耐腐蝕、高抗?jié)B混凝土排水管及管片技術(shù)研究
2006-11-12 00:00
摘要：本文主要通過調(diào)查研究北京地區(qū)污水構(gòu)筑物耐久性問題，確定產(chǎn)生問題的原因，并針對問題提出相應(yīng)的解決方案，并進(jìn)一步對管片各項性能進(jìn)行研究，優(yōu)化管片混凝土配合比，從而提高混凝土排水管及管片的耐腐蝕、高抗?jié)B性能。
關(guān)鍵詞：耐腐蝕、高抗?jié)B、排水管、管片。
為了確定排水管及管片的耐久性問題產(chǎn)生的原因，我們首先對北京地區(qū)污水構(gòu)筑物耐久性問題（北京地區(qū)排水管道腐蝕破壞）進(jìn)行了調(diào)查。
80年代初在全國范圍內(nèi)進(jìn)行的水工構(gòu)筑物混凝土老化病害現(xiàn)狀調(diào)查，總結(jié)了我國水工構(gòu)筑物在耐久性方面存在的七類主要病害：（1）裂縫；（2）滲漏溶蝕；（3）凍融破壞；（4）沖磨和空蝕；（5）碳化和鋼筋銹蝕；（6）水質(zhì)侵蝕；（7）堿骨料反應(yīng)。對此七類病害從破壞形態(tài)上分類，又可直觀的歸結(jié)為混凝土開裂、滲漏、混凝土剝蝕破壞等三類。而排水管道與污水處理廠混凝土構(gòu)筑物所處環(huán)境畢竟不一樣。所以我們通過對污水處理廠混凝土構(gòu)筑物的現(xiàn)狀和存在問題進(jìn)行調(diào)查分析并考慮排水管道的實際工作環(huán)境，提出了排水管道混凝土的主要破壞模式：（1）滲漏破壞，包括變形縫和裂縫滲漏、混凝土抗?jié)B不足滲漏；（2）碳化和鋼筋銹蝕；（3）腐蝕破壞；（4）堿骨料反應(yīng)；（5）凍融破壞。
為了解決排水管片的耐久性問題，我們提出了部分技術(shù)措施：原材料的優(yōu)選、配合比優(yōu)化設(shè)計、排水管材生產(chǎn)養(yǎng)護(hù)工藝完善、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化等。
并按照以上措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先確定了用于北京地區(qū)的耐腐蝕、高抗?jié)B盾構(gòu)管片高性能混凝土的應(yīng)用指標(biāo)，應(yīng)滿足如下要求：（1）、水膠比不大于0.35，混凝土坍落度小于60mm，易于澆注和振搗；（2）、抗壓強(qiáng)度等級大于C50；（3）、為滿足12小時模具周轉(zhuǎn)，要求混凝土澆注后10小時達(dá)到脫模強(qiáng)度，約20Mpa。（4）、具有高抗?jié)B性；（5）、低堿集料反應(yīng)性。（6）、選用的膠凝材料應(yīng)滿足III類環(huán)境強(qiáng)腐蝕要求。然后通過各種不同調(diào)整方案達(dá)到預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)要求。
具體研究過程：
（一）試驗原材料的選擇應(yīng)注意的幾項指標(biāo)
1.1水泥
由于水泥中C3A含量對混凝土的耐腐蝕性能不利，需選擇C3A含量較低的水泥；由于水泥中堿含量的增加會導(dǎo)致混凝土的堿骨料反應(yīng)，而北京地區(qū)的砂石多為堿活性骨料，所以應(yīng)控制水泥中堿含量（低堿）。
1.2礦渣
首鋼淬取礦渣，三種不同比表面積礦渣進(jìn)行對比研究，主要包括比表面積為430 m2/kg、600 m2/kg、750m2/kg的磨細(xì)礦渣，推薦磨細(xì)礦渣比表面積在430±20m2/kg。
1.3外加劑
