葛广霞 聂俊立 赵意林
中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安，710032
摘要：引起混凝土非力学破坏现象的原因是多种多样的，其中主要原因之一就是由于硫酸盐的侵蚀。海洋、盐湖、地下水等环境中大多含有硫酸盐，混凝土组分本身也有可能带有硫酸盐，它们在各种条件下对混凝土产生侵蚀作用，使其发生破坏。如何预防和减轻硫酸盐对混凝土的侵蚀破坏一直是混凝土耐久性研究的一项重要内容。本文针对有抗硫酸盐混凝土要求的工程混凝土，采用普通混凝土配合比设计方法，配制出抗硫酸盐混凝土，对类似工程有一定借鉴意义。
关键词： 混凝土 抗硫酸盐 强度比 耐久性
前言
黄河干流在甘肃境内全长913公里，分别流经甘南、临夏、兰州、白银4个市(州)的9个县6个区，防洪治理河道兰州市城区段，主要的建设内容有：新建堤防13.795km（左岸4.265km，右岸9.53km）；维修加固加高堤防41.315km（左岸19.485km，右岸21.83km）；新建护岸5.08km（左岸4.0km，右岸1.08km），治理支沟汇入口5处。
本次需优化设计的配合比共有5种，均为泵送混凝土，其中2种为常规泵送混凝土，强度等级分别为C15、C25，优化的方向为：在满足设计的混凝土抗压强度、施工性能的前提下，尽量减少水泥用量，降低水化热，以避免产生温度裂缝；其它3种均有抗硫酸盐侵蚀要求，其中2种均有抗冻、抗渗要求，抗硫酸盐等级分为：KS15、KS30、KS60、KS90、KS120、KS150及以上等级，本工程所涉及的有抗硫酸盐要求的防洪工程混凝土等级均为KS60级。优化设想：混凝土抗压强度、抗渗要求容易满足，难点是抗冻和抗硫酸盐侵蚀性能。抗冻采用单掺引气剂，以精准控制混凝土含气量的方式来保证，抗硫酸盐侵蚀性能通过采用双掺粉煤灰、矿渣粉，以降低水化热，减少温度裂缝，增强密实性，降低水泥中的C3A含量，改善混凝土的孔隙结构，降低减水剂中的有害的含气量，单掺引气剂以改善混凝土的孔隙率和孔径，减少渗透通道。
一、配合比设计技术要求
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二、原材料检测
水泥选用兰州永固祁连山水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，砂采用润昌建材有限公司生产的天然砂，碎石采用永靖县宏泰采石厂生产的碎石，减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JM-Ⅱ型聚羧酸高性能减水剂，引气剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的GYQ-Ⅰ型高效引气剂，矿渣粉采用兰州宏盛建材科技有限公司生产的S95矿渣粉，粉煤灰采用兰州万科源商贸有限公司生产的F类-Ⅱ级粉煤灰。我们对原材料进行了全性能检测，检测结果均满足技术要求。
三、配合比设计试验过程及说明
在影响混凝土耐久性的因素中，硫酸盐侵蚀破坏是引起混凝土材料失效破坏的主要因素之一。混凝土硫酸盐侵蚀的机理：硫酸盐侵蚀破坏是―个复杂的物理化学过程，侵蚀破坏的机理可以从化学作用和物理作用两方面考虑：化学作用是指侵蚀介质中的SO42-与水泥石的组分发生化学反应生成膨胀性物质，产生膨胀内应力，导致混凝土结构物的破坏；物理作用主要是指地下水中有侵蚀性盐类物质进入混凝土结构内，当水分蒸发或湿度变化时会析出晶体并逐渐长大，最终由于产生较大的内应力而使混凝土遭受破坏，混凝土受硫酸盐侵蚀的特征是表面发白，破损通常在棱角处开始，并随裂缝的扩展而剥落，使混凝土处于易碎、甚至松散的状态。。
通常改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能最有效的方法就是采用抗硫酸盐水泥，如兰州周边的小峡水电站、柴家峡水电站、河口水电站均采用中抗硫水泥，抗硫酸盐水泥的最大特点是C3A含量低。但是由于我们工程的特点，采用抗硫酸盐水泥不现实，针对设计对混凝土抗硫酸盐侵蚀的要求，我们在混凝土配合比设计中，通过以下方法来提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力：
1、 双掺矿物掺合料矿渣粉和粉煤灰：(1)可降低混凝土中C3A含量； (2)降低混凝土绝热温升，掺加粉煤灰及矿渣粉后可减少水泥用量，从而减少了水化放热量，因此施工时混凝土的温升降低，可明显减少温度裂缝，这对大体积混凝土工程特别有利；(3)混凝土的耐久性提高，由于二次水化作用，混凝土的密实度提高，界面结构得到改善，同时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰及矿粉后可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性；(4)变形减小，粉煤灰及矿粉混凝土的徐变低于普通混凝土，粉煤灰及矿渣粉的减水效应使得粉煤灰及矿渣粉混凝土的干缩及早期塑性干裂与普通混凝土基本一致或略低；(4)利用矿物掺合料的填充效应、微集料效应和活性效应，降低混凝土的水胶比，改善混凝土的和易性，增加混凝土的密实度，消耗混凝土中的Ca(OH)2，这些均有利于混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的提高。
