环境水的参与是混凝土介质受到化学侵蚀的必要条件,即具有化学反应的各种侵蚀性物质均以水为载体,传入混凝土体内,并通过液相与水泥水化产物产生化学反应,而使混凝土的耐久性受到损害。一定条件下,产生何种化学反应侵蚀主要取决于具体的环境水质特征,但混凝土体中水泥水化产物(如Ca(OH)2等)的被溶出(或析出)方式则主要取决于混凝土体内的孔隙分布特征。
对于优质富水泥混凝土体,内部具有连通性的毛细管很少而以相对孤立的微小孔隙为主。对于此类混凝土结构,其中水泥水化产物的溶出以扩散方式进行,扩散动力为内、外浓度差。即在浓度差作用下,混凝土液相中的Ca2+、OH-等组分向外扩散,首先使毛细管壁固相游离石灰溶解,以保持液—固相间的平衡;而当毛细管壁固相游离石灰被消耗完时,水化产物覆盖下的游离石灰开始溶解,并通过水化产物向管中液相扩散。
对于承受水压的大坝坝体若为劣质贫水泥混凝土,通常反映为其岩芯采取率低,而RQD 值更低,因而其密实性较差。对于此类混凝土结构,一般具有一定的渗透性,尤其是在某些薄弱部位如碾压混凝土坝的施工层面部位、具有一定贯穿性的坝体裂缝部位等,水泥水化产物的溶出以渗漏方式进行。环境水将通过这样的结构薄弱部位向无压一侧渗出。在此过程中,渗滤水首先将施工层面或裂缝壁的固相游离石灰溶解而渗出,层面或裂缝壁游离石灰将直接被溶解,随后位于层面或裂缝壁周围被水化产物所覆盖的游离石灰将开始溶解,并通过水化产物覆盖层向层面或裂缝中的液相扩散。如石灰扩散系数小于渗透系数,渗滤水中的石灰浓度将不会趋于饱和,以致上述层面或裂缝壁的水化产物将局部被分解,使孔径粗化、孔隙率增加,从而使石灰的扩散系数和周围介质的渗透系数进一步增大,渗漏现象加剧。随后,渗漏水的石灰浓度越来越低,水化产物的溶解将由局部向周围发展,并导致混凝土强度开始出现下降。
显然,上述中由渗漏方式使混凝土中水泥水化产物的溶出所造成的对于混凝土耐久性的影响远大于由扩散方式造成的影响。可见,如何改善大坝混凝土体的密实度是提高坝体材料抗渗性的一个重要途径;而抗渗性的提高无疑有助于提高坝体材料的抗侵蚀性。
提高坝体材料抗侵蚀性的另一项重要的内容,就是如何改变材料本身的性能以及改变不同材料的配合比等。就前者而言,可针对拟建大坝环境水潜在的侵蚀性,选用具有抗此类侵蚀性的水泥材料,如抗酸性侵蚀性硅酸盐水泥或抗硫酸盐侵蚀性的硅酸盐水泥等,但选用此类特殊材料的成本比较高。因此,通过改变不同材料的配合比来提高大坝坝体结构的抗侵蚀性,其经济意义不言而喻。
在水泥熟料的矿物组成中,选择其水化产物不含或少含易受侵蚀的成分是提高混凝土耐蚀性的关键。目前,在国内外,研究最多、使用最普遍的仍是硅酸盐系列的水泥。如果将硅酸盐水泥熟料的矿物组成进行优化,即减少C3S和C3A的含量,相应增加C2S和C3AF的含量,类似于抗硫酸盐水泥熟料的矿物组成。在国标GB748—92中,将抗硫酸盐水泥熟料的矿物含量严格限制在C3S<50%,C3A<5%,C4AF<22%;用于严重腐蚀环境(如黄河中、上游“红层”坝址区)中的高抗硫酸盐水泥,其熟料矿物组成C3A<2.0%,C3S<35.0%。(www.daowen.com)
尽量减少熟料的掺量,合理地单掺或双掺矿物外加剂,也是提高混凝土抗侵蚀性的有效途径之一。通过这样少掺熟料、多掺矿物外加剂,达到对熟料含量进行“稀释”的目的,即使用低钙水泥,可使水化产物中生成含量较少的Ca(OH)2和水化铝酸钙,从而减轻其受侵蚀程度。
在旨在提高抗侵蚀性的混凝土的配合比设计中,应遵循高密实性原则。为此,应选用较低水灰比(<0.35)、一定标号(≥52.5MPa)的水泥、碱度低且与水泥间具有较好相容性的高效减水剂等。这样,可有效提高混凝土的密实度,亦有利于混凝土的抗冻性及抗渗性等。
碾压混凝土坝及其筑坝技术是20世纪80年代以来开始流行的,它兼有混凝土坝和堆石坝的优点,在施工上几乎采用全断面成层连续上升的铺筑技术而大大地缩短了施工周期。另外,此类坝在筑坝的材料及其配合比等方面不同于常态混凝土,因而亦有着不同于常态混凝土的抗化学侵蚀性能。就此类坝的材料组成而言,包括了水泥、粉煤灰(亦称掺和料)、水、砂、石子及外加剂等。粉煤灰的掺入大大减少了单位体积中的水泥用量,因而也减少了单位体积中水泥水化产物的量。粉煤灰的主要化学成分及其含量百分比不同于水泥,一般为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO及MgO 等,其中以SiO2和Al2O3的含量最大,两者之和接近80%。粉煤灰的活性主要取决于所含的活性SiO2和活性Al2O3的含量,因为这两种组分能分别与普通硅酸盐水泥熟料水化释放的游离石灰发生反应,生成硅酸钙凝胶及铝酸钙晶体。此为火山灰水化反应,其反应式为
由于水泥水化释放的游离石灰被火山灰所吸收,液相的碱度将因此而下降,与液相相平衡的硅酸钙晶体的碱度也相应下降。如式(8.5.2)所示,部分游离石灰可转变为胶凝物质,由此提高了水泥抗化学反应侵蚀的能力。此为粉煤灰的活性效应,由于粉煤灰中的含钙量较低,故其活性效应主要为火山灰效应。此外,粉煤灰还具有的形态效应和微集料效应也有利于提高掺有粉煤灰的混凝土材料的抗化学反应侵蚀的能力。所谓形态效应指掺入混凝土中的粉煤灰由于具有特殊的颗粒形态和级配使混凝土拌和物的性能和混凝土的初始结构得以改善,而粉煤灰的微集料效应则指粉煤灰颗粒在水泥浆中发挥细而分散的微集料的物理化学作用。这种具有填充性的微集料作用可减少水泥浆体中的含气量,同时又能降低混凝土的泌水性,使孔隙细化、水泥浆体更致密。
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