為了更好的應(yīng)用于混凝土中，并達(dá)到預(yù)期的效果，我們通過試驗對外加劑進(jìn)行了復(fù)配，配制了適用于耐腐蝕高抗?jié)B混凝土管片的專用外加劑，組要組分包括：減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、密實劑、保塌劑。另外在選擇上還要遵循低摻量、低堿、無氯原則。
（二）配合比的優(yōu)化設(shè)計
2．1摻合料對混凝土性能的影響
2．1．1摻合料對混凝土收縮性能的影響
1、從磨細(xì)礦渣對混凝土收縮的影響的試驗研究中我們得出結(jié)論：單獨使用磨細(xì)礦渣配制耐腐蝕、高抗?jié)B混凝土?xí)r，應(yīng)控制其比表面積不宜過大和摻量不宜過高，過大的比表面積會使混凝土管片開裂的時間提前，并增大裂縫寬度。推薦磨細(xì)礦渣比表面積在430±20m2/kg。
這里我們作了不同比表面積磨細(xì)礦渣、在混凝土中的不同摻量的配合比試驗研究，收縮試驗研究主要是通過圓環(huán)試驗，其試驗結(jié)果要比普通混凝土收縮試驗更符合實際應(yīng)用條件要求。
2、從粉煤灰對混凝土收縮的影響的試驗研究中我們得出結(jié)論：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的自由收縮率在減少，當(dāng)摻量大于30%后，減少收縮的效果就不太明顯。從圓環(huán)收縮開裂結(jié)果來看，摻加粉煤灰后混凝土的初裂時間明顯延長，開裂寬度明顯降低，當(dāng)摻量大于30%后，延長初裂時間和降低開裂寬度的效果也不再太明顯?？梢?，摻加粉煤灰可以明顯延長混凝土的初裂時間和減少混凝土的收縮。
3、從粉煤灰和礦渣復(fù)合摻入對混凝土收縮的影響的試驗研究中我們得出結(jié)論：從混凝土初裂及24小時后裂縫寬度結(jié)果來看，粉煤灰和礦渣復(fù)合摻加后與空白混凝土或單摻礦渣的混凝土相比，明顯延長混凝土的初裂并降低24小時后裂縫寬度。在粉煤灰同摻量情況下，雙摻混凝土的初裂時間和24小時后的裂縫寬度與單摻粉煤灰的混凝土基本一致。
2.1.2摻合料對混凝土強(qiáng)度的影響
1、由表1 我們可以看出，采用我們自己配制的外加劑時，和不使用粉煤灰的空白混凝土相比，單摻Ⅰ級粉煤灰混凝土單方用水量減少，混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有所提高，而且強(qiáng)度隨著摻加量的增加而增大。
2、和不摻礦渣的空白混凝土相比，單摻S95水淬礦渣混凝土單方用水量增加，混凝土早期強(qiáng)度降低明顯，而后期強(qiáng)度均超過空白混凝土，而且強(qiáng)度隨著摻加量的增加而增大。
3、粉煤灰和礦渣復(fù)合摻加后，混凝土的單方用水量變化不大，而混凝土早期和后期強(qiáng)度明顯增加很多。
2.1.3摻合料對混凝土抗?jié)B性能的影響
雙摻混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)比單摻或空白低一倍以上。隨著摻合料摻加量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨之減小。
這里采用清華大學(xué)開發(fā)研制的NEL氯離子擴(kuò)散系數(shù)法進(jìn)行抗?jié)B性能試驗。
表 1 混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度試驗及收縮試驗結(jié)果
|
編 號 |
SK-1 |
SK-2 |
SK-3 |
SK-4 |
SK-5 |
SK-6 |
SK-7 |
SK-8 |
SK-9 |
SK-10 | |
|
礦渣，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℃蒸養(yǎng)12小時，Mpa |
31.5 |
