复合防腐剂掺量与井壁混凝土力学性能的关系研究

李智飞，李 斌，欧阳广钱，韦宝宁，高利利

（陕西能源赵石畔煤电有限公司，陕西 榆林 719199）

在井筒施工过程中，常受地下水的侵蚀危害，我国地下水中具有腐蚀性的盐害离子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-等，这些盐害离子随着高矿化度渗流水沿着混凝土表面的裂缝渗透到混凝土内部，通过化学反应对井壁混凝土产生各种腐蚀损伤，使其耐久性和强度大大下降。目前，对硫酸盐腐蚀地区的矿井井壁混凝土侵蚀机理和防腐蚀措施研究尚未成熟，需要进一步探究其机理，以保证井筒的长期稳定性。陕北榆横矿区赵石畔矿井地下水硫酸盐含量较高，对于复合防腐剂掺量对井壁混凝土防腐蚀性能尚未明确，因此，本文研究复合防腐剂掺量与井壁混凝土力学性能及破坏特征的关系，为井筒混凝土防腐蚀设计奠定基础。

赵石畔矿井地下水可划分为6个含水层，主要腐蚀性含水层均集中在侏罗系各含水岩组，具体主要包括侏罗系中统安定组碎屑岩类裂隙承压水、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙承压水、侏罗系中统延安组碎屑岩类裂隙承压水。其中，安定组砂岩段裂隙承压水、延安组砂岩裂隙承压水和直罗组砂岩段裂隙承压水的水化学类型分别为SO4-Na、SO4-Na和SO4-Na·Mg。安定组砂岩段裂隙承压水、直罗组砂岩段裂隙承压水和延安组砂岩裂隙承压水的矿化度分别为9192、8110、5618.27-9485.45 mg/L。可以看出，赵石畔井筒穿过的含水层矿化度较高，局部接近10 000 mg/L。所以，为保证赵石畔井筒混凝土的长期稳定性，必须进行井壁混凝土的防腐蚀研究，探究防腐剂掺量与高性能混凝土防腐蚀性能的关系，以设计不同标号井壁混凝土的防腐剂掺量。

根据硫酸盐对混凝土的侵蚀机理可知，外部环境的侵蚀介质-硫酸盐是以环境水为载体，通过混凝土水泥石和界面过渡区内的开口孔隙与微裂缝侵入两个微结构内部，与Ca（OH）2、CAH发生化学反应，生成结晶膨胀侵蚀产物CaSO4·2H2O和钙矾石Aft，使水泥石结构胀裂破坏，水泥石的破坏又导致混凝土破坏。因此，硫酸盐对井壁混凝土侵蚀的微结构变化是侵蚀破坏的根本，宏观破坏现象是侵蚀的表现，通过不同复合防腐剂掺量条件下井壁混凝土试块的力学性能和宏观破坏特征能够评价防腐蚀混凝土的抗侵蚀效果。

主要采用原材料：砂子、石子、水泥等均为工程现场原材料，水泥分为42.5号普通硅酸盐水泥和52.5号普通硅酸盐水泥，C50混凝土用42.5号水泥，C60、C70混凝土用52.5号水泥，外加剂为FZ系列复合防腐剂。

井筒穿过腐蚀性含水层段混凝土主要为C50、C60、C70。根据C50、C60、C70混凝土配合比（见表1）进行设计，对配制的C50、C60、C70混凝土分别掺入0%、10%、15%FZ系列高耐久性混凝土复合防腐剂配制成高性能混凝土，未掺加复合防腐剂的混凝土通过减水剂替代，高性能混凝土的试件在5%硫酸钠溶液中干湿循环侵蚀15、30、45次后，进行抗压强度试验。C50、C60、C70井壁混凝土防腐蚀试验安排见表2。

干湿循环试验方法：①试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，所用浸泡溶液为5%（质量分数）硫酸钠溶液，参照国标GB/T 50082-2009设计实验；
②先将试件置于80±5℃下干燥48 h，后进行干湿循环。将试件浸泡于溶液中，进行干湿循环。试件浸泡、放出溶液、排出溶液的总时间为16 h，试件烘干温度为80±5℃；
烘干时间为6 h，冷却时间为2 h，烘干和冷却时间共8 h，一个干湿循环为24±2 h；
③除必要支撑面外，试件之间、试件与容器壁间留出一定空隙，使得试件充分浸泡；
④每组试件3块，重复试验进行3遍。

4.1 C50井壁防腐蚀混凝土力学性能分析

不同复合防腐剂掺量C50井壁混凝土在干湿循环15、30、45次条件下的抗压强度如图1所示。

表1 C50、C60、C70井壁混凝土配合比

表2 C50、C60、C70井壁混凝土防腐蚀试验安排表

图1 复合防腐剂掺量与C50井壁混凝土抗压强度关系

由图1可以看出，干湿循环15次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%的C50混凝土抗压强度分别为45.16、52.68、66.08 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C50井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高16.65%和46.32%。干湿循环30次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%混凝土抗压强度分别为36.47、42.55、55.09 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C50井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高16.67%和51.06%。干湿循环45次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%混凝土抗压强度分别为32.06、41.5、47.26 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C50井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高29.44%和47.41%。在相同干湿循环次数条件下，随着复合防腐剂掺量增大，C50井壁混凝土抗压强度逐渐增大，说明复合防腐剂具有良好的抵抗硫酸盐侵蚀的效果。随着干湿循环次数增大，C50井壁混凝土抗压强度出现明显地下降，说明硫酸盐腐蚀周期越长，对混凝土的力学性能损伤越严重。

