水玻璃耐酸混凝土性能及施工技术
赛化云技术总监 51防腐蚀论坛资深版主 张作华
水玻璃耐酸混凝土常用于浇筑整体地面结构，设备基础及构造物外层和内衬的重防腐工程，如冶金系统的各种储酸槽罐、焦化厂的饱和器、钢材冷加工厂酸洗槽、制酸厂的吸收塔衬里、170℃以下的硝酸浓缩塔衬里、造纸工业的蒸煮罐衬里、烟囱内衬、电解槽衬里及酸侵蚀地面，排水沟等的浇筑，是冶金、化工、石油、轻工等领域最广泛的耐酸材料。水玻璃耐酸混凝土材料来源充足，施工简单，价格低廉，既可以作为设备内衬也可以做整体结构材料，使用效果及经济效益比较显著；因此水玻璃耐酸混凝土在重防腐领域具有重要的开发和应用价值。
水玻璃耐酸混凝土在重防腐应用中的主要性能就是耐酸性，其耐浓酸能力比耐稀酸能力强。除了热磷酸、氢氟酸、高级脂肪酸外能够耐大多数无机酸、有机酸或者是酸性气体，对硫酸、盐酸还是硝酸都表现出优异的特点；水玻璃耐酸混凝土抗压强度>20Mpa，如果加入适当的外加剂后甚至达到25Mpa以上，而且早期强度高，1d强度可以达到28d强度的40%-50%，3d可以达到28d强度的75%-80%，但是28d后强度不会再增长；水玻璃耐酸混凝土具有较强的抗冲击性能，良好的耐热性能，当使用耐热性能好的骨料时，使用温度可达1000℃以上，因此水玻璃耐酸混凝土不仅可以广泛应用于常温的防腐蚀工程也可以用于耐热耐酸的工程。另外，水玻璃耐酸混凝土资源广泛，价格便宜，施工简单，常用的普通混凝土施工设备就可以满足重防腐施工要求。水玻璃耐酸混凝土在不限温度条件下可以耐40-80%的硝酸、85-95%的硫酸、<50%硫酸、<30%盐酸、<5%盐酸（渗透度大）、<10乙酸，在温度>300℃时不耐磷酸，在不限温度的条件下可以耐60%铬酸、90%甲酸、10%次氯酸、硼酸浓溶液，不耐氟硅酸、不耐氢氟酸、不耐氢氧化钠及其他碱性介质和酸性盐类物质。重防腐介质环境下可以根据水玻璃耐酸混凝土耐酸耐热性能进行选择，在一些承重要求条件下还必须考虑到其抗压能力。 水玻璃耐酸混凝土是由水玻璃、固化剂、耐酸粉料及粗、细骨料、外加剂配制而成。水玻璃在耐酸混凝土中模数为2.6-2.8，比重以1.38-1.4为宜，水玻璃的比重过大过小都会影响混凝土的强度、耐酸性、抗渗性和收缩性。当比重过小时，可以加热脱水调整，当比重过大时，可在常温下加温水调整，水玻璃模数过低，会延缓混凝土的硬化时间，耐酸性差；模数过大，会使混凝土硬化过快，如环境温度较高时更加显著，也增加了施工可操作的难度，需要提高水玻璃模数可在水玻璃中加入硅胶，降低模数可在水玻璃中加入氢氧化钠，也可以将两种不同模数的水玻璃混合，调整平衡模数。水玻璃耐酸混凝土固化剂为氟硅酸钠，其纯度>95%，含水率<1%，细度要求全部通过0.15㎜的筛，不得受潮结块。氟硅酸钠配比量为水玻璃的15%左右，使用量过大会导致耐酸度下降，当受潮结块时可以在60℃环境温度下脱水烘干，研细过筛。耐酸粉，主要有辉绿岩粉、石英粉、安山岩粉、瓷粉等，常用的为辉绿岩粉和石英粉（辉绿岩粉耐酸、耐碱、耐磨耐热比石英粉好，吸水性小）；但是辉绿岩粉价格比石英粉昂贵，施工中经常这两种粉料掺和使用。粗细骨料，水玻璃耐酸混凝土用细骨料常使用石英砂，要求耐酸率>95%，含水率<1%，含泥量<1%，筛孔尺寸5㎜、1.2㎜、0.3㎜、0.15㎜累计筛余分别为0%-10%、20%-55%、75%-95%、95%-100%；粗骨料主要有石英岩、玄武岩、花岗岩、安山岩及耐酸瓷块，要求耐酸率>94%，含水率<1%，不允许含泥和其他非耐酸夹层，吸水率<2%浸酸后安定性合格，筛孔尺寸20㎜、10㎜、5㎜；累计筛余分别为0%-5%、30%-60%、90%-100%。水玻璃耐酸混凝土外加剂，其主要作用就是增加密实性，提高抗酸渗透性能，要求溶于水或在强烈的搅拌下能够均匀分布于水玻璃中，而且不会使水玻璃凝聚、离析，有一定的耐蚀性能或者遇酸后聚合成固体，常用的为糠酮单体，纯度95%-99%，密度1.29-1.30，添加量为水玻璃用量的1%-5%（重量比）。水玻璃耐酸混凝土配置时，水玻璃用量根据坍落度要求确定，一般为250-300Kg/m3，氟硅酸钠用量宜为水玻璃重量的15%，粉料用量一般为450-550/m3，粗骨料细骨料粉料混合物用振动的方法使其密实至体积不变时的空隙率<22%，当使用机械捣实时，水玻璃耐酸混凝土坍落度不应大于1厘米；当人工捣实时不应大于2厘米。