28.4 |
26.5 |
24.5 |
24.3 |
32.5 |
30.2 |
29.1 |
30.8 |
28.5 | |
|
蒸養(yǎng)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 | |
|
圓環(huán)
結(jié)果 |
初裂時間（d） |
12 |
12 |
12 |
12 |
11.5 |
17 |
18 |
16 |
17 |
17.5 |
|
初裂24h后裂縫寬度（mm） |
0.045 |
0.042 |
0.044 |
0.045 |
0.048 |
0.032 |
0.025 |
0.035 |
0.03 |
0.032 | |
2.2外加劑對混凝土性能的影響
這里我們利用自配的專用外加劑試驗結(jié)果為：隨著TK-1摻量的增加，混凝土凝結(jié)時間延長，坍落度損失減小。TK-1對混凝土初凝時間影響較大，但對混凝土終凝時間影響較小，有利于混凝土蒸養(yǎng)工藝。
2.3另外我們還對不同配合比的混凝土試塊進(jìn)行了耐腐蝕試驗研究
2.3另外我們還對不同配合比的混凝土試塊進(jìn)行了耐腐蝕試驗研究
通過濃度為10%硫酸鎂、10%氯化銨（滿足附錄2所列Ⅲ類環(huán)境強(qiáng)腐蝕條件）、污水、清水四種介質(zhì)。采用長齡期的浸泡和干濕循環(huán)加速腐蝕試驗觀察試件的外觀、強(qiáng)度變化、重量變化來評價其耐腐蝕性能。（試驗方法包括長期浸泡試驗和干濕循環(huán)試驗）長齡期浸泡試驗得出以下結(jié)論：空白混凝土在10%硫酸鎂、10%氯化銨和污水中腐蝕系數(shù)基本小于0.90；當(dāng)單摻磨細(xì)礦渣時，磨細(xì)礦渣摻加量為20%時，混凝土在三種腐蝕介質(zhì)中的耐腐蝕系數(shù)均小于1，當(dāng)摻量為30—60%時，三種腐蝕介質(zhì)中混凝土的耐腐蝕系數(shù)均大于1；當(dāng)單摻粉煤灰時，摻加20%和30%粉煤灰后在三種腐蝕介質(zhì)中混凝土的耐腐蝕系數(shù)均小于1；當(dāng)磨細(xì)礦渣和粉煤灰各15%混合摻加后在硫酸鎂和氯化銨中混凝土的耐腐蝕系數(shù)均小于1，在污水中的腐蝕系數(shù)大于1，當(dāng)20%粉煤灰和30%、40%礦渣混合摻加后在三種腐蝕介質(zhì)中混凝土的耐腐蝕系數(shù)均大于1。從試件的外觀來看，空白混凝土與單摻粉煤灰混凝土在10%氯化銨中浸泡1年后表面局部有腐蝕現(xiàn)象，單摻20%礦渣的混凝土也有被腐蝕的跡象，而礦渣摻量在30%以上的混凝土外觀保持完好。可見在混凝土中無論是單摻或雙摻，磨細(xì)礦渣至少要30%對改善混凝土的抗鹽腐蝕性才有明顯效果，并且隨著磨細(xì)礦渣摻量的增加，作用更明顯。
干濕循環(huán)加速腐蝕試驗和長齡期的侵泡試驗結(jié)果相吻合。
其中：
結(jié)論：
1、粉煤灰和礦粉的共同加入對混凝土的排水管的耐久性是十分有益的，但其摻入量要在合理的范圍內(nèi)才能使混凝土的耐久性達(dá)到最佳狀態(tài)；
2、通過試驗驗證我們所配制的TK－1型耐腐蝕、高抗?jié)B混凝土管片專用外加劑可以很好的滿足混凝土設(shè)計要求；
3、混凝土排水管用原材宜采用C3A含量低，堿含量低的水泥；比表面積在430±20m2/kg的礦渣以及采用低水灰比；
4、利用圓環(huán)法對管片用混凝土收縮性能進(jìn)行評估更能體現(xiàn)管片在實際工程中的收縮狀態(tài)；利用電通量法更適合于對管片用混凝土的抗?jié)B透性能的評估。
北京市市政工程研究院
北京港創(chuàng)瑞博混凝土有限公司
北京市瑞博水泥制品有限責(zé)任公司
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