淺析防治混凝土中的硫酸鹽侵蝕措施

高 毅， 周 繼 中， 楊 震

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

淺析防治混凝土中的硫酸鹽侵蝕措施

高 毅， 周 繼 中， 楊 震

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

通過微觀試驗(yàn)確定了混凝土在相應(yīng)條件下的腐蝕破壞類型。研究了不同粉煤灰摻量及不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和抗硫酸鹽侵蝕能力的影響規(guī)律。通過干濕循環(huán)試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)驗(yàn)證了所采取的防治措施的有效性。確定了合理的防治措施，以提高混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性能。

混凝土；硫酸鹽侵蝕；內(nèi)部結(jié)構(gòu)；防治措施

1 概 述

硫酸鹽侵蝕是水硅酸鹽泥漿體和外界侵入的硫酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的混凝土破壞，其主要破壞形式是膨脹和開裂，是導(dǎo)致混凝土性能劣化以致于失效破壞的重要原因之一。從目前研究結(jié)果看，硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土的破壞作用主要有以下4種類型：(1)鈣礬石型(AFt)硫酸鹽侵蝕；(2)石膏型硫酸鹽侵蝕；(3)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)；(4)物理結(jié)晶型硫酸鹽侵蝕。

筆者闡述了采取試驗(yàn)研究與理論研究相結(jié)合的方法研究中等濃度硫酸鹽作用下混凝土的耐久性。在不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同摻量粉煤灰條件下進(jìn)行了混凝土的耐久性試驗(yàn)。通過與南京水科院材料所合作進(jìn)行混凝土腐蝕試件的微觀試驗(yàn)，確定了混凝土在不同條件下的腐蝕破壞類型。

2 試驗(yàn)設(shè)備

此次試驗(yàn)所采用的設(shè)備為：(1)全自動(dòng)干濕循環(huán)硫酸鹽試驗(yàn)箱：該設(shè)備可以自動(dòng)采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)；(2)掃描電子顯微鏡(SEM)：日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡，測(cè)試真空度為5 Pa。

3 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)試件：尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，一共5組、15塊。

(2)試驗(yàn)溶液的配制。

①鹽酸。由12 mol/L的濃鹽酸和蒸餾水按1∶1體積比配制而成。

②氯化鋇。將100 g氯化鋇(BaCl2·2H2O)溶于水中，加水稀釋至1 L制得。

③硝酸銀。將0.5 g硝酸鹽(AgNO3)溶于水中，加入1 mL硝酸，加水稀釋至100 mL制得。

④濾紙。中速定量和慢速定量濾紙。

⑤蒸餾水。購(gòu)自化學(xué)藥品公司。

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009中的干濕循環(huán)加速方法進(jìn)行。該方法用于測(cè)定混凝土試件在干濕交替環(huán)境中、以能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。采用混凝土的耐蝕系數(shù)表征混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

4 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試驗(yàn)結(jié)果

為研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)抗硫酸鹽侵蝕的影響，此次試驗(yàn)采用了四種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，分別為C15、C20、C25和C30混凝土試件，將其同時(shí)放入溶液濃度為5%的Na2SO4溶液中，對(duì)浸泡試件進(jìn)行15次、30次、50次、70次干濕循環(huán)作用，測(cè)試混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度，對(duì)比相應(yīng)基準(zhǔn)混凝土試件抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其循環(huán)次數(shù)后的抗壓耐蝕系數(shù)，所得混凝土配合比見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見圖1。

在干濕循環(huán)15次時(shí)，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)均在120%以上，說明干濕循環(huán)測(cè)試較少時(shí)，低強(qiáng)度混凝土(C15)也可以滿足抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)；但隨著混凝土等級(jí)強(qiáng)度的提高，抗壓耐蝕系數(shù)也隨之減小。這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級(jí)越低，水膠比越大，凝結(jié)硬化后內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙率較高的緣故。在較少次數(shù)的干濕循環(huán)后，混凝土等級(jí)強(qiáng)度越低，其內(nèi)部進(jìn)入的硫酸鹽越多。少量的硫酸鹽進(jìn)入其內(nèi)部，SO42-離子會(huì)與水化硅酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石或石膏填充其內(nèi)部孔隙，此時(shí)產(chǎn)生的膨脹內(nèi)應(yīng)力對(duì)混凝土密實(shí)性起到了有利作用，提高了其抗侵蝕能力，這是硫酸鹽進(jìn)入侵蝕的第一個(gè)階段。

表1 不同等級(jí)混凝土配合比表

圖1 不同強(qiáng)度等級(jí)試件干濕循環(huán)后的抗壓侵蝕系數(shù)曲線圖

當(dāng)干濕循環(huán)在30次以上時(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，抗壓耐蝕系數(shù)也隨之提高。干濕循

