耐腐蚀、高抗渗混凝土排水管及管片技术研究
2006-11-12 00:00
摘要：本文主要通过调查研究北京地区污水构筑物耐久性问题，确定产生问题的原因，并针对问题提出相应的解决方案，并进一步对管片各项性能进行研究，优化管片混凝土配合比，从而提高混凝土排水管及管片的耐腐蚀、高抗渗性能。
关键词：耐腐蚀、高抗渗、排水管、管片。
为了确定排水管及管片的耐久性问题产生的原因，我们首先对北京地区污水构筑物耐久性问题（北京地区排水管道腐蚀破坏）进行了调查。
80年代初在全国范围内进行的水工构筑物混凝土老化病害现状调查，总结了我国水工构筑物在耐久性方面存在的七类主要病害：（1）裂缝；（2）渗漏溶蚀；（3）冻融破坏；（4）冲磨和空蚀；（5）碳化和钢筋锈蚀；（6）水质侵蚀；（7）碱骨料反应。对此七类病害从破坏形态上分类，又可直观的归结为混凝土开裂、渗漏、混凝土剥蚀破坏等三类。而排水管道与污水处理厂混凝土构筑物所处环境毕竟不一样。所以我们通过对污水处理厂混凝土构筑物的现状和存在问题进行调查分析并考虑排水管道的实际工作环境，提出了排水管道混凝土的主要破坏模式：（1）渗漏破坏，包括变形缝和裂缝渗漏、混凝土抗渗不足渗漏；（2）碳化和钢筋锈蚀；（3）腐蚀破坏；（4）碱骨料反应；（5）冻融破坏。
为了解决排水管片的耐久性问题，我们提出了部分技术措施：原材料的优选、配合比优化设计、排水管材生产养护工艺完善、结构设计优化等。
并按照以上措施进行了系统研究。首先确定了用于北京地区的耐腐蚀、高抗渗盾构管片高性能混凝土的应用指标，应满足如下要求：（1）、水胶比不大于0.35，混凝土坍落度小于60mm，易于浇注和振捣；（2）、抗压强度等级大于C50；（3）、为满足12小时模具周转，要求混凝土浇注后10小时达到脱模强度，约20Mpa。（4）、具有高抗渗性；（5）、低碱集料反应性。（6）、选用的胶凝材料应满足III类环境强腐蚀要求。然后通过各种不同调整方案达到预期的设计指标要求。
具体研究过程：
（一）试验原材料的选择应注意的几项指标
1.1水泥
由于水泥中C3A含量对混凝土的耐腐蚀性能不利，需选择C3A含量较低的水泥；由于水泥中碱含量的增加会导致混凝土的碱骨料反应，而北京地区的砂石多为碱活性骨料，所以应控制水泥中碱含量（低碱）。
1.2矿渣
首钢淬取矿渣，三种不同比表面积矿渣进行对比研究，主要包括比表面积为430 m2/kg、600 m2/kg、750m2/kg的磨细矿渣，推荐磨细矿渣比表面积在430±20m2/kg。
1.3外加剂
为了更好的应用于混凝土中，并达到预期的效果，我们通过试验对外加剂进行了复配，配制了适用于耐腐蚀高抗渗混凝土管片的专用外加剂，组要组分包括：减水剂、早强剂、缓凝剂、密实剂、保塌剂。另外在选择上还要遵循低掺量、低碱、无氯原则。
（二）配合比的优化设计
2．1掺合料对混凝土性能的影响
2．1．1掺合料对混凝土收缩性能的影响
1、从磨细矿渣对混凝土收缩的影响的试验研究中我们得出结论：单独使用磨细矿渣配制耐腐蚀、高抗渗混凝土时，应控制其比表面积不宜过大和掺量不宜过高，过大的比表面积会使混凝土管片开裂的时间提前，并增大裂缝宽度。推荐磨细矿渣比表面积在430±20m2/kg。
这里我们作了不同比表面积磨细矿渣、在混凝土中的不同掺量的配合比试验研究，收缩试验研究主要是通过圆环试验，其试验结果要比普通混凝土收缩试验更符合实际应用条件要求。
2、从粉煤灰对混凝土收缩的影响的试验研究中我们得出结论：随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的自由收缩率在减少，当掺量大于30%后，减少收缩的效果就不太明显。从圆环收缩开裂结果来看，掺加粉煤灰后混凝土的初裂时间明显延长，开裂宽度明显降低，当掺量大于30%后，延长初裂时间和降低开裂宽度的效果也不再太明显。可见，掺加粉煤灰可以明显延长混凝土的初裂时间和减少混凝土的收缩。
3、从粉煤灰和矿渣复合掺入对混凝土收缩的影响的试验研究中我们得出结论：从混凝土初裂及24小时后裂缝宽度结果来看，粉煤灰和矿渣复合掺加后与空白混凝土或单掺矿渣的混凝土相比，明显延长混凝土的初裂并降低24小时后裂缝宽度。在粉煤灰同掺量情况下，双掺混凝土的初裂时间和24小时后的裂缝宽度与单掺粉煤灰的混凝土基本一致。
2.1.2掺合料对混凝土强度的影响
1、由表1 我们可以看出，采用我们自己配制的外加剂时，和不使用粉煤灰的空白混凝土相比，单掺Ⅰ级粉煤灰混凝土单方用水量减少，混凝土早期强度和后期强度均有所提高，而且强度随着掺加量的增加而增大。
2、和不掺矿渣的空白混凝土相比，单掺S95水淬矿渣混凝土单方用水量增加，混凝土早期强度降低明显，而后期强度均超过空白混凝土，而且强度随着掺加量的增加而增大。
3、粉煤灰和矿渣复合掺加后，混凝土的单方用水量变化不大，而混凝土早期和后期强度明显增加很多。
2.1.3掺合料对混凝土抗渗性能的影响
双掺混凝土氯离子扩散系数比单掺或空白低一倍以上。随着掺合料掺加量的增加，氯离子扩散系数随之减小。
这里采用清华大学开发研制的NEL氯离子扩散系数法进行抗渗性能试验。
