复合荷载作用下混凝土抗硫酸盐侵蚀界面机理分析

殷雨时

摘 要：混凝土抗硫酸盐侵蚀在混凝土耐久性研究中一直是研究的重点，而混凝土在复合荷载作用下受硫酸盐物理侵蚀的研究还是不多见。本文从实验环节出发，通过不同龄期下混凝土的力学性质及微观形态描述，阐释在硫酸盐环境下受复合荷载的混凝土试件受物-化侵蚀的劣化机理，为混凝土抗侵措施做好相应措施。

关键词：复合荷载；硫酸盐；界面；结晶；机理

我省海岸线较长，相应沿海城市也较多。总所周知，近海城市的临海水（土）中含有大量的氯盐和硫酸盐，这两种离子会对混凝土带来不同机理的破坏。

首先氯盐会直接和水泥基材料中的钢筋作用，打坏钢筋的氧化物薄膜，使得钢筋和水泥基材料的粘聚力大大降低，使得钢筋混凝土不再是“钢筋混凝土”[ 1 ] [ 3 ]。

而硫酸盐侵蚀机理，根据相关学者研究结论，解释了与氯盐完全不同的侵蚀机理。表现在硫酸盐对混凝土建筑材料的化学侵蚀和物理侵蚀上。

其中关于化学侵蚀方面，相关学者通过实验、理论推导已经研究相对系统[ 4 ]；对于硫酸盐物理侵蚀，由于其实验周期相对较长，短则几个月，长则数十年，实验工程师无法有效开展数据跟踪，在这个领域，研究的还不很充分，尤其是复合荷载下多场耦合，相关研究结论罕为见到。

1 研究方法

1.1 原材料

实验采用的是符合EN197-1（2000）标准的硅酸盐水泥，粗骨料使用5～16mm的碎石作为粗骨料，选用1～4mm的河砂作为细骨料；实验中溶液采用的是w=9.02%的硫酸钠饱和溶液，加载方式采用的是复合式（轴压+侧弯）加载。浸泡方式为立式半裸露浸泡，实验周期为7个月。相应龄期取为3d，20d、60d、120d、180d、210d。

1.2 混凝土力学强度、SEM、XRD检测

对不同龄期的混凝土做抗压强度和抗折强度实验[ 2 ]，并在试件液面交界±30cm处，取2个高位小样，尺寸为1cm*1cm*1cm，做SEM、XRD检测。

120d龄期时，对混凝土强度进行检验。经检测换算成相应龄期150*150*150mm3混凝土的抗压强度为29.27MPa，抗折强度为9.2MPa，对2个高位处的小样做电镜SEM扫描，发现细裂缝很多，在XRD检测中发现了大量的硫酸根离子，说明侵蚀深度已经深入到混凝土内部，且表面浓度要高于内部浓度。

2 试验结果数据分析

取样的混凝土经抗压强度检测为29.27MPa，原设计强度为C40，按照设计标号来讲，强度降为原来73.18%，抗折强度降为原来88.77%。抗压强度损失较大，抗折强度减少不多。对2个高位处的成分进行检测，发现成分都是一样，但是浓度却不相同。

在液面位置处，硫酸根的含量是最低的，仅有1.35%。而在测试点两端达到的最高，分別是2.05%、1.98%。

硫酸根含量也有如下规律，在液面一下部分，越靠近液-空交界处，硫酸根含越低，在液面处达到了最低。

而裸露在自然界外面的部分，越远离液面处，硫酸根含量越高，这种递增趋势要强于前者的递减趋势。说明在液面以上部分，硫酸根的含量渗入已经不是浸泡式的离子扩散，而是毛细现象的物理作用。

通过SEM观测可以发现，2个点位处的裂缝宽度不同，总体反应是液面以下裂缝较少，液面交界处以上30cm处裂缝较多，说明在复合荷载作用下，液面交界处30cm的混凝土受到的侵蚀十分严重，这样的侵蚀机理不同于以往研究。

首先混凝土在立式浸泡下，混凝土由于内部孔隙结构，使得溶液内离子通过毛细孔渗入到混凝土内部，离子浓度差的作用下，混凝土表面出现硫酸钠晶体，晶体沿着混凝土表壁开始外延，这样的晶体并不会对混凝土产生较大损伤[ 3 ]。

而试件在复合荷载下的结构损伤，这种损伤具有加速性，且裂缝加速扩展。由于“尖角”效应，硫酸根离子容易在尖角聚合，浓度较高，进而物-化学侵蚀加速，结晶生长，涨裂混凝土。

3 结论

1）复合荷载作用下的混凝土试件在高浓度硫酸盐作用下，物-化作用带来的影响，使得混凝土损伤加剧，混凝土由于荷载受到的损伤远大于盐溶液带来的影响。

2）硫酸盐在液面下的侵蚀和液面上具有不同的机理，液面之下是离子的扩散作用，生成膨胀性物质导致水泥基材料强度下降，液面以上的部分由于物理侵蚀作用，硫酸根离子随着毛细孔上升至一定高度并盐结晶，结晶压力使得混凝土外壁脱落，露筋严重。

3）混凝土内部骨料和胶凝材料界面处的尖角和不平整位置，是结晶容易生成的区域，要合理控制界面生成条件，控制硫酸盐物理侵蚀。

参考文献：

[1] FAN Y， ZHANG S， LUAN H. Influence of nano-clay additionon porosity of cement paste at early age[C]//Proceedings of 2011 International Conference on Mechanical， Industrial， and Manufacturing Engineering（MIME2011）.Australia；LectureNotes； in Information Technology，2011.

[2] JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].

[3] 刘赞群，混凝土硫酸盐侵蚀基本机理.[D].博士学位论文，2009.05.

[4] 金雁南，周双喜.混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理[J].华东交通大学学报，2006，23（5）：4-8.