硫酸盐侵蚀对混凝土强度的影响分析

2021-01-06程洁

河南建材 2021年7期

程洁

宁夏公路桥梁建设有限公司（750000）

我国不断扩大混凝土工程的建设规模，因此也不断提高了对于混凝土安全性能和使用性能的要求。当前混凝土结构使用环境逐渐恶化，环境中的酸碱盐会侵蚀混凝土，导致混凝土工程发生老化问题，需要引起业界注意。硫酸盐主要是借助地下水和空气侵蚀混凝土，引发混凝土开裂等损伤。混凝土发生损伤之后，其抗压强度将会降低，从而导致其耐久性受到影响，因此需要预防硫酸盐对于混凝土的侵蚀，有效提高混凝土的使用寿命。

1 研究背景

混凝土结构具有良好的安全性，工程量小、施工便利、工期短，因此在当前很多工程中选择使用混凝土材料。但是在使用过程中，混凝土材料在各种化学腐蚀的影响下，强度降低、力学性能退化，从而造成较大的经济损失，导致人身财产安全受到严重影响。化学腐蚀主要是硫酸盐侵蚀，其影响混凝土材料的力学性能，因此需要分析各类因素对混凝土力学性能的影响。

近些年很多专家致力于研究硫酸盐侵蚀对于混凝土强度的影响。如研究混凝土在硫酸根离子作用下的损伤变化，绘制出混凝土抗压强度的曲线图，并且总结其变化规律；研究干湿循环产生的强度损伤，明确周围环境影响条件下混凝土构件性能改变的规律，为后续研究提供参考。随着硫酸盐干湿循环次数的逐渐增加，混凝土的抗压强度将会降低。经过15 次硫酸盐干湿循环之后，混凝土的质量会明显增大；继续增加干湿循环次数，混凝土的质量变化就会比较小。在不同劣化作用下分析混凝土力学性能，短期内的硫酸盐干湿循环试验证明，对于水泥混凝土力学性能并不会产生较大的影响[1]。

当前国内外学者较全面地研究了不同因素单独作用下的混凝土强度特征，但是很少研究多种因素共同作用下的混凝土强度特征。在今后工作中需要加大研究力度，明确混凝土力学性能在多种因素影响下的变化规律，为水泥混凝土工程设计工作起到参考作用。

2 混凝土硫酸盐腐蚀的试验研究

2.1 研究方向及试验结果

试验采用150 mm×150 mm 标准立方体试件。石灰石粉、粉煤灰等的掺量≤40%；石灰石粉比表面积＞300 m2/kg；水泥采用 P·O 42.5R，比表面积≥300 m2/kg；水胶比为0.35～0.50；试验设备的直流脉冲电压为 10～60 V、脉冲周期为 10～30 s。

在5 ℃下进行硫酸盐侵蚀试验。溶液为阴极氢氧化钠溶液、阳极硫酸钠和7 水硫酸镁溶液。以低温硫酸盐侵蚀程度表征混凝土立方体抗压强度，试验结果如下:

1）C30-1 混凝土:水胶比为 0.42，砂率为 41%，P·O 42.5R 为 280；混凝土含粉煤灰 0 kg/m3、石灰岩粉 40 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、减水剂 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 760 kg/m3、10～30 mm 碎石 164 kg/m3、10～20 mm 碎石 766 kg/m3、5～10 mm 碎石 164 kg/m3；浸蚀后抗压强度分别为 56 d～42.6 MPa、88 d～50.8 MPa、210 d～49.8 MPa。

2）C30-2 混凝土:水胶比为 0.42，砂率为 41%，P·O 42.5R 为 280；混凝土含粉煤灰 0 kg/m3、石灰岩粉 120 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、减水剂 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 757 kg/m3、10～30 mm 碎石 163 kg/m3、10～20 mm 碎石 762 kg/m3、5～10 mm 碎石 163 kg/m3；浸蚀后抗压强度分别为 56 d～47.5 MPa、88 d～52.2 MPa、210 d～51.0 MPa。

