某工程混凝土芯样的硫酸盐侵蚀模拟试验研究

2018-09-22邢志水金琼贾文利平若霏

江苏建材 2018年4期

邢志水，金琼，贾文利，平若霏

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.中国农业银行客户服务中心，天津 300000）

0 引言

混凝土硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要原因，在世界很多国家都存在硫酸盐侵蚀破坏的工程，我国西部某工程就是其中一例。该工程地下水质化学类型为硫酸钠或硫酸钾、氯化钠或氯化钾水，廊道内水质化学类型为硫酸钾或硫酸钠水。通过对该工程灌浆廊道内部进行调查，钻芯取样，并进行实验室模拟试验，揭示出造成混凝土硫酸盐侵蚀破坏的原因。

1 现场调研

灌浆廊道横向贯通整个坝体，宽约3 m，两端设立进出口，廊道两侧修建排水沟，沟边设置水压表和引流管，渗漏水经由引流管流入排水沟，低水位侧整条排水沟内都有水汇入，而高水位侧排水沟从末端台阶开始有水汇入。

灌浆廊道排水沟两侧壁侵蚀破坏较严重，局部多处开裂、表面剥落，表面析出大量白色结晶盐（图 1）。

图1 灌浆廊道排水沟侧壁破坏及表面结晶盐

2 现场取样

在勘察灌浆廊道混凝土侵蚀破坏过程中，分别在灌浆廊道入口排水管、中部排水管及末端排水管等三处收集了水样，并在灌浆廊道末端底板钻取了混凝土芯样，混凝土芯样直径为50 mm。

3 环境水分析

依据SL352-2006《水工混凝土试验规程》对灌浆廊道排水管内收集的渗漏水的化学分析，结果见表1。

根据GB50287-2008《水利水电工程地质勘察规范》，渗漏水中SO42-离子含量为1 213.7～3 217.6 mg/L，大于500 mg/L，属于硫酸盐型强腐蚀水，显弱碱性。水样pH测试温度为（16±2）℃。

4 混凝土芯样养护与分析

表1 灌浆廊道渗漏水化学组成和侵蚀等级

4.1 芯样养护方式

将现场钻取的混凝土芯样进行切割，长度约为100 mm，分别放入鼓风干燥试验箱，50℃条件下烘干48 h，取出后，放置至室温，然后采用半浸泡方式，将芯样放置在浓度为3 500 mg/L的Na2SO4溶液中养护。养护芯样时，选用悬吊方式，将其上半部分暴露在空气中，下半部分浸泡在溶液中，并避免芯样底端接触容器底板。每15 d更换一次溶液，维持溶液浓度相对稳定，并避免触碰芯样。观察并记录混凝土芯样外观变化情况，养护时间为1年。

4.2 混凝土芯样外观破坏

图2为半浸泡混凝土芯样外观破坏情况。根据相对于液面的位置关系，可将混凝土芯样分成上部（始终水面以上）、水位变动区和下部（始终水面以下）三个部分。下部结构完好，破坏主要集中在水位变动区和上部，水位变动区表面剥落，骨料与基体粘结力降低，松动，上部开裂。

图2 半浸泡混凝土芯样破坏情况

4.3 混凝土硫酸盐侵蚀产物矿物组成

图3为半浸泡混凝土芯样砂浆粉末XRD图谱。半浸泡混凝土芯样的上部、水位变动区和底部都含有钙矾石和石膏等硫酸盐侵蚀产物，底部和水位变动区还析出了芒硝结晶盐。

4.4 混凝土硫酸盐侵蚀产物分布、形貌和元素组成

图4为混凝土试件水位变动区硫酸盐侵蚀产物BSEM/EDS图。混凝土试件水位变动区内部已被严重腐蚀，生成大量的腐蚀产物，造成浆体结构疏松和裂纹产生。腐蚀产物主要元素为Ca、Al和S，还含有少量的C和Si，可能是钙矾石和石膏。

图3 半浸泡混凝土芯样砂浆粉末XRD图谱

图4 混凝土试件水位变动区硫酸盐侵蚀产物BSEM/EDS图

5 讨论

混凝土微结构表现为多相、非均质和多孔，并在服役期间随环境、气候和荷载作用发生变化。环境水溶液接触混凝土表面时，会在毛细孔压力、水压力和浓度梯度等作用下，渗透扩散进入混凝土内部。界面过渡区是混凝土内部的薄弱环节，是离子逐渐传输的通道。钙矾石是混凝土硫酸侵蚀引起膨胀破坏的主要因素。该工程灌浆廊道渗漏水是硫酸盐型强腐蚀水，在半浸泡情况下，SO42-通过混凝土裂纹、界面过渡区等薄弱环节渗透到混凝土内部，生成大量的钙矾石和石膏等腐蚀产物，并析出了芒硝结晶盐，这些膨胀型侵蚀产物的生成会造成裂纹扩展，降低混凝土结构的抗渗性能，促使侵蚀溶液进一步向混凝土基体内部渗透扩散，最终在膨胀应力作用下造成水位变化区及其以上部位混凝土开裂、表面剥落等破坏现象。