混凝土硫酸盐侵蚀破坏分析与研究

2022-04-12潘自林王福升顾靖超陆立国

宁夏工程技术 2022年1期

潘自林，朱洁，王福升，顾靖超，陆立国

（1.宁夏水利工程建设中心，宁夏银川 750004；2.宁夏水利科学研究院，宁夏银川 750021）

混凝土作为当前应用最为广泛的建筑材料，直接与人类生产、生活的各方面息息相关。长久以来，因硫酸盐侵蚀，一些工程在并未达到设计年限时就出现了破坏[1-2]，如八盘峡水电站、刘家峡水电站、甘肃省灌堤工程等先后出现了不同程度的硫酸盐侵蚀问题[3-4]。采取何种措施来预防和减缓硫酸盐侵蚀破坏，并保证混凝土的耐久性[5-6]，已成为现代混凝土技术应用发展的主要研究趋势。混凝土的硫酸盐侵蚀破坏机理复杂，多年来，国内外诸多学者对混凝土硫酸盐腐蚀的破坏机理及改善途径开展了大量研究[7-8]。P.J.M.Monteiroa 等[9]认为当混凝土水灰比＜0.45，铝酸三钙（C3A）质量分数＜8%，其抵抗硫酸盐腐蚀的能力要高于其他混凝土。罗素蓉等[10]研究发现，粉煤灰/矿粉与石灰石粉互掺时表现出互补的协同效应，可有效改善掺石灰石粉混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀的性能。郑毅等[11]研究表明，偏高岭土基地聚合物砂浆与偏高岭土-矿渣基地聚合物砂浆在不同硫酸盐溶液浸泡环境下仍能维持稳定结构。杜健民等[12]研究发现：硫酸盐干湿循环侵蚀会造成混凝土界面过渡区孔隙和裂缝的扩大，加剧硫酸盐物理结晶和溶解耦合作用，最终导致界面过渡区开裂；除掺合料及外界因素影响外，不同的浸泡试验条件也是影响混凝土性能的主要因素之一，尤其是部分浸泡造成的破坏更为严重。这主要是因为混凝土构件一部分与含有硫酸盐的土壤或地表水接触，而较高的部位位于空气中，易受到温度、湿度、毛细传输、蒸发等多种作用，进而加剧了其侵蚀破坏的进程。

目前，关于混凝土持续浸泡和干湿循环侵蚀已有大量的研究成果，而部分浸泡的试验研究较少，且宁夏地区低湿干燥环境中近地面混凝土的硫酸盐侵蚀劣化速度较盐渍水环境中快，实验室内低湿环境中半浸泡的试验方法可较好地模拟宁夏地区低湿干燥环境中近地面混凝土的硫酸盐侵蚀劣化，其劣化程度与实际工况符合性更高。因此，针对陕甘宁盐环定扬黄工程长期处于干湿交替的强腐蚀环境现状（地下水中含有，Cl-，Mg2+等侵蚀性离子，的质量浓度为95～7 200 mg/L，Cl-的质量浓度为50.7～2 760 mg/L，Mg2+的质量浓度为7.98～1 050 mg/L）（资料来源于宁夏水利工程建设中心2017年《宁夏盐环定扬水工程强腐蚀环境下混凝土耐久性关键技术研究》报告），本文以宁夏地区混凝土硫酸盐侵蚀机理研究为依托，采用半浸泡侵蚀试验条件（混凝土试件下半部分浸泡于硫酸钠溶液中，上半部分暴露在30%湿度的空气中），模拟研究低湿干燥环境下近地面混凝土的硫酸盐侵蚀劣化状况，可为相关地区混凝土抗硫酸盐侵蚀提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 原材料

（1）水泥。采用宁夏赛马水泥有限公司生产的赛马牌P.O 42.5 水泥，各项性能指标均满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）和《抗硫酸盐硅酸盐水泥》（GB 748—2005）的有关要求。

（2）粉煤灰。采用宁夏青铜峡大坝电厂生产的Ⅰ级（F 类）粉煤灰（表1），其各项指标满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）所规定的Ⅰ级粉煤灰的性能要求。

