基于酸雨和碳化耦合作用的混凝土耐蝕性能分析＊*

尹 健，龔勝輝，張賢超，龐綺玲，宋衛(wèi)民

(中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075)

高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結構的混凝土底座板是無砟軌道結構中的重要組成部分，隨著我國酸雨污染的日趨加劇，雙塊式或板式無砟軌道結構的混凝土底座板要經受酸雨和碳化的共同作用，導致該混凝土結構耐久性不足而提前大修。目前，國內外研究較多的是以酸雨和碳化單因素作用下混凝土結構性能劣化的試驗研究，得出的結論和評價模型僅在各因素單獨作用的條件下適用，對酸雨和碳化雙因素耦合作用下混凝土的性能研究開展得還較少［1］，基于此，通過試驗分析優(yōu)選雙塊式或板式無砟軌道結構的混凝土底座板C40混凝土配合比設計參數(shù)，并摻入大量的活性礦物摻合料旨在提高混凝土的性能并作為對比組，探討其在酸雨和碳化耦合作用下的性能劣化規(guī)律，為我國高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結構的混凝土底座板的性能優(yōu)化設計及施工技術提供支持。

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C):42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標見表1;細骨料(S):湘江河砂，細度模數(shù)2.6，符合Ⅱ區(qū)級配要求;粗骨料(G):湘江河卵石，5～26.5 mm連續(xù)級配，壓碎指標為5.0%;減水劑:WSN－30型緩凝高效減水劑，減水劑22.8%;粉煤灰(FA):黃埔電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，主要物理性能見表2;礦渣(SG):產地山東恒潤，主要物理性能見表2;化學試劑:硫酸(濃度95% ～98%)，硝酸(濃度65% ～68%)，硫酸鎂，硫酸銨，硫酸鈣(均為分析純 analytically pure AP級，市售);水:自來水。

表1 水泥性能指標Table 1 Cement properties index

表2 粉煤灰及礦渣物理性能Table 2 Fly ash and slag physical properties

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

表4 混凝土耐蝕試驗配合比Table 4 Mix proportion of concrete for corrosion resistant test kg/m3

1.2 試驗方案

1.2.1 混凝土配合比的確定

綜合考察混凝土和易性、均勻性、28 d和56 d抗壓強度、28 d和56 d劈裂抗拉強度、56 d抗氯離子滲透能力(6 h庫侖電量)等評價指標，優(yōu)選混凝土配合比參數(shù)。固定膠凝材料總用量為370 kg/m3、砂率 44%不變，變化水膠比為 0.35，0.45和0.55，骨料最大粒徑≤26.5 mm，由減水劑控制坍落度為140±20 mm，不同摻量(0，40%，50%，60%和70%)FASG復合粉體以優(yōu)選出的摻量比例(FA:SG=1:4)等量取代水泥配制出C40混凝土，以期獲得和易性及均勻性良好、滿足C40強度等級要求及抗氯離子滲透能力良好的C40混凝土，試驗結果見表3，根據(jù)試驗結果選取的配合比見表4。

1.2.2 試驗方法

混凝土受酸雨侵蝕及碳化作用后，由于其腐蝕機理不同，腐蝕后混凝土表層結構的產物也不同，為了探明酸雨侵蝕及碳化作用先后腐蝕順序對C40高性能化混凝土性能的影響規(guī)律，研究分4種模式，其中酸雨侵蝕采用模擬酸雨噴淋的方式，而碳化作用采用快速碳化方式進行，具體實施方案如下。

S模式:模擬酸雨侵蝕試驗，侵蝕制度:1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行，分別進行20，40，60，80，100 和 120 次循環(huán)，以進一步說明單因素對混凝土耐久性能的影響規(guī)律。