表 1 混凝土配合比及抗压强度试验及收缩试验结果
|
编 号 |
SK-1 |
SK-2 |
SK-3 |
SK-4 |
SK-5 |
SK-6 |
SK-7 |
SK-8 |
SK-9 |
SK-10 | |
|
矿渣，kg/m3 |
-- |
20％ |
30％ |
40％ |
60％ |
-- |
--- |
15％ |
30％ |
40％ | |
|
粉煤灰，kg/m3 |
-- |
-- |
-- |
|
-- |
20％ |
30％ |
15％ |
20％ |
20％ | |
|
水，kg/m3 |
165 |
166 |
168 |
170 |
174 |
159 |
155 |
164 |
162 |
166 | |
|
坍落度，mm |
60 |
65 |
65 |
70 |
70 |
60 |
60 |
65 |
70 |
75 | |
|
R3，Mpa |
32.1 |
29.5 |
27.0 |
25.7 |
23.5 |
35.5 |
37.2 |
32.5 |
31.7 |
29.6 | |
|
R7，Mpa |
46.5 |
42.5 |
40.9 |
38.4 |
36.5 |
49.4 |
52.3 |
47.8 |
46.0 |
44.5 | |
|
R28，Mpa |
58.5 |
60.5 |
62.3 |
64.5 |
68.5 |
63.7 |
67.5 |
64.5 |
69.0 |
70.5 | |
|
R90，Mpa |
64.5 |
66.1 |
68.2 |
69.5 |
70.2 |
67.1 |
69.5 |
66.5 |
72.5 |
73.4 | |
|
40℃蒸养12小时，Mpa |
31.5 |
28.4 |
26.5 |
24.5 |
24.3 |
32.5 |
30.2 |
29.1 |
30.8 |
28.5 | |
|
蒸养后泡水7天，Mpa |
50.3 |
52.5 |
54.2 |
57.5 |
60.3 |
53.6 |
58.2 |
56.5 |
61.8 |
64.5 | |
|
圆环
结果 |
初裂时间（d） |
12 |
12 |
12 |
12 |
11.5 |
17 |
18 |
16 |
17 |
17.5 |
|
初裂24h后裂缝宽度（mm） |
0.045 |
0.042 |
0.044 |
0.045 |
0.048 |
0.032 |
0.025 |
0.035 |
0.03 |
0.032 | |
2.2外加剂对混凝土性能的影响
这里我们利用自配的专用外加剂试验结果为：随着TK-1掺量的增加，混凝土凝结时间延长，坍落度损失减小。TK-1对混凝土初凝时间影响较大，但对混凝土终凝时间影响较小，有利于混凝土蒸养工艺。
2.3另外我们还对不同配合比的混凝土试块进行了耐腐蚀试验研究
2.3另外我们还对不同配合比的混凝土试块进行了耐腐蚀试验研究
通过浓度为10%硫酸镁、10%氯化铵（满足附录2所列Ⅲ类环境强腐蚀条件）、污水、清水四种介质。采用长龄期的浸泡和干湿循环加速腐蚀试验观察试件的外观、强度变化、重量变化来评价其耐腐蚀性能。（试验方法包括长期浸泡试验和干湿循环试验）长龄期浸泡试验得出以下结论：空白混凝土在10%硫酸镁、10%氯化铵和污水中腐蚀系数基本小于0.90；当单掺磨细矿渣时，磨细矿渣掺加量为20%时，混凝土在三种腐蚀介质中的耐腐蚀系数均小于1，当掺量为30—60%时，三种腐蚀介质中混凝土的耐腐蚀系数均大于1；当单掺粉煤灰时，掺加20%和30%粉煤灰后在三种腐蚀介质中混凝土的耐腐蚀系数均小于1；当磨细矿渣和粉煤灰各15%混合掺加后在硫酸镁和氯化铵中混凝土的耐腐蚀系数均小于1，在污水中的腐蚀系数大于1，当20%粉煤灰和30%、40%矿渣混合掺加后在三种腐蚀介质中混凝土的耐腐蚀系数均大于1。从试件的外观来看，空白混凝土与单掺粉煤灰混凝土在10%氯化铵中浸泡1年后表面局部有腐蚀现象，单掺20%矿渣的混凝土也有被腐蚀的迹象，而矿渣掺量在30%以上的混凝土外观保持完好。可见在混凝土中无论是单掺或双掺，磨细矿渣至少要30%对改善混凝土的抗盐腐蚀性才有明显效果，并且随着磨细矿渣掺量的增加，作用更明显。
干湿循环加速腐蚀试验和长龄期的侵泡试验结果相吻合。
其中：
结论：
1、粉煤灰和矿粉的共同加入对混凝土的排水管的耐久性是十分有益的，但其掺入量要在合理的范围内才能使混凝土的耐久性达到最佳状态；
2、通过试验验证我们所配制的TK－1型耐腐蚀、高抗渗混凝土管片专用外加剂可以很好的满足混凝土设计要求；
3、混凝土排水管用原材宜采用C3A含量低，碱含量低的水泥；比表面积在430±20m2/kg的矿渣以及采用低水灰比；
4、利用圆环法对管片用混凝土收缩性能进行评估更能体现管片在实际工程中的收缩状态；利用电通量法更适合于对管片用混凝土的抗渗透性能的评估。
北京市市政工程研究院
北京港创瑞博混凝土有限公司
北京市瑞博水泥制品有限责任公司
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