表1 粉煤灰的物理性能

（3）粗细骨料。粗骨料为宁夏吴忠市太阳山的人工碎石，颗粒粒级为5～10 mm、10～20 mm 和20～40 mm，符合《水工混凝土施工规范》（SL 677—2014）中关于“设计龄期强度等级≥30 MPa 和有抗冻要求的混凝土”用碎石的要求。细骨料为宁夏中宁县渠口的中细天然砂，细度模数2.21，饱和面干密度2 580 kg/m3，含泥量1.9%，符合《水工混凝土施工规范》（SL 677—2014）中关于“设计龄期强度等级≥30 MPa 和有抗冻要求的混凝土”用砂（中砂）的要求。

（4）减水剂。采用江苏博特新材料股份有限公司生产的JM-Ⅱ型减水剂，减水率达20%。

1.2 试验方案

（1）本次试验按不掺入粉煤灰和掺入30%粉煤灰两种情况，设计不同强度等级（C30、C40）混凝土的配合比（表2）。表2 中砂、石用量均为饱和面干状态的材料质量。

表2 混凝土配合比 kg/m3

（2）测试内容主要包括混凝土质量变化率、抗压耐蚀系数及混凝土微观外貌等。本试验采用的试件为100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土立方体试件[13]。混凝土的坍落度及28 d 抗压强度结果见表3。

表3 混凝土坍落度及抗压强度结果

1.3 侵蚀试验设计

将脱模的试件置于标准养护室养护56 d 后，开始进行侵蚀试验。因工程现场混凝土长期处于中强腐蚀环境，故本文依据美国混凝土协会对硫酸根离子浓度划分等级，配制3 种不同质量分数（0.45%，1.2%，5.0%）的Na2SO4溶液。半浸泡侵蚀试验是将混凝土试件下半部分浸泡于不同质量分数的Na2SO4溶液中，试件上半部分暴露于30%湿度的空气中，浸泡高度为5 cm，浸泡龄期90 d，以此模拟宁夏地区干湿交替环境中硫酸盐对混凝土结构的侵蚀。在试验过程中，为保证稳定的溶液浓度，每3 d 更换一次Na2SO4溶液。同时，综合考虑湿度、硫酸盐溶液浓度的影响，侵蚀试验条件设计详见表4。通过侵蚀试验，观察不同试验龄期混凝土试件的表观变化，分析混凝土质量、抗压耐蚀系数和微观形貌的变化，并进一步研究硫酸盐的侵入方式及破坏形式。

表4 硫酸盐侵蚀试验条件

抗压耐蚀系数计算公式为

Kc=Ry/Rq，

式中：Kc为试件在特定侵蚀龄期的抗压耐蚀系数；Ry为试件在侵蚀溶液中达到特定侵蚀龄期时的抗压强度，MPa；Rq为试件在清水中达到特定侵蚀龄期时的抗压强度，MPa。

半浸泡混凝土试件的主要配合比参数、养护条件及编号见表5。

表5 半浸泡混凝土试件编号及参数

2 结果与分析

本文对4 种配合比的混凝土（SC30、SCF30、SC40、SCF40）进行侵蚀试验，通过外观、质量、抗压耐蚀系数和微观形貌的变化，研究分析半浸泡试验条件下混凝土材料抗硫酸盐侵蚀的性能。

2.1 外观变化

混凝土试件半浸泡90 d 后的外观形貌如图1 所示。由图1 可知：半浸泡在质量分数为0.45%的Na2SO4溶液中的混凝土，在试件表面干湿交替处出现微细裂纹；半浸泡在质量分数为1.2%的Na2SO4溶液中的混凝土，在试件表面干湿交替处出现微细裂纹并有少量白色结晶；半浸泡在质量分数为5.0%的Na2SO4溶液中的混凝土，在试件表面干湿交替处产生剥落并有白色结晶。

图1 混凝土试件半浸泡90 d 后的外观形貌

2.2 质量变化

图2～图5 为半浸泡试验条件下，SC30，SCF30，SC40，SCF40 试件的质量在不同质量分数（0.45%，1.2%，5.0%）的Na2SO4溶液中的变化曲线。由图2～图5 可知，30 d 侵蚀龄期内混凝土试件质量随时间延长而逐渐增加，30 d 后混凝土试件的质量逐渐减小，90 d 时试件质量变化率为负数，即试件质量比初始时减小了。试验初期，胶凝材料水化程度不断提高，水化产物的增加使混凝土试件质量有小幅度增长，同时，硫酸盐腐蚀产物钙矾石、芒硝和石膏晶体逐渐富集，从而使混凝土试件质量略有增加。但随着半浸泡时间的延长，硫酸盐的腐蚀产物富集过多，在混凝土内部产生拉应力，从而导致混凝土表层剥落，质量减小。