環(huán)次數(shù)的增加，使得更多的硫酸鹽離子進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，形成了更多的鈣礬石。但是，混凝土孔隙率是一定的，其沒有更多的空間容納這些生成物，因此，繼續(xù)生成的鈣礬石或石膏產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土破壞。強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土內(nèi)部密實(shí)，從而擋住了更多的SO42-離子進(jìn)入其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，受到的侵蝕效果較弱，因此表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，抗壓耐蝕系數(shù)越高。

5 摻粉煤灰對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕的結(jié)效果果

采用全自動(dòng)干濕循環(huán)機(jī)進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。此次試驗(yàn)選用的三種粉煤灰分別為大龍Ⅱ級(jí)粉煤灰、黔東Ⅰ級(jí)粉煤灰和華天能Ⅰ級(jí)粉煤灰，摻量分別為15%、20%、30%。摻大龍Ⅱ級(jí)粉煤灰以及黔東Ⅰ級(jí)和摻華天能Ⅰ級(jí)粉煤灰，其混凝土配合比見表2～4(其中JZ為基準(zhǔn)混凝土)。

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

表3 摻黔東Ⅰ級(jí)粉煤灰混凝土配合比表

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

表4 摻華天能Ⅰ級(jí)粉煤灰混凝土配合比表

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后，將試件放入全自動(dòng)干濕循環(huán)機(jī)，經(jīng)過120次和150次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，分別測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度和同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺敕勖夯业幕炷翉?qiáng)度見圖2。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)120 d時(shí)，摻入15%粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的96.2%～100%；摻入20%粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的92%～101.8%；摻入30%粉煤灰的混凝土為基準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的89.3%～96.2%，其中大龍Ⅱ級(jí)粉煤灰在摻量為35%時(shí)強(qiáng)度明顯下降。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入粉煤灰可以降低水泥用量，同時(shí)保證混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)相近，粉煤灰摻量可以控制在30%以下范圍。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)120 d和150 d粉煤灰混凝土強(qiáng)度示意圖

從圖3中可以看出120次和150次干濕循環(huán)后的混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，120次干濕循環(huán)后的混凝土強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的95.2%以上。黔東Ⅰ級(jí)粉煤灰強(qiáng)度過高可能是由于試驗(yàn)誤差所造成的。在150次干濕循環(huán)后，摻入粉煤灰的混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的117%～120%，說明摻入粉煤灰后，在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。

從圖4中可以看出：120次和150次抗壓耐蝕系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，120次抗壓耐蝕系數(shù)約為79%，150次抗壓耐蝕系數(shù)約為83%～92%。因此，摻入粉煤灰可以提

圖3 120次和150次干濕循環(huán)后粉煤灰混凝土強(qiáng)度示意圖

圖4 120次和150次干濕循環(huán)耐蝕系數(shù)示意圖

高混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)。

為深入研究粉煤灰對(duì)抗混凝土硫酸鹽侵蝕效果，在硫酸鹽干濕循環(huán)后，選取摻粉煤灰混凝土試件和不摻粉煤灰混凝土試件進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：摻入粉煤灰的混凝土內(nèi)部十分密實(shí)，有大量的水泥水化產(chǎn)物包裹在粉煤灰周圍，很難看出有鈣礬石(AFt)或石膏的生成，可以提高混凝土的密實(shí)性、促進(jìn)水泥水化并抑制硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物的生成；而未摻粉煤灰的混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了大量的棒狀晶體，這些棒狀晶體推斷為石膏或鈣礬石晶體，其排列雜亂，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實(shí)，從而導(dǎo)致更多的SO42-離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，使水泥水化產(chǎn)物分散，破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)研究了四種強(qiáng)度等級(jí)(C15、C20、C25和C30)的混凝土試件，采用濃度為5%的Na2SO4溶液進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土內(nèi)部由于孔隙率較小而不易結(jié)晶，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能；也就是說：提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，降低混凝土孔隙率是改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕的一種途徑。

(2)粉煤灰摻量達(dá)30%時(shí)，經(jīng)過干濕循環(huán)作用180次，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)為76.4%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硫酸鹽侵蝕等級(jí)。摻入粉煤灰可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕效果，防腐劑和粉煤灰雙摻對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕效果最佳。試驗(yàn)結(jié)果表明：在180次干濕循環(huán)后，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)可以達(dá)到近100%。此項(xiàng)措施可以降低水泥用量，同時(shí)提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，對(duì)實(shí)際工程配合比設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-17

TU5;TU755;TU74

B

1001-2184(2017)02-0060-03

高 毅(1983-)，男，四川成都人，深茂五標(biāo)指揮部測(cè)量試驗(yàn)中心副經(jīng)理，工程師，從事試驗(yàn)檢測(cè)工作；

周繼中(1982-)，男，四川成都人，深茂五標(biāo)指揮部測(cè)量試驗(yàn)中心經(jīng)理，高級(jí)工程師，從事試驗(yàn)檢測(cè)工程；

楊 震(1981-)，男，湖北十堰人，助理工程師，從事工程測(cè)量技術(shù)與管理工作.