氯鹽對(duì)灌注樁混凝土硫酸鹽腐蝕規(guī)律的影響

郝冬雪，茍星星，陳 榕，商效瑀

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.四川華煜電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川 成都 610031)

鹽漬土區(qū)域占我國可利用土地面積的4.88%[1]，主要分布于西北內(nèi)陸鹽湖地區(qū)以及東部濱海地區(qū)，含有氯鹽、亞氯鹽、硫酸鹽及亞硫酸鹽等物質(zhì).鹽漬土環(huán)境中地下混凝土結(jié)構(gòu)容易遭受各種鹽類物質(zhì)的侵蝕，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的服役年限.

在預(yù)制混凝土構(gòu)件抗腐蝕方面，許多研究者從抗腐蝕摻和料、水灰比、試件尺寸、試驗(yàn)加載條件等方面進(jìn)行了研究[2-9].Güneyisi等[2-4]通過摻入不同量的偏高嶺土、銅礦渣或粉煤灰來提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力.金祖權(quán)等[5]將混凝土在單一鹽溶液和氯鹽與硫酸鹽復(fù)合溶液中浸泡侵蝕，發(fā)現(xiàn)復(fù)合鹽溶液中一種離子對(duì)另一種離子的侵蝕作用起到抑制作用；王展飛等[6]研究了不同氯離子濃度對(duì)硫酸根在混凝土中擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明：氯鹽的存在對(duì)于硫酸根離子在混凝土中擴(kuò)散速度有較大的影響，硫酸根在混凝土中的擴(kuò)散速度隨著氯鹽的濃度增加而下降.韓曉麗[7]研究了低濃度氯鹽及水灰比對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響規(guī)律.左曉寶等[8]通過簡(jiǎn)化硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物之間的物理化學(xué)反應(yīng)來考慮硫酸根離子的耗散，建立了相應(yīng)的硫酸鹽擴(kuò)散-反應(yīng)模型.肖杰等[9]研究了不同粗細(xì)骨料組合下的混凝土耐硫酸腐蝕性.

與預(yù)制混凝土試件受腐不同，對(duì)于混凝土灌注樁等現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，存在混凝土澆注后即與腐蝕介質(zhì)直接接觸并發(fā)生腐蝕反應(yīng)的過程.在新拌混凝土抗腐蝕方面，近年一些研究者進(jìn)行了摻和料、水灰比、腐蝕介質(zhì)種類及濃度、腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土抗腐蝕性能影響的研究[10-19].Al-Dulaijan等[10-13]研究表明礦物摻和料如粉煤灰及礦渣的不同比例摻量會(huì)提高新拌混凝土的耐硫酸鹽侵蝕性.袁敬中等[14]研究了輸電線路灌注樁基礎(chǔ)在強(qiáng)腐蝕地區(qū)的適用性，通過室內(nèi)加速試驗(yàn)?zāi)M了施工過程中腐蝕介質(zhì)與鋼筋、未硬化的混凝土接觸對(duì)其耐久性的影響.姚明博等[15]通過預(yù)制及現(xiàn)澆柱狀混凝土試塊的侵蝕試驗(yàn)對(duì)比，分析了不同配合比混凝土灌注樁在不同濃度硫酸鹽中混凝土的質(zhì)量及強(qiáng)度變化，結(jié)果表明在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)(30 d～270 d)，混凝土質(zhì)量及強(qiáng)度變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì).Rahman等[16]研究了疏水性礦物結(jié)晶和固化劑在新拌混凝土中的應(yīng)用.Grammond[17]等采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土的抗碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕程度，結(jié)果表明，預(yù)制混凝土抗硫酸鹽腐蝕性要顯著好于現(xiàn)澆混凝土，并且在混凝土中摻適量混合材料如粉煤灰、礦渣、微硅粉、偏高嶺土有利于提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性.董慶友等[18]對(duì)比了新拌及預(yù)制混凝土在硫酸鈉及硫酸鎂溶液中的耐腐蝕性能，表明抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)和質(zhì)量變化率在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)(30 d～360 d)基本先增大后減小，且新拌混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)齡期都比預(yù)制混凝土要高.趙高文等[19]通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M干濕循環(huán)條件下氯鹽對(duì)現(xiàn)澆混凝土硫酸鹽腐蝕劣化及擴(kuò)散影響，結(jié)果表明，在干濕交替下氯鹽對(duì)硫酸鹽腐蝕存在加速效應(yīng).

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于混凝土抗腐蝕性的研究多針對(duì)養(yǎng)護(hù)期無腐蝕作用的預(yù)制混凝土試件，對(duì)于復(fù)雜鹽漬環(huán)境多種離子侵蝕灌注樁混凝土等現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕規(guī)律研究較少，且對(duì)于早期(齡期小于30 d)混凝土的侵蝕過程研究有限.因此，本文利用室內(nèi)試驗(yàn)條件模擬實(shí)際工程中灌注樁混凝土受硫酸鹽及氯鹽的復(fù)合侵蝕過程，通過對(duì)新制混凝土試塊在6種不同濃度溶液中進(jìn)行為期1 d、2 d、3 d、7 d、21 d、30 d、60 d、90 d、120 d的全浸泡試驗(yàn)及試塊侵蝕后的物理及力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合XRD分析了混凝土的腐蝕產(chǎn)物差異，探討了濕環(huán)境下氯鹽存在及鹽液濃度對(duì)新拌混凝土抗硫酸鹽侵蝕性及硫酸根離子侵蝕速率的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

為研究灌注樁混凝土抗腐蝕性能，采用100 mm×100 mm×100 mm現(xiàn)澆混凝土試塊進(jìn)行全浸泡侵蝕試驗(yàn).水泥采用吉林冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料使用松花江河沙；粗骨料采用碎石，粒徑范圍在15 mm～25 mm之間；粉煤灰采用吉林市源源熱電廠出產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25；硫酸鈉采用工業(yè)用純度為98%的氯化鈉粉末(元明粉)；氯化鈉采用含量為98%的工業(yè)鹽氯化鈉；拌和用水采用自來水.配合比如表1所示.