图2 半浸泡试验条件下SC30 的质量变化

图3 半浸泡试验条件下SCF30 的质量变化

图4 半浸泡试验条件下SC40 的质量变化

图5 半浸泡试验条件下SCF40 的质量变化

整体分析半浸泡试验条件下混凝土试件的质量变化率可知：Na2SO4的质量分数越高，试件的质量损失率越大；水胶比越小，即混凝土强度等级越高，质量损失率越小；粉煤灰的掺加对混凝土质量损失的减小没有显著贡献。

2.3 抗压耐蚀系数

在温度为30 ℃，上部空气相对湿度为30%的半浸泡条件下，SC30，SCF30，SC40，SCF40 混凝土试件（90 d 浸泡时间）的抗压耐蚀系数见图6。由图6 可知：SC30，SCF30，SC40，SCF40 混凝土试件经过90 d半浸泡侵蚀后，其抗压强度较基准试件均有所降低；Na2SO4质量分数越高，混凝土试件抗压耐蚀系数越小，即混凝土强度损失越大；掺加粉煤灰后，混凝土试件的抗压耐蚀系数有所提高；低水胶比混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能优于高水胶比混凝土；混凝土遭受硫酸盐侵蚀程度的主要影响因素为Na2SO4的质量分数，水胶比、粉煤灰的影响较小。

图6 半浸泡试验条件下混凝土的抗压耐蚀系数变化

2.4 微观形貌分析

本文利用LVEM5 透射电子显微镜观察硫酸盐侵蚀后的混凝土微观形貌，分别为未被侵蚀的SC30,SCF30 混凝土，以及Na2SO4溶液（质量分数为5.0%）半浸泡90 d 的SC30B5,SCF30B5 混凝土，混凝土试件的微观形貌见图7～图10。因SC40 混凝土与SC30混凝土受硫酸盐侵蚀破坏机理相同，SCF40 混凝土与SCF30 混凝土受硫酸盐侵蚀破坏机理相同，仅强度不同，且C40 混凝土损伤迟于C30 混凝土，故无须对C40 混凝土进行微观观测和分析其破坏机理。另外，质量分数为0.45%的Na2SO4溶液、质量分数为1.2%的Na2SO4溶液和质量分数为5%的Na2SO4溶液对混凝土侵蚀的机理相同，仅Na2SO4的质量分数不同，侵蚀速率不同，因此只对质量分数为5%的Na2SO4溶液半浸泡的混凝土试件进行微观形貌分析。

在半浸泡试验条件下，硫酸盐主要是通过毛细作用到达混凝土表面并积累，然后又通过扩散作用进入混凝土内部。当试件遭到硫酸盐溶液侵蚀时，其溶液中的首先与水泥水化产物反应生成钙矾石，在侵蚀早期，适量的钙矾石可提高试件强度，但随着的不断侵入，与C3A 水化产物生成过量的钙矾石，造成试件强度下降，甚至出现膨胀，并在半浸泡液面附近的结晶区易出现裂缝，裂缝一旦形成，更易容纳膨胀性的结晶产物，进而发展为更为粗大的裂缝。对比图7 和图8 可知，未掺加粉煤灰的SC30试件内部存在孔隙和裂缝，而掺加粉煤灰的SCF30试件内部较为致密，粉煤灰颗粒较好地填充在混凝土的孔隙中，使得混凝土的孔隙和裂缝较少。由图9～图10 可知，经过质量分数为5.0%的Na2SO4溶液半浸泡90 d 后，SC30B5 和SCF30B5 试件均产生明显膨胀，出现裂缝。其中，SC30B5 试件的裂缝尺寸较大，且裂缝周围有大量盐结晶，而SCF30B5 试件的裂缝尺寸较小，裂缝周围的结晶数量较小。由此可知，粉煤灰提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。