T 模式:快速碳化試驗，分別進行7，14，21，28，35和42 d試驗，以進一步說明單因素對混凝土耐久性能的影響。

ST模式:先酸雨侵蝕再快速碳化模式。即:酸雨侵蝕試驗20次循環(huán)+7 d碳化試驗，記為1周期，共進行6個周期;其中酸雨侵蝕試驗時1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行。

TS模式:先快速碳化再酸雨侵蝕模式。即:7 d碳化試驗+酸雨侵蝕試驗20次循環(huán)，記為1周期，共進行6個周期;其中酸雨侵蝕試驗時1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行。

試驗每進行1周期，分別測試試件的抗壓強度、中性化深度和內部pH值。

2 結果與討論

2.1 不同侵蝕制度對混凝土抗壓強度的影響

從圖1試驗結果可以看出，各侵蝕模式中，混凝土抗壓強度變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律:C40高性能化混凝土侵蝕后抗壓強度均大于初始強度，但其抗壓強度曲線皆落在基準混凝土抗壓強度曲線下方;C40高性能化混凝土抗壓強度變化較基準混凝土更為敏感，在侵蝕前期抗壓強度有所提高，在侵蝕6周時除快速碳化的B0試件外其抗壓強度均有下降趨勢。

圖1 各侵蝕制度下混凝土抗壓強度及其變化率Fig.1 Compressive strength and the changing rate under different erosion systems

在酸雨和碳化雙重侵蝕作用下，不管是ST模式還是TS模式，在試驗初期，混凝土試件抗壓強度均逐步增長，主要是因為模擬酸雨溶液中的侵蝕離子H+和SO42－與Ca(OH)2作用生成CaSO4·2H2O，此階段CaSO4·2H2O晶體僅僅起密實填充作用，使混凝土內部孔隙減小，混凝土試件強度有所增長;而碳化同樣可使混凝土試塊更加密實，提高其抗壓強度。隨著侵蝕周期的增加，H+和SO42－侵蝕進一步加劇，CO2也進一步消耗 Ca(OH)2，當混凝土試塊內部pH值下降到一定程度時，堿性水化產物開始分解、溶出，造成溶蝕破壞，同時生成的CaSO4·2H2O也逐漸增多，干燥時在孔隙中結晶膨脹，產生的膨脹壓將對混凝土強度帶來不利影響，表現(xiàn)出在侵蝕6周期時混凝土抗壓強度下降的趨勢。

2.2 不同侵蝕制度對混凝土中性化深度的影響

由圖2可知，在試驗齡期內，S模式侵蝕制度下，基準混凝土中性化值基本無變化，而其他侵蝕制度條件下，混凝土中性化深度值均隨侵蝕齡期的增加而增大，B7混凝土中性化深度曲線均落在B0混凝土中性化深度曲線上方;各侵蝕制度下混凝土試件的中性化深度值大小順序為S模式＜ST模式＜TS模式＜T模式，侵蝕6周期時對應于上述侵蝕條件下的B0組混凝土中性化深度值為0 mm＜1.86 mm ＜2.20 mm ＜5.08 mm，而B7 混凝土則為1.48 mm ＜6.10 mm ＜9.74 mm ＜13.04 mm。

酸雨和碳化雙重侵蝕制度下，即先酸雨后碳化(ST)或者先碳化后酸雨侵蝕(TS)后混凝土試件的中性化深度值一直小于2種因素單獨作用下的中性化深度疊加值(S+T)，見圖3，表明酸雨侵蝕對混凝土的中性化影響較小，混凝土的中性化問題主要由碳化引起，這與相關文獻研究結果一致［2］:當混凝土先碳化時，CO2擴散到混凝土內部與水結合形成碳酸，并與混凝土內部產物Ca(OH)2、水化硅酸鈣反應，混凝土中性化發(fā)展迅速，酸雨溶液中的侵蝕離子H+侵入混凝土后，進一步與Ca(OH)2發(fā)生反應，加速了混凝土中性化，所以先碳化后酸雨侵蝕的混凝土試件中性化深度大;而先酸雨后碳化的試件，Ca(OH)2與酸雨溶液中的SO42－反應生成石膏，干濕交替時結晶膨脹，填充混凝土孔隙通道，碳化時CO2很難擴散進入，且酸雨溶液使混凝土試件內部孔隙濕度增大，對CO2的擴散速度起阻礙作用，所以先酸雨后碳化的混凝土中性化深度較小?？梢?，由于酸雨侵蝕的參與，混凝土中性化問題減弱，相對于單獨碳化作用，酸雨和碳化耦合作用對混凝土中性化起到一定的抑制效果［3］。

