不同浓度硫酸盐环境下桥台水泥混凝土劣化机理研究

摘要：文章以路桥工程中桥台混凝土为主要研究对象，在硫酸盐环境下对其劣化机理及防护措施进行了深入探讨。通过将试件置不同浓度的Na2SO4溶液中，进行干湿循环试验模拟自然环境中硫酸盐对水泥混凝土的劣化，测试试件的质量损失率以及抗压强度变化，评价不同浓度Na2SO4溶液下混凝土试件的破坏情况。试验结果表明，随着硫酸盐浓度增加，水泥混凝土的质量损失率上升，力学性能大幅下降。

关键词：硫酸盐环境；劣化机理；桥台混凝土；干湿循环

U443.21A411283

0 引言

我国幅员辽阔，地理环境复杂。尤其在西部地区，由于地层富含硫酸盐，使得此处的路桥工程面临着极大的挑战［1-2］。此外，海滨地区的桥台混凝土同样需要面对海水中的硫酸盐侵蚀问题［3］。相比普通钢筋混凝土工程，处于硫酸盐环境下的混凝土工程在耐久性和安全性方面面临着更为严苛的考验。在硫酸盐环境下，桥台混凝土常常会遭受劣化，这不仅影响了桥梁的使用寿命，也对其安全性构成了威胁。由于硫酸盐会在桥台混凝土内部形成钙矾石或石膏晶体，从而引发微观裂缝并在长期过程中逐渐扩展，从而降低混凝土的抗渗性能，加速混凝土结构的老化过程，甚至可能导致无法逆转的损坏［4-6］。因此，针对此类环境下的桥台混凝土，亟须进行深入的研究和探索以找出有效的防护策略，确保其长久的安全运行。

国内外学者进行了大量试验以探究验证硫酸盐在桥台水泥混凝土中的传输以及劣化机理。刘大庆、余振新、周铭如等研究了水泥混凝土在硫酸盐中的耐久性［7-9］，表明硫酸盐会缩短混凝土工程结构的使用寿命。窦晓峥、施峰、杨正云等研究了水泥混凝土在硫酸盐中的抗压强度变化规律，结果表明硫酸盐会劣化水泥混凝土内部结构，随着硫酸盐作用水泥混凝土的抗压强度降低［10-12］。但是这些研究大多集中于同一浓度硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀破坏。海洋以及不同地区土壤中所含离子种类多样复杂，不同地区硫酸盐浓度相差大。为了更贴切工程实际，需对不同硫酸盐浓度下水泥混凝土的劣化机理进行深入研究。

为了探究桥台混凝土在特殊盐环境下的受损情况，本文制作了水泥混凝土试件，并将其置于不同浓度的Na2SO4溶液中，模拟自然环境中硫酸盐对水泥混凝土的影响。采用干湿循环试验，研究了水泥混凝土试件在硫酸盐含量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%时混凝土试件外观以及抗压强度的下降情况，对不同浓度硫酸盐环境中混凝土试件的劣化机理进行了深入分析。

1 原材料及样品制备

1.1 原材料

试验所用材料包括水、水泥、骨料、标准砂、Na2SO4分析纯、减水剂。水为去离子水；水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5；骨料采用玄武岩。

1.2 Na2SO4溶液配制

用烧杯量取8份10 L蒸馏水，在蒸馏水中分别加入0 g、50.3 g、101.0 g、152.3 g、204.1 g、256.4 g、309.3 g、362.7 g Na2SO4分析纯并用玻璃棒搅拌均匀，完成硫酸盐含量分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的溶液配制。

1.3 混凝土试件成型过程

将试验所需水泥、骨料以及标准砂按一定配合比进行拌和，之后将加入高效减水剂的水加入并拌和均匀，装入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具，将模具连同混凝土放在振动台上，振动密实。试件分为9组，每组包含5个混凝土试件。将制作完成的混凝土试件放入混凝土恒温恒湿养护箱中养护28 d，之后对试件进行脱模，完成混凝土试件的制作。混凝土试件配合比如表1所示。

