硫酸根離子侵蝕對早齡期井壁混凝土性能的影響

張薇 郭亞紅

（華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山063210）

深埋于地層中的礦山鋼筋混凝土立井深，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境因素影響，井筒連接地表與井下生產(chǎn)系統(tǒng)，安全性至關(guān)重要。井壁混凝土在澆筑以及使用的過程中無法避免的會產(chǎn)生可見的裂縫或者不可見的微裂縫，同時還要受凍結(jié)壓力、自重、永久地壓、滲水侵蝕破壞等因素的共同作用，易使井壁混凝土產(chǎn)生早期損傷，導(dǎo)致耐久性下降，縮短使用壽命，危害井筒安全。更為嚴重的是，許多礦井位于地下水豐富、而地下水又富含硫酸根離子等侵蝕性介質(zhì)的區(qū)域，含有等離子的水進入混凝土?xí)鹨幌盗谢瘜W(xué)反應(yīng)，造成混凝土井壁的腐蝕破壞，從而導(dǎo)致混凝土強度和耐久性的快速降低，大大縮短了井壁的使用壽命[1-3]。因此，為了保證混凝土井壁在服役年限內(nèi)的安全性，必須考慮“有害離子”的作用，以及“工作應(yīng)力”和“有害離子”腐蝕共同作用對井壁耐久性和可靠性的共同影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用冀東牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能如表1所示。試驗采用細度模數(shù)2.6的細集料，Ⅱ區(qū)天然中砂，試驗用碎石為5～20mm連續(xù)級配，Ⅱ級粉煤灰，礦粉密度為2.89，比表面積為，燒失量為1.6%，試驗用水為自來水。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）及多次試配，確定試驗用配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比（3kg/m）

1.3 試驗方法

1.硫酸鹽腐蝕試驗。根據(jù)表2所示的混凝土配合比，制備井壁混凝土試塊（3個混凝土試塊為1組），單個試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，硫酸鹽腐蝕環(huán)境采溶液，腐蝕溶液按體積比1:1配制，溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、15%、20%，試劑采用天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的分析純無水硫酸鈉，分子式，分子量142.04，含量不少于99.0%。試驗以清水養(yǎng)護作為基準組，試驗組分別從3d、7d齡期開始浸泡在不同濃度的溶液中，浸泡至28d齡期時測定混凝土的抗壓強度。

2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合試驗。試驗所施加荷載分為豎向連續(xù)荷載，采用自制的連續(xù)加載裝置，加載比例為10%、20%、30%、40%，腐蝕溶液為15%溶液，試驗以清水養(yǎng)護作為基準組，試驗組分別從3d、7d齡期開始施加不同比例的豎向荷載，同時浸泡在溶液濃度為15%溶液中，浸泡至28d齡期時測定混凝土的抗壓強度。

2 試驗結(jié)果

2.1 硫酸鹽腐蝕后早齡期28d抗壓強度測定結(jié)果及分析

試驗采用液壓式壓力試驗機測定混凝土28d抗壓強度，測試結(jié)果如表3和圖2所示。

圖1 連續(xù)荷載加壓裝置

表3 Na2S O4溶液腐蝕后混凝土28d抗壓強度（MPa）

圖2 硫酸鹽腐蝕后混凝土28d抗壓強度

結(jié)論：1.養(yǎng)護齡期為3d和7d后早齡期混凝土受Na2S O4溶液腐蝕后，混凝土28d抗壓強度均高于清水中養(yǎng)護的混凝土28d抗壓強度；2.Na2S O4腐蝕后早齡期混凝土28d抗壓強度隨Na2S O4溶液濃度的增加而增大；3.同一Na2S O4溶液濃度下，清水養(yǎng)護至7d腐蝕的混凝土28d抗壓強度低于于養(yǎng)護至3d腐蝕的混凝土28d的抗壓強度。

早齡期混凝土水化反應(yīng)快速進行，混凝土孔隙率隨養(yǎng)護時間的延長而降低，養(yǎng)護至3d的早齡期混凝土試塊較養(yǎng)護至7d的早齡期混凝土內(nèi)部孔隙率較高，受Na2S O4溶液腐蝕后，滲入早齡期混凝土內(nèi)部，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速水化反應(yīng)的進行，同時生成的產(chǎn)物迅速填充早齡期混凝土內(nèi)部孔隙，使早齡期混凝土密實度增加，從而提高早齡期混凝土的28d抗壓強度；隨著硫酸鹽溶液濃度的增加，硫酸鹽腐蝕速率加快，生成的腐蝕產(chǎn)物越多，填充早齡期混凝土內(nèi)部孔隙，使早齡期混凝土密實度越高，混凝土28d抗壓強度增大。

2.2 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用下早齡期混凝土28d抗壓強度測定結(jié)果及分析

試驗采用液壓式壓力試驗機測定混凝土28d抗壓強度，測試結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用混凝土28d抗壓強度

結(jié)論：1.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，隨著加載比例的增加，混凝土28d抗壓強度先增加后減小，且均大于清水養(yǎng)護的混凝土28d抗壓強度。2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，當(dāng)荷載加載比例為10%、20%、30%時，養(yǎng)護至3d的混凝土28d抗壓強度均高于同一荷載加載比例下養(yǎng)護至7d的混凝土28d抗壓強度高，當(dāng)荷載加載比例為40%時，養(yǎng)護至3d的混凝土28d抗壓強度低于養(yǎng)護至7d的混凝土28d抗壓強度低，且均高于清水養(yǎng)護的混凝土28d抗壓強度。

荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，在一定加載比例范圍內(nèi)，持續(xù)荷載作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，為的滲入提供通道，承受耦合作用時間越早，混凝土內(nèi)部越多，反應(yīng)產(chǎn)物越多，從而使混凝土28d抗壓強度越大；當(dāng)荷載加載比例為40%時，由于荷載較大，產(chǎn)生的微裂縫迅速增加，生成的腐蝕產(chǎn)物不足以完全填充混凝土內(nèi)部因荷載產(chǎn)生的微裂縫時，導(dǎo)致混凝土28d抗壓強度降低[4]。

圖3 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用下混凝土28d抗壓強度

3 結(jié)論

1.當(dāng)Na2S O4溶液濃度為0%～20%時，隨著Na2S O4溶液濃度的增加，混凝土28d抗壓強度增大，且均大于清水中養(yǎng)護28d混凝土抗壓強度；相同硫酸鹽溶液濃度腐蝕下，養(yǎng)護至3d的混凝土28d抗壓強度大于養(yǎng)護至7d的混凝土28d抗壓強度。

2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，持續(xù)荷載作用加速侵蝕性離子的進入，加速反應(yīng)產(chǎn)物的生成，從而提高混凝土28d抗壓強度。