圖2 各侵蝕制度下混凝土中性化深度變化情況Fig.2 The neutralization depth change of the concrete under different erosion systems

圖3 不同混凝土在各侵蝕制度下的中性化深度值的對比Fig.3 The comparison of the neutralization depth under different erosion systems

2.3 不同侵蝕制度下對混凝土內部PH值的變化

混凝土的pH值一般大于12.5，在這種堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面產生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕，但當有酸性物質或二氧化碳從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內部時，與混凝土材料中的堿性物質中和，會導致混凝土pH 值的降低［4－5］?；炷猎赟T，TS，S 和T 模式下各進行6個周期循環(huán)侵蝕試驗，其內部pH值試驗結果見圖4，圖中圖標表示為距試件表面的深度。

由圖4可知，混凝土試件在各侵蝕制度中，其內部pH值隨不同深度呈現(xiàn)相似規(guī)律，即試件侵蝕后內部pH值中間大，兩端小，離試件表面越近，pH值越小，試件中部附近，pH值相差不大;同一深度其pH值隨侵蝕周期的增加而逐漸減小。在試驗齡期內，混凝土表面一直受到酸雨和碳化侵蝕作用，并隨侵蝕齡期增加試件中性化由表及里逐漸加重，Ca(OH)2不斷被消耗，導致pH值下降;對于B7混凝土，大量礦物摻合料等量取代水泥，一方面使產物Ca(OH)2直接減少，另一方面礦渣和粉煤灰隨著時間的增加發(fā)揮其二次活性，均以消耗Ca(OH)2為代價，因此混凝土試件表層pH值隨著侵蝕齡期的增加值較基準混凝土的下降值更大;而混凝土試件內部深度20～80 mm范圍內，各侵蝕制度下其pH值在整個試驗齡期內最小為 11.41，最大為 13.47。［6］

圖4 各侵蝕制度下混凝土試件內部pH值變化規(guī)律對比圖Fig.4 The comparison of the law of the pH value change within specimen under different erosion systems

圖5為不同侵蝕周期時分別在距試件表面5 mm處的pH值變化規(guī)律，研究結果表明:在試驗齡期內，各侵蝕制度下，B7混凝土和B0混凝土試件表層pH值變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即均隨侵蝕周期的增加而逐漸降低，且同侵蝕周期時，pH值總是S模式＞ST模式＞TS模式＞T模式，單獨酸雨侵蝕(S)的混凝土表層pH值最大，先酸雨后碳化侵蝕(ST)試件大于先碳化后酸雨侵蝕(TS)后的pH值，且均大于單獨碳化(T)試件表層的pH值，這與中性化深度試驗結果相吻合，中性化深度越大，混凝土試件受侵蝕越嚴重，內部pH值越小［7－8］。其中，B7混凝土在單獨酸雨(S)侵蝕制度下其表層pH值變化平緩，侵蝕6個周期后達到最低值12.49，先酸雨后碳化(ST)和先碳化后酸雨(TS)侵蝕制度在試驗前期混凝土試件表層pH相差不大，后期TS模式顯著下降，侵蝕6周期后ST模式pH值為 10.09，TS 模式 pH 值為 9.42，而單獨碳化(T)侵蝕制度在整個試驗齡期內顯著下降，侵蝕第1周期混凝土表層pH值為10.91，侵蝕六周期后降為8.91，因此，碳化帶來的混凝土中性化問題不容忽視［9］;B0混凝土相對B7混凝土已充分水化，內部結構已達到一定密實程度，更能有效阻止酸液侵蝕離子和二氧化碳的侵入，即使單獨碳化(T)侵蝕制度下，侵蝕6周期后混凝土表層pH值僅降到12.27，水泥石各水化產物本身能穩(wěn)定存在［10］。