2、降低水胶比：降低水胶比可以改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，在硫酸盐外部侵蚀中，SO2-4须先渗透到混凝土中，侵蚀过程才能发生。因此降低水灰比，从而减少混凝土孔隙率，增强其抗渗性，可有效地阻碍SO2-4渗透，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。
3、掺入引气剂：引气剂是在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡且能保留在硬化混凝土中的外加剂。由于本工程使用的混凝土设计要求抗冻等级为F200，为满足抗冻要求，原配合比设计试验采用的减水剂为引气型减水剂，引气型减水剂的缺点是气孔孔径一般偏大，不利抗硫酸盐侵蚀。本次进行的配合比优化试验采用双掺高性能减水剂（含气量控制在3%以内）和引气剂，尽量改善混凝土的孔隙结构，提高混凝土的密实性，避免因硫酸盐侵入混凝土内部经反应生成膨胀物质而引起破坏。
我们依据以上的混凝土配合比设计理念和前期的大量工程实际试验结果，进行兰州市黄河干流提防工程混凝土施工配合比设计试验。
3.1 配合比参数的确定
配合比设计依据《水工混凝土配合比设计规程》DL/T5330-2015进行设计试验，主要参数确定如下：
3.1.1 计算混凝土配制强度
Fcu，0= fcu，k+tσ
式中：fcu，0 ——混凝土配制抗压强度，MPa；
Fcu，k ——混凝土设计龄期的设计抗压强度，MPa；
t——保证率系数，按保证率为95%，选用1.645；
σ——混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。C15选用3.5MPa、C25选用4.0MPa、C30选用4.5MPa。
计算：C15 fcu，0= 15+1.645×3.5=20.8MPa
C25 fcu，0= 25+1.645×4.0=31.6MPa
C30 fcu，0= 30+1.645×4.5=37.4MPa
3.1.2水胶比的确定
根据经验和前期试验结果：强度等级为C15混凝土，主要考虑可泵性，初步选定水胶比为0.50进行试验；强度等级为C25混凝土，主要考虑混凝土抗压强度和可泵性，初步选定水胶比为0.45进行试验；C15KS60抗硫酸盐混凝土主要考虑可泵性和抗硫酸盐侵蚀，初步选定水胶比为0.50进行试验；C25 W4F200KS60混凝土同时考虑混凝土抗冻、抗硫酸盐侵蚀，初步选定水胶比为0.43进行试验；C30W6F200KS60混凝土同时考虑混凝土抗压强度、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性能，初步选定水胶比为0.40进行试验。
3.1.3 确定用水量
按照在满足工作性要求的前提下，按照选用较小的用水量的原则选用用水量。本工程所用混凝土坍落度按160~180mm控制，掺用高性能减水剂可降低单位用水量，降低水泥用量。试验采用江苏苏博特高性能减水剂和引气剂，按照确定的水灰比，经试验用水量为150kg/m3，混凝土的工作性满足施工要求。
3.1.4 计算胶凝材料用量
式中： mc——每立方米混凝土水泥用量，kg；
mp——每立方米混凝土掺合料用量，kg；
mw——每立方米混凝土用水量，kg；
w/(c+p) ——水胶比；
计算 C15 mc+mp=150÷0.50=300kg
C25 mc+mp=150÷0.45=333kg
C25W4F200 mc+mp=150÷0.43=349kg
C30W6F200 mc+mp=150÷0.40=375kg
掺合料为粉煤灰和矿渣粉双掺，C15混凝土掺量为40%，则水泥用量为180kg；C25混凝土掺量为35%，则水泥用量为216kg；C25W4F200混凝土掺量为35%，则水泥用量为227kg；C30W6F200混凝土掺量为33%，则水泥用量为251kg。
3.1.5 确定砂率
通过固定胶凝材料用量、用水量、外加剂掺量，调整不同砂率，最后得出：C15混凝土砂率43%、C25混凝土砂率42%、 C30混凝土砂率41%。混凝土和易性、工作性最优，确定为最优砂率。
3.1.6 计算砂石用量
根据前期试验结果，假定C15混凝土容重为2400 kg/m3 ，C25、C30混凝土容重为2420 kg/m3 。则：
