硫酸盐腐蚀对混凝土强度的影响研究

杨冬鹏

(1. 东北大学，沈阳110004;2. 辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳110006)

我国正在进行大规模的混凝土工程建设中，对混凝土的安全性能和使用性能提出更高的要求。然而随着混凝土结构使用环境的日益恶化，环境因素中温度、湿度、水位变化和酸碱盐等腐蚀介质的侵蚀，导致混凝土工程过早地出现老化危害问题，已逐渐引起土木工程界的普遍关注［1］。硫酸盐通过地下水和空气扩散到混凝土中，导致混凝土材料发生损伤、开裂。混凝土损伤后，抗压强度会降低，严重影响混凝土的耐久性。因此如何预防和减轻硫酸盐对混凝土的腐蚀破坏、提高混凝土的使用寿命将具有十分重要的意义。本文在试验的基础研究了腐蚀液的浓度、养护时间对混凝土抗压强度影响。

1 试样的制备

参照SL352—2006《水工混凝土试验规程》，共制作试样40 组，尺寸为150 mm ×150 mm ×150 mm，其中混凝土材料用量见表1。

表1 混凝土试件材料用量表

2 腐蚀方法

采用实验室加速腐蚀的试验方法，配制质量浓度分别为0%，5%，10%，15%的A、B、C、D 共4 组硫酸钠溶液，将制备好的试样在标准养护条件下养护7 d后，浸泡在配制好的溶液中，不同浓度硫酸钠溶液中浸泡10 组试样，之后放置在标准养护室中进行养护。

3 试验方法

加载试验在辽宁省水利水电勘测设计研究院的电液伺服压力机上进行的，加载速率为0.5 MPa/s。

4 实验结果

分别将在4 种不同浓度的硫酸钠溶液中养护的试样，在腐蚀0 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、240 d、270 d 后进行单轴抗压试验，结果如表2。

表2 不同浓度的硫酸钠溶液腐蚀的试样在不同腐蚀时间的抗压强度

5 结果分析

5.1 混凝土单轴抗压强度与养护时间以及硫酸盐浓度的关系

不同浓度硫酸钠溶液腐蚀的混凝土强度与龄期的关系如图1，在硫酸钠浓度为0 的溶液中养护的混凝土强度随时间的推移，强度逐渐增加，在0 ～50 d内强度迅速增长，50 ～150 d内，混凝土强度增长缓慢，150 d以后混凝土强度又开始快速增长［2］。

图1 在4 组不同浓度硫酸盐溶液中腐蚀的混凝土强度与腐蚀时间的关系图

从图1 中可以发现，混凝土试样的抗压强度随时间的变化趋势分为3个阶段，在硫酸钠浓度为0的溶液中腐蚀的试样，随着养护时间的增加，抗压强度呈增加趋势，在第一阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而快速增长;在第二阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而缓慢增长;在第三阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而基本保持不变。在浓度为5%、10%、15%硫酸钠溶液中腐蚀的混凝土试样的抗压强度与时间的关系为:在第一阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而快速增长;在第二阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而缓慢增长;在第三阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而逐渐减低。

在第一阶段内，4 组溶液中腐蚀的混凝土试样强度均随时间增加而快速增长，这是因为水泥发生水化发生反应，强度增加，还可以发现混凝土试样强度与硫酸钠溶液浓度成正比，这是因为硫酸盐腐蚀产物石膏和钙矾石会填充混凝土的缝隙使得混凝土更加密实，强度增加。硫酸盐浓度越高，腐蚀混凝土的缝隙中充填的产物越多，强度越高。

在第二阶段内，混凝土试样的抗压强度随时间增加而缓慢增长，一方面水泥水化反应继续进行，增加混凝土的强度，这是强度增加的有利因素;另一方面随着腐蚀的不断进行，混凝土中生成的腐蚀产物体积开始膨胀，造成的晶体压力超过混凝土的抗拉强度使之开裂，这会降低混凝土的强度，这是强度增加的不利因素。在这个阶段中，强度增加的有利因素要强于不利因素，因此强度随时间缓慢增加，但是有利因素逐渐减弱，不利因素逐渐增强。硫酸盐的浓度越低，第二阶段维持的时间越长，相反，硫酸盐的浓度越高，混凝土的最大强度越大。

在第三阶段内，混凝土强度增加的不利因素要强于有利因素，混凝土的强度随时间增加而降低。硫酸盐浓度越高，产生的腐蚀产物越多，由膨胀而产生的开裂也就越多，因此强度降低的也就越多。

5.2 强度与应变关系

图2 给出了混凝土在硫酸盐浓度为15%溶液腐蚀的不同时期的应力－应变曲线，3 条曲线分别腐蚀0、90、270 d，分别代表腐蚀前期、中期、后期的典型应力－应变关系。可以发现，随着腐蚀时间的增加，混凝土的弹性模量先增加后减小，峰值应变先减小后增加，这与强度变化关系一致，所以说适当浓度的硫酸盐腐蚀，可以增加混凝土的前期腐蚀。

图2 混凝土在不同腐蚀时间的应力～应变曲线

6 结 论

综上所述，得到以下结论:①在硫酸盐对混凝土的腐蚀前期，由于腐蚀产物，会增加混凝土的强度，硫酸盐浓度越高增加效果越明显;②在硫酸盐对混凝土的腐蚀中期，混凝土强度随时间增加而缓慢增加，硫酸盐浓度越低，增加时间越长，但混凝土的最高强度越低;③在硫酸盐对混凝土的腐蚀后期，混凝土强度随时间增加而迅速降低，硫酸盐浓度越高，混凝土强度越低越明显;④适当浓度的硫酸盐环境，有利于提高混凝土的力学性能。

［1］马孝轩. 我国主要土壤对混凝土材料腐蚀性分类［J］. 混凝土与水泥制品，2003，6(12):6 －7.

［2］卢木. 混凝土耐久性研究现状和研究方向［J］. 工业建筑，1997，27(05):1 －6.