2 试验方案设计

用不同浓度的硫酸钠溶液对混凝土试件进行干湿循环处理180 d后，模拟滨海环境下桥台水泥混凝土受到离子侵蚀，测试混凝土试件的质量损失率以及抗压强度值。试验流程如图1所示。

2.1 干湿循环试验

将混凝土试件放入不同浓度的Na2SO4溶液中，浸泡14 h，取出再放入温度为50 ℃的烘箱内干燥处理8 h，之后自然冷却2 h为一个循环，干湿循环180次。

2.2 混凝土质量损失率测试

先测量硫酸盐干湿循环之前混凝土试件的质量m0，将不同浓度Na2SO4溶液处理后的混凝土试件取出，测量其质量并记作m1。定义混凝土试件的质量损失率=m0-m1m0×100%。

2.3 混凝土试件抗压强度测试

利用液压万能试验机测量硫酸盐干湿循环之前混凝土试件的抗压强度，之后将混凝土试件置于不同浓度Na2SO4溶液中干湿循环180次，测量不同浓度Na2SO4溶液干湿循环后混凝土试件的抗压强度。

3 试验结果与讨论

3.1 混凝土质量损失率

测量8组混凝土试件干湿循环前后的质量损失情况，得到数据整理如表2所示。

由表2可知，8组混凝土试件干湿循环后质量均有损失，经过计算，整理数据得到8组试件的质量损失率如图2所示。

由图2可知，当Na2SO4溶液浓度在0.5%～3.5%范围内变化时，试件的质量损失率一直在上升，分析原因认为，随着Na2SO4溶液浓度上升，盐溶液在混凝土试件中更容易结晶析出，使混凝土试件微裂纹扩展迅速，混凝土试件劣化更加严重；当Na2SO4溶液浓度为0%时，试件质量损失率为0.28%，分析原因认为，空气中的CO2融入水使水溶液呈酸性，与水泥中的Ca2（OH）2发生中和反应生成Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2遇水易溶导致试件一部分溶解流出，此时混凝土破坏主要以软水溶蚀为主；当Na2SO4溶液浓度为0.5%时，试件质量损失率小于Na2SO4溶液浓度为0时混凝土试件的质量损失率，分析原因认为当Na2SO4溶液浓度较低，Na2SO4晶体在孔隙中析出一部分，无法完全填充孔隙使混凝土试件劣化产生微裂缝。有关不同浓度试件干湿循环劣化机理如图3所示。

3.2 桥台混凝土抗压强度

根据液压万能试验机测试结果，得到不同浓度Na2SO4溶液干湿循环后混凝土试件的抗压强度。用干湿循环前后混凝土试件抗压强度变化值除以干湿循环前试件的抗压强度，得到试件干湿循环前后抗压强度变化率。数据整理后如图4所示。

由图4可知，干湿循环前混凝土试件的抗压强度平均值为46.9 MPa，由于试件的边长为100 mm，换算成标准立方体抗压强度需乘以0.95系数，结果为44.6 MPa，仍然满足强度要求；当Na2SO4溶液浓度为0时，试件干湿循环180次后抗压强度有所上升，分析认为干湿循环过程中虽然有软水溶蚀会造成试件抗压强度下降，但是由于养护过程中混凝土水化反应的继续进行，混凝土强度仍在不断发展并提升。

当Na2SO4溶液浓度为0.5%，干湿循环后抗压强度上升率比纯水中抗压强度上升幅度更大，为17.7%。分析原因认为，当Na2SO4溶液浓度低，并且干湿循环次数一定时，Na2SO4在混凝土中结晶能填充混凝土孔隙且不至于使孔隙劣化产生微裂纹，同时混凝土更加密实，因此能提升混凝土抗压强度。但是在实际滨海工程中，Na2SO4浓度低时仍然可以观察到水泥混凝土工程的劣化，归结起来有两点原因：（1）滨海中离子种类多，环境复杂，各种不利因素耦合导致混凝土劣化，与试验中的单一盐类破坏有所不同；（2）滨海工程服役年限长，结构的设计使用年限一般为100年以上，而试验干湿循环次数为180次，当干湿循环次数的增多，结晶盐填满混凝土内部孔隙时仍然会造成抗压强度的下降。