C15 混凝土砂子用量为：838kg；碎石用量为：1112kg。
C25 混凝土砂子用量为：814kg；碎石用量为：1123kg。
C25W4F200KS60 混凝土砂子用量为：807kg；碎石用量为：1114kg。
C30W6F200KS60 混凝土砂子用量为：777kg；碎石用量为：1118kg。
注：碎石比例为（小石：中石=40%：60%）
综上所述，混凝土理论配合比计算见表3-1。
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从上表可以看出：混凝土的出机坍落度和含气量均符合设计和施工要求，混凝土实测28d抗压强度均大于混凝土试配强度。为此，按照上述配合比成型好的试件进行混凝土耐久性试验。
3.3 混凝土耐久性能
按照确定配合比成型的耐久性试件进行混凝土耐久性试验。抗渗试验采用逐级加压法进行：水压从0.1MPa开始，保持8h，增至0.2MPa，以后每隔8h增加水压0.1MPa，直至0.5 MPa、0.7MPa，保持3天后6块试件均未透水。抗冻试验采用快冻法进行，试验结果见表3-3。
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从表中可以看出，所选配合比抗冻、抗渗试验结果满足设计要求。
3.5 混凝土抗硫酸盐性能验证
按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗硫酸盐侵蚀试验方法对设计有要求的抗硫酸盐混凝土配合比，进行抗硫酸盐侵蚀性能试验。制作10×10×10㎝3的混凝土试件，静停一天后拆模，移入标准养护室养护26天，取出放在80℃烘箱中烘干48小时，冷却后进行干湿循环试验。循环制度是：室温5％Na2SO4溶液中浸泡15小时，取出风干1小时，放入80℃烘箱中烘干6小时，然后取出冷却2小时，一个循环为24小时。判断方法：强度损失25％时循环次数为标准，并观察混凝土表面的破损情况。试验结果见表3-4。?
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从上表可以看出：所测得的混凝土抗压强度耐蚀系数均满足并且高于KS60性能指标。
本次设计试验的混凝土配合比其混凝土抗压强度、抗冻性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能试验结果，符合设计要求。
四、混凝土配合比总碱含量计算
混凝土碱含量计算公式为：
混凝土碱含量（kg/m3）=水泥碱含量（%）×水泥用量（kg/m3）＋0.5×矿渣碱含量（%）×矿渣用量kg/m3）＋0.2×粉煤灰碱含量（%）×粉煤灰用量（kg/m3）＋外加剂碱含量（%）×外加剂用量（kg/m3）＋水碱含量（%）×用水量（kg/m3）。
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依据《水工混凝土施工规范》SL677-2014第6.0.8条：使用碱活性骨料时，应采取抑制措施并专门论证，混凝土总碱含量最大允许值不应超过3.0 kg/m3。
本次优化的各类混凝土配合比总碱含量均符合规范要求。本配合比所用骨料为非活性骨料。
总结
1、掺入粉煤灰和矿渣粉，可以与混凝土中的Ca（OH）2结合生成难溶的化合物，减轻溶出性侵蚀，提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力；
2、低水胶比减少了混凝土的孔隙，增强其抗渗性，有效改善了混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力；
3、引气剂的使用，减小了混凝土的吸水率和渗透性，也是提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力的有力措施。
针对有抗硫酸盐混凝土要求的工程混凝土，我们采用普通混凝土配合比设计方法，也能满足其抗硫酸盐性能的要求及其他混凝土性能要求，为工程产生了较大的经济效益。
参考文献：
［1］《水工混凝土施工规范》SL 677-2014
［2］《水工混凝土试验规程》SL 352-2006
［3］《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330-2015
［4］《混凝土用水标准》JGJ 63-2006
［5］《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007
［6］《水泥化学分析方法》GB/T 176-2017
［7］《水泥取样方法》GB/T 12573-2008
［8］《水泥细度检验方法 筛析法》GB/T 1345-2005
［9］《水泥比表面积测定方法 勃氏法》GB/T 8074-2008
［10］《水泥密度测定方法》GB/T 208-2014