圖5 各侵蝕制度下混凝土試件表層pH值變化規(guī)律Fig.5 The law of the pH value change on the surface of the specimen under different erosion sysems

3 結論

綜上所述，酸雨和碳化耦合作用下，高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結構的混凝土底座板混凝土及摻礦物活性摻合料混凝土B7性能有著如下變化規(guī)律:

(1)酸雨和碳化侵蝕后混凝土抗壓強度均大于初始強度，B7混凝土抗壓強度曲線均落在B0混凝土抗壓強度曲線下方;抗壓強度變化較BO混凝土更為敏感，在侵蝕前期強度值逐步上升，侵蝕后期則呈下降趨勢;

(2)B7混凝土的中性化深度均隨齡期增加而增大，且中性化深度曲線均落在B0混凝土中性化深度曲線上方，先酸雨后碳化侵蝕試件(ST)的中性化深度小于先碳化后酸雨侵蝕(TS)后的中性化深度，且均小于單獨碳化試件(T)的中性化深度，ST或TS模式侵蝕后混凝土試件的中性化深度值均小于2種因素單獨作用下的中性化深度迭加值(S+T)，酸雨侵蝕對混凝土的中性化貢獻較小，混凝土的中性化問題主要是由碳化引起的，由于酸雨侵蝕的參與，混凝土中性化問題減弱，相對于單獨碳化作用，酸雨和碳化耦合作用對混凝土中性化起到一定的抑制效果;

(3)混凝土侵蝕各齡期試件內部pH值中間大，兩端小，離試件表面越近，pH值越小，離試件中部越近，pH值則相差不大，同一深度其pH值隨侵蝕周期的增加而逐漸減小。

［1］馮乃謙.高性能混凝土結構［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.FENG Nai-qian.High performance concrete structure［M］.Beijing:China Machine Press，2004.

［2］楊 靜.混凝土的碳化機理及其影響因素［J］.混凝土，1995(6):23－28.YANG Jing.Mechanism，influencing factors of concrete carbonation［J］.Concrete，1995(6):23 －28.

［3］Dhir R K，Hewlett P C，Chan Y N.Near surface characteristics of concrete:prediction of carbonation resistance［J］.Magazine of Concrete Research，1989，41:137 －142.

［4］Kanazu T，Matsumura T，Nishiuchi T，et al.Effect of simulated acid on deterioration of concrete［J］.Water，Air，and Soil Pollution，2001，130(1 － 4):1481 －1486.

［5］Houst Yves F，Wittmann Folker H.Influence of porosity and water content on the diffusivity of CO2and O2through hydrated cement paste［J］.Cement and Concrete Research，1994，24(6):1165－1176.

［6］Parrott L J，Killoh D C.Carbonation in a 36 year old，in－ situ concrete［J］.Cement and Concrete Research，1989，19(4):649－656.

［7］Papadakis V G，Voyenas C G，et al.Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation［J］.ACI Materials Journal，1991，88:363 －373.

［8］Kanazu T，Matsumura T，Nishiuchi T，et al.Effect of simulated acid on deterioration of concrete［J］.Water，Air，and Soil Pollution，2001，130(1 － 4):1481 －1486.

［9］Ceukelaire L De.Effects of hydrochloric acid on mortar［J］.Cement and Concrete Research，1992，22(5):903－914.

［10］Israed D，Macphee D E，Lachowski E E.Acid attack on pore－ reduced cements［J］.Journal of Materials Science，1997，32(15):4109－4166.