的混凝土抗压强度高于使用普通防腐剂的混凝土，其28 d抗压强度与基准组相比可提高7.60 MPa。这是由于防腐剂的加入能够优化胶凝体系中的颗粒级配，使混凝土密实度进一步提高，促进抗压强度增长；高效防腐剂中含有大量超细矿粉和硅灰，其晶核反应能够促进C-S-H凝胶相生成，有效改善界面过渡区孔隙分布，养护28 d后混凝土抗压强度能够高出使用普通防腐剂混凝土的10%以上[3]。

图2是胶凝材料用量变化对混凝土抗压强度的影响，在相同水胶比时，混凝土的各龄期抗压强度随胶材用量的提高而提高，当胶材用量从435 kg/m3分别升至450 kg/m3和465 kg/m3时，28 d抗压强度分别增加了6.50 MPa和12.30 MPa，15 kg/m3胶材用量变化能够引起混凝土变化1个强度等级以上，可见胶材用量对混凝土抗压强度影响显著。

图1 防腐剂对抗压强度影响

图2 胶凝材料用量对抗压强度影响

2.2 氯离子扩散系数

图3是防腐剂对桩基耐腐蚀混凝土氯离子扩散系数的影响，用普通防腐剂和高效防腐剂均能够改善混凝土的抗氯离子渗透作用，与不掺加防腐剂的混凝土相比，其氯离子扩散系数降低幅度分别为9.46%和45.90%，高效防腐剂对混凝土耐久性能的改善更显著。同时，不用防腐剂和用普通防腐剂的混凝土氯离子扩散系数均大于6×10-12m2/s，不能满足设计指标。与抗压强度结果类似，普通和高效防腐剂对混凝土具有提升密实度的作用，能够改善混凝土抗氯离子渗透能力，高效防腐剂的效果优于普通防腐剂的效果。

在图4中，桩基耐腐蚀混凝土氯离子扩散系数随胶材用量升高而降低，胶材用量为450 kg/m3和465 kg/m3的混凝土氯离子扩散系数分别比胶材用量为435 kg/m3时降低8.93%和30.36%。胶材用量为435 kg/m3和450 kg/m3的混凝土氯离子扩散系数分别为5.60×10-12m2/s和5.10×10-12m2/s，略小于设计指标限值，如使用此配合比制备桩基耐腐蚀混凝土，其劣化概率较大。

图3 防腐剂对氯离子扩散系数影响

图4 胶凝材料用量对氯离子 扩散系数影响

2.3 抗硫酸盐腐蚀性能

图5是防腐剂对桩基耐腐蚀混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的影响，使用防腐剂能够明显提高混凝土耐腐蚀系数，提高抗硫酸盐腐蚀能力。使用普通防腐剂的混凝土在硫酸盐干湿循环120次以后耐腐蚀系数为0.86，无法满足设计要求。使用高效防腐剂后，混凝土在经历90次和120次硫酸盐干湿循环后，耐腐蚀系数分别为0.98和0.97，混凝土抗硫酸盐腐蚀性能良好，满足设计要求。

在图6中，胶材用量为450 kg/m3的混凝土的耐腐蚀系数稍低于胶材用量为465 kg/m3的混凝土，90次和120次硫酸盐干湿循环后耐腐蚀系数分别为0.95/0.93和0.98/0.97，能够满足设计要求；当胶材用量为435 kg/m3时，耐腐蚀系数降低至0.94/0.88，无法满足设计要求。

图5 防腐剂对抗硫酸盐腐蚀性能影响

图6 水胶比对抗硫酸盐 腐蚀性能影响

2.4 SEM-EDX测试

分别观察不使用防腐剂、使用普通防腐剂和使用高效防腐剂的混凝土在经过120次硫酸盐干湿循环后放大10 000倍的腐蚀产物形貌，同时结合对图7（a）和7（b）中腐蚀产物的能谱扫描结果（表2），可以确定腐蚀产物即为钙矾石（AFt）。图7（a）中未使用防腐剂混凝土的腐蚀产物晶粒粗大，长度在10 μm以上，且互相搭接成簇；图7（b）为使用普通防腐剂的混凝土形貌，腐蚀产物已开始大量生成，同时有互相搭接的趋势，但整体晶粒偏小；图7（c）为使用高效防腐剂的混凝土形貌，在相同放大倍率下微观结构仍较致密，仅有极细小的针棒状产物生成。

图7 防腐剂对腐蚀产物形貌的影响

SEM-EDX测试结果从微观角度再次证明，使用防腐剂能够有效提升混凝土抗硫酸盐腐蚀能力，但高效防腐剂效果明显优于普通防腐剂效果。这是因为普通防腐剂往往仅含有一些品质较好的矿物掺合料，仅能有限地提高混凝土的力学性能和耐久性能；而高效防腐剂中除含有优质的超细矿渣和硅灰组分外，还含有膨胀组分，通过在混凝土水化早期引入细小、尺寸可控的AFt晶体填充孔隙，既能够在早期利用其微膨胀性能提高混凝土密实度，又能够抑制SO42-与Al相反应生成尺寸较大、导致混凝土被破坏的膨胀产物[4]。

表2 腐蚀产物能谱扫描结果

3 结语

1）普通防腐剂和高效防腐剂均能够提升混凝土的力学性能和耐久性能，但普通防腐剂改善效果有限；使用高效防腐剂后，混凝土28 d抗压强度和氯离子扩散系数可分别改善12.80%和45.90%。

2）高效防腐剂中的超细活性矿物掺合料和膨胀组分能够在水化早期发生晶核反应，在混凝土水化早期引入细小、尺寸可控的AFt晶体填充孔隙，可促进混凝土的密实，抑制后期硫酸盐与Al反应生成具有破坏性的膨胀产物，大幅提升混凝土抗硫酸盐腐蚀性能；而普通防腐剂仅能起到有限的提升密实度的作用，无法有效地抑制被硫酸盐腐蚀破坏。

3）采用高效防腐剂，适当增加混凝土胶材用量，是提高混凝土抗硫酸盐腐蚀破坏能力的有效措施。