3）C30-3 混凝土:水胶比为 0.42，砂率为 41%，P·O 42.5R 为 280；混凝土含粉煤灰 60 kg/m3、石灰岩粉 60 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、减水剂8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 764 kg/m3、10～30 mm 碎石165 kg/m3、10～20 mm 碎石 769 kg/m3、5～10 mm 碎石 165 kg/m3；浸蚀后抗压强度分别为 56 d～41.7 MPa、88 d～48.6 MPa、210 d～47.6 MPa。

4）C30-4 混凝土:水胶比 0.42，砂率 41%，P·O 42.5R 为280，混凝土含粉煤灰90 kg/m3、含石灰岩粉 0 kg/m3、含硅粉 30 kg/m3、含水 159 kg/m3、含减水剂 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 749 kg/m3、10～30 mm碎石 162 kg/m3、10 ～20 mm 碎石 754 kg/m3、5 ～10 mm 碎石162 kg/m3，浸蚀后抗压强度分别为56 d～46.3 MPa、88 d～51.1 MPa、210 d～50.5 MPa。

2.2 影响因素

2.2.1 环境因素的影响

混凝土结构所处的环境比较复杂，不同因素对于混凝土硫酸盐侵蚀产生较大的影响。可以分析硫酸盐浓度对于混凝土的影响，分析不同SO42-浓度下混凝土强度性能的演变。通过5 ℃的低温硫酸盐侵蚀试验可发现，在相同浓度的硫酸盐浸泡下，以混凝土标号 C30-3 为例，测得 65 d、88 d、210 d 立方体抗压强度分别为 41.7 MPa、48.6 MPa、46.1 MPa，前期强度逐渐增强，后期强度会衰减。但是后期还需要通过大量的试验进行跟踪研究，并且还需要加强研究临界温度和低温条件中硫酸盐侵蚀的特征和机理[2]。也可以升高SO42-浓度，研究强度转变的区间。 SO42-浓度直接关系到硫酸盐侵蚀反应，如果SO42-浓度在1 000 mg/L 以内，将会形成钙矾石晶体；如果SO42-浓度在8 000 mg/L 以上，主要是产生石膏侵蚀。不断提高浓度之后，将会产生强烈的石膏侵蚀作用[3]。

温度会直接影响到硫酸盐的侵蚀速度，提升温度之后将会进一步加剧硫酸盐侵蚀。但是温度存在临界值，临界值以内，温度升高力学性能衰减；超过临界值，硫酸盐腐蚀产物的溶解量增加，从而减缓混凝土力学性能的劣化速度。在低温状态中，硫酸盐侵蚀将会产生规律性变化，如果温度在6 ℃左右，混凝土中的C-S-H 可以转化为碳硫硅钙石；在不同温度下，可以保障生成碳硫硅钙的稳定性，使混凝土丧失强度，最终溃散。

2.2.2 材料因素的影响

硫酸盐侵蚀属于浓度梯度驱动扩散现象，如果试件具有较低的渗透性，将会阻碍硫酸盐入侵。因此，低水灰比可以抵抗硫酸盐侵蚀，混凝土具有较高的强度；逐渐增加水灰比之后，将会明显缩短强度增长期。

通过试验证明：在混凝土中合理掺加粉煤灰和石灰岩粉、硅灰等活性材料，可以提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。对不同配合比的掺合料进行立方体抗压强度试验，在环境和其他材料都相同的情况下，加入粉煤灰和石灰岩粉的试件各龄期抗压强度分别为 41.7 MPa、48.6 MPa、47.6 MPa，较其他掺合料试件都低。但是需要进一步研究最佳掺量。

2.2.3 抗压状态的影响

当前主要采用单轴抗压强度来描述硫酸盐侵蚀程度，但实际上混凝土结构处于三维受力状态。在多轴状态下:①将会改变混凝土力学性能，影响结构的耐久性；②水平组合各种荷载也会影响到混凝土性能。因此，今后还需要研究硫酸盐侵蚀混凝土多轴破坏准则[4]。

混凝土结构在实际工作中承担着动态荷载，在荷载和硫酸盐侵蚀的影响下，混凝土也承受着静力荷载。动态荷载下相对较少地涉及硫酸盐侵蚀特征，后续还需研究动态荷载下影响硫酸盐侵蚀混凝土的规律。