当Na2SO4溶液浓度gt;1.5%时，干湿循环后试件的抗压强度下降，且随着Na2SO4溶液浓度上升，试件的抗压强度迅速降低。由此验证了混凝土置于高浓度Na2SO4溶液中干湿循环条件下，内部会产生结晶盐并使混凝土孔隙产生微裂纹的猜想。

4 结语

本文以涉海路桥工程中桥台混凝土为主要研究对象，在硫酸盐环境下对其劣化机理深入探讨。通过试验探究了混凝土试件在不同浓度Na2SO4溶液干湿循环后的质量以及抗压强度的变化。通过对试验结果进行归纳总结，可以得出以下结论：

（1）在干湿循环次数较少，Na2SO4溶液浓度较低的情况下，混凝土内部孔隙会被Na2SO4结晶盐部分填充，但不会产生微裂缝使混凝土性能下降，相反还会使混凝土力学性能有一定上升。

（2）当Na2SO4溶液浓度较高时，混凝土干湿循环后内部会产生结晶盐体积膨胀，导致混凝土质量减少，力学性能下降，并且盐溶液浓度越高混凝土劣化越严重。

（3）混凝土试件在水中干湿循环后会导致质量下降，其原因为空气中的CO2溶于水使水呈弱酸性，之后与水泥石中的Ca（OH）2发生中和反应并能被水溶解流出。

硫酸盐环境下桥台混凝土劣化机理的研究，对于提高桥梁的使用寿命和安全性具有重要意义。通过研究硫酸盐环境下桥台混凝土的劣化机理，可以为桥梁的设计、施工和维护提供科学依据，从而提高桥梁的使用寿命和安全性。

参考文献：

［1］韩宇栋，张 君，高 原.混凝土抗硫酸盐侵蚀研究评述［J］.混凝土，2011（1）：52-56，61.

［2］冷发光，周永祥，王 晶.混凝土耐久性及其检验评价方法［M］.混凝土耐久性及其检验评价方法，2012.

［3］乔宏霞，周茗如，何忠茂，等.硫酸盐环境中混凝土的性能研究［J］.应用基础与工程科学学报，2009（1）：77-84.

［4］高润东，赵顺波，李庆斌，等.干湿循环作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理试验研究［J］.土木工程学报，2010，43（2）：48-54.

［5］刘开伟，王爱国，孙道胜，等.硫酸盐侵蚀下钙矾石的形成和膨胀机理研究现状［J］.硅酸盐通报，2016，35（12）：4 014-4 019.

［6］马昆林，谢友均，龙广成.毛细作用下硫酸盐溶液在混凝土中传输速率的试验研究［J］.硅酸盐学报，2012，40（10）：1 448-1 455.

［7］刘大庆，陈亮亮，王生云，等.再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的耐久性能研究［J］.长江科学院院报，2018，35（10）：137-142.

［8］余振新.弯曲荷载-干湿循环-盐溶液耦合作用下混凝土的耐久性研究［D］.南京：东南大学，2012.

［9］周茗如，罗小博，路承功，等.硫酸盐与干湿循环作用下混凝土耐久性试验研究［J］.混凝土，2017（9）：15-19.

［10］窦晓峥，张戎令，胡锐鹏，等.硫酸盐侵蚀下混凝土抗压强度预测模型研究［J］.混凝土，2022（4）：48-51.

［11］施 峰，汪俊华.硫酸盐侵蚀混凝土立方体的性能退化［J］.混凝土，2013（3）：52-54.

［12］杨正云.不同干湿比对混凝土硫酸盐侵蚀影响试验研究［D］.郑州：郑州大学，2019.