4.2 C60井壁防腐蚀混凝土力学性能分析

不同复合防腐剂掺量C60井壁混凝土在干湿循环15、30、45次条件下的抗压强度如图2所示。

图2 复合防腐剂掺量与C60井壁混凝土抗压强度关系

由图2可以看出，干湿循环15次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%的C60混凝土抗压强度分别为46.34、62.72、69.80 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C60井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高35.35%和50.63%。干湿循环30次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%混凝土抗压强度分别为44.41、61.73、62.77 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C60井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高39%和41.34%。干湿循环45次时，复合防腐剂掺量0%、10%、15%混凝土抗压强度分别为41.17、59.86、60.62 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C60井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高45.4%和47.24%。在相同干湿循环次数条件下，随着复合防腐剂掺量增大，C60井壁混凝土抗压强度逐渐增大，说明复合防腐剂具有良好的抵抗硫酸盐侵蚀的效果。随着在硫酸盐溶液中干湿循环的次数增大，C60井壁混凝土抗压强度出现明显地下降，说明硫酸盐腐蚀周期越长，对C60井壁混凝土的力学性能降低幅度越大。

4.3 C70井壁防腐蚀混凝土力学性能分析

不同复合防腐剂掺量C70井壁混凝土在干湿循环15次、30次、45次条件下的抗压强度如图3所示。

由图3可以看出，干湿循环15次时，复合防腐剂掺量0、10%、15%的C70混凝土抗压强度分别为58.84 MPa、71.41 MPa、76.74 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C70井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高21.36%和30.42%。干湿循环30次时，复合防腐剂掺量0、10%、15%混凝土抗压强度分别为56.64、69.35、72.96 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C70井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高22.44%和28.81%。干湿循环45次时，复合防腐剂掺量0、10%、15%混凝土抗压强度分别为49.99、64.90、69.96 MPa。对比可以看出，10%和15%复合防腐剂掺量的C70井壁混凝土抗压强度比未掺复合防腐剂的抗压强度分别高29.83%和39.95%。在相同干湿循环次数条件下，随着复合防腐剂掺量增大，C70井壁混凝土抗压强度逐渐增大，防腐剂掺量由10%增至15%时混凝土抗压强度提高幅度明显小于防腐剂掺量由0%增至10%时，说明复合防腐剂具有良好的抵抗硫酸盐侵蚀的效果，但其增长幅度呈下降趋势。随着干湿循环次数增大，C70井壁混凝土抗压强度出现明显地下降，说明硫酸盐腐蚀周期越长，对混凝土的力学性能损伤越严重。

图3 复合防腐剂掺量与C70井壁混凝土抗压强度关系

4.4 不同防腐蚀掺量井壁混凝土宏观破坏特征

以C50、C60、C70井壁混凝土干湿循环30次为例，分析复合防腐剂掺量0%、10%、15%混凝土压缩试验的宏观破坏形态，如图4-6所示。

图4 复合防腐剂掺量与C50井壁混凝土宏观破坏形态

图5 复合防腐剂掺量与C60井壁混凝土宏观破坏形态

图6 复合防腐剂掺量与C70井壁混凝土宏观破坏形态

由图4-6可以看出，C50、C60、C70井壁混凝土试块的破坏形态与复合防腐剂掺量存在一定的关系。对C50井壁混凝土试块而言，未掺复合防腐剂时试块呈崩解破坏，特别试块下部出现明显的破碎，10%和15%复合防腐剂掺量时试块出现明显的劈裂破坏痕迹，且15%复合防腐剂掺量时试块的劈裂破坏痕迹更明显。对C60井壁混凝土试块而言，未掺复合防腐剂时试块表现为整体破碎，10%复合防腐剂掺量时试块劈裂破坏形态明显，局部伴随着崩解破坏，15%复合防腐剂掺量时试块的劈裂破坏痕迹更明显，表现为倾斜的完整裂缝。对C70井壁混凝土试块而言，未掺复合防腐剂和10%和15%复合防腐剂掺量时试块均整体表现为破裂破坏，但是10%和15%复合防腐剂掺量时试块破坏形态更规整，破裂破坏形态更明显。综合而言，随着复合防腐剂掺量增大，C50、C60、C70井壁混凝土试块破坏形态由崩解破坏向劈裂破坏过渡。

在相同干湿循环次数条件下，随着复合防腐剂掺量增大，井壁混凝土抗压强度逐渐增大，增长速率呈减慢趋势，表明复合防腐剂具有良好的抵抗硫酸盐侵蚀的效果。随着干湿循环次数增大，井壁混凝土抗压强度出现明显地下降，说明硫酸盐腐蚀周期越长，对混凝土的力学性能损伤越严重。随着复合防腐剂掺量增大，井壁混凝土试块破坏形态由崩解破坏向劈裂破坏过渡。

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