水玻璃耐酸混凝土质量控制除了对配制材料质量控制外，还必须对施工技术要点进行把控以及后续的养护。浇筑水玻璃耐酸混凝土时，水泥垫层上面必须做隔离层，因为水玻璃材料不耐碱，施工时将细骨料、粉料、氟硅酸钠、粗骨料依次加入搅拌机干搅拌2分钟，再加入水玻璃、外加剂搅拌均匀，配制好的水玻璃混凝土不允许稠时加水玻璃，稀时加粉料，自加入水玻璃时算起30分钟内用完。水玻璃耐酸混凝土终凝时间长，模板支撑必须牢固，拼缝严密，表面平整，当沟、池、槽底板与立壁同时施工时应该设立封底模板，并且涂刷冷底子油或者机油，如果有钢筋及预埋件还需要除锈并且涂刷环氧树脂涂料，涂漆后可以撒一层耐酸粉，砂以加强握裹力。浇筑水玻璃耐酸混凝土应分层操作，应在初凝前振捣密实，每一层厚度<200㎜，使用平板振动器或者人工振捣器，每一次厚度<100㎜，振捣后及时将表面抹光。分层施工时上一层应该在下一层初凝前完成，超过初凝时间应按施工缝处理，施工缝应留斜搓，在继续浇筑前应将该处进行打磨处理并且清理干净，薄涂一层水玻璃稀胶泥，稍干后继续浇筑。根据施工经验，水玻璃混凝土拆模时间为10-15℃>5昼夜、16-20℃>3昼夜、21-30℃>2昼夜、31-35℃>1昼夜，拆完模板后如果有蜂窝、麻面、裂缝等缺陷，应该凿去缺陷部分，清理干净，薄涂一层水玻璃稀胶泥好，初凝后使用水玻璃耐酸混凝土砂浆进行修补。水玻璃胶泥及砂浆拌合一般以3Kg为宜，30分钟内用完，抹灰厚度平面<10㎜立面<5㎜，涂抹总厚度10-30㎜，施工时应该在初凝前按照同一个方向向边缘边抹平压实，不得来回涂抹，除了面层外其他各层均不抹光，各层应该结合牢固不得脱层空鼓。水玻璃耐酸混凝土、水玻璃耐酸胶泥及砂浆可以参考下表配比：
水玻璃耐酸混凝土施工完毕后，需要对其进行养护和表面酸化处理。不同的温度所需要的养护时间不一样，10-20℃>12昼夜、21-30℃>6昼夜、31-35℃>3昼夜。酸化处理主要目的就是提高水玻璃耐酸混凝土抗渗、抗酸和耐酸性能，使用的酸有硫酸40-60%、盐酸15-25%、40%硝酸其中的一种，涂刷>4次，每次间隔时间为8-10小时，每次处理前应清除表面析出的白色结晶物。水玻璃耐酸混凝土施工宜在15-30℃的干燥环境中进行，当环境温度低于15℃时，应进行保温措施，养护期间严禁暴晒，严禁与水接触或者采用蒸汽养护，严禁冲击振动。施工人员必须穿戴好防护工作服，戴好口罩及防护墨镜，防止氟硅酸钠及酸的危害，稀释浓硫酸或者其他耐酸时，严禁把水倒入浓酸内，应该把浓酸倒入水中。水玻璃耐酸混凝土在养护和使用过程中存在干缩变形现象，而且密实度较高的干缩变形较大，会导致混凝土出现不同程度的开裂，因此在配制水玻璃耐酸混凝土时，除了满足抗渗性和强度的前提下，没有必要追求混凝土的高度密实。具体的水玻璃耐酸混凝土施工要求可以参照GB 50212-2014《建筑防腐蚀工程施工规范》、GB50046-2008《工业建筑防腐设计规范》等标准执行。 水玻璃耐酸混凝土具有优良的耐酸性能；但是耐碱性能较差，不能够在碱性介质中使用。水玻璃耐酸混凝土耐水性能不如耐酸性能，长期浸泡在水中会造成水玻璃耐酸混凝土强度的下降，主要因素就是未参与反应的水玻璃及反应生成的氟化钠的溶出导致混凝土结构受到破坏。水玻璃耐酸混凝土孔隙大，密实性差是其最大的缺点，容易造成腐蚀介质的渗透，如果密实度过高也造成混凝土开裂（密实度矛盾），其固化剂氟硅酸钠有毒性，用量大成本高也是一项缺陷。针对以上水玻璃耐酸混凝土的缺点，科研人员在水玻璃耐酸混凝土中加入一些改性剂，提高了水玻璃耐酸混凝土的耐水性、抗渗性及耐碱性，用氟硅酸按代替氟硅酸钠可以减少使用量，降低成本，在物理性能及酸中的化学稳定性都可以媲美氟硅酸钠。
近年来，国外推出了不用水玻璃，只用水就可以硬化的粉状硅酸钠耐酸水泥，如日本的AR耐酸水泥，美国的HES耐酸水泥。这种耐酸水泥与水玻璃胶泥相比，具有以下几个优点：耐酸水泥中混有固化剂，开袋加水即可固化，施工十分方便；固化后无需酸处理；养护时间20℃以上可以缩短到1昼夜，10-20℃只需要2昼夜；耐温达到900℃优于水玻璃耐酸胶泥；施工温度低于5℃才需要采取保温措施，比水玻璃高于15℃低温操作性能要好。国内也有许多优秀的耐酸水泥不断出现，其在冶金、电力、化工、医药、造纸、食品、电镀、电解等领域中的地坪、设备基础、酸洗槽、酸储槽、吸收塔、烟囱、蒸煮罐等设备衬里大量应用，为我国国民经济的发展发挥了重要的作用。其突出的整体性、结构化、强度高、防腐防水一体化是一般高分子材料无法企及的，也为工程项目施工、维修、整改节约了大量时间，显示出强大的经济效益。
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