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究氯鹽的存在對(duì)灌注樁混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能的影響，進(jìn)行硫酸鹽及硫酸鹽和氯鹽共同作用下新澆筑混凝土的全浸泡試驗(yàn)，分析現(xiàn)澆混凝土抗腐蝕性能及侵蝕規(guī)律，試驗(yàn)方案如表2所示.將現(xiàn)澆的混凝土試塊分別浸泡在清水及不同鹽類溶液中，間隔1 d、2 d、3 d、7 d、21 d、30 d、60 d、90 d、120 d測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)度，在侵蝕7 d、30 d、120 d時(shí)測(cè)量硫酸根離子的侵入量，并測(cè)定侵蝕齡期7天的生成物質(zhì).在研究硫酸鹽溶液的侵蝕作用時(shí)，參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]，選擇2%、5%、10%三種硫酸鈉溶液濃度；在研究氯鹽存在對(duì)硫酸鈉侵蝕新筑混凝土的影響時(shí)，選擇濃度10%的硫酸鈉溶液，變化氯化鈉溶液濃度0.5%、2%和5%共同侵蝕試塊.試塊數(shù)量列于表2，其中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用3個(gè)試塊平行進(jìn)行.

在氣溫約18 ℃下澆筑100 mm×100 mm×100 mm大小的試塊，放置24 h后拆除磨具[15]，直接放置于不同濃度鹽溶液中全浸泡.為掌握硫酸根離子的一維擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)測(cè)定硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)所需的試塊采用單面侵蝕，即混凝土試塊側(cè)面及底面用石蠟密封，僅留上表面接觸侵蝕溶液.試驗(yàn)容器為300 mm×600 mm×400 mm的塑料箱，每個(gè)箱內(nèi)放入6個(gè)試塊，溶液漫過試塊約5 cm；為防止溶液蒸發(fā)，用塑料薄膜密封，并加蓋塑料蓋，同時(shí)，考慮離子侵入試塊產(chǎn)生溶液濃度的減少，為保證侵蝕溶液濃度不變，在試樣浸泡侵蝕期間定期監(jiān)測(cè)和調(diào)整腐蝕液的濃度.

表2 試樣浸泡分組及數(shù)量

1.2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究混凝土受侵蝕后的強(qiáng)度變化，在每個(gè)侵蝕齡期內(nèi)從每組溶液中取出三個(gè)試塊，在室溫下放置5 h至表面干燥并擦拭干凈，使用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試樣與壓力機(jī)上下承壓板均勻接觸后，以5 kN/s速率連續(xù)加載至試塊損壞，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù).

混凝土抗壓強(qiáng)度取三個(gè)試塊試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值；其中為排除偶然誤差的影響，當(dāng)出現(xiàn)三個(gè)數(shù)值之間的最大值或最小值與中間值之差超過中間值的15%時(shí)刪除該值，取中間值作為本組抗壓強(qiáng)度.由于本試驗(yàn)采用混凝土試塊大小為100 mm×100 mm×100 mm，依據(jù)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[21]要求，試驗(yàn)所得抗壓強(qiáng)度乘以系數(shù)0.95作為最終抗壓強(qiáng)度值.

1.2.2 混凝土內(nèi)硫酸根離子含量測(cè)量

通過測(cè)定單面侵蝕條件下不同侵蝕期時(shí)(7 d、30 d、120 d)混凝土內(nèi)部硫酸根離子的含量，在一定程度上反映混凝土受一維侵蝕過程.采用混凝土切割機(jī)切割2 cm厚的薄片，因切割機(jī)刀片較厚，切割過程中有混凝土粉末損耗，每切一片后量測(cè)剩余混凝土試塊高度，以判定切片混凝土在原試塊中的位置.各試塊切割采用的方式相同，每片厚度中點(diǎn)在原試塊中的位置均為1 cm，4 cm和7 cm.將各切片研磨、過篩、取樣得到混凝土粉末，選用化學(xué)滴定法測(cè)定混凝土內(nèi)部硫酸根含量[22].

1.2.3 XRD衍射實(shí)驗(yàn)

為確定不同溶液下硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物和侵蝕類型，通過XRD實(shí)驗(yàn)對(duì)清水組、10%硫酸鈉組、10%硫酸鈉+0.5%氯化鈉混合組浸泡7 d的混凝土進(jìn)行物相分析.試驗(yàn)采用島津XRD7000 X射線衍射儀，取抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試塊壓碎后的粉末，過1 mm砂石篩，取篩后混凝土粉末，進(jìn)行入射角度為10°～80°的XRD衍射實(shí)驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同腐蝕條件下混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

硫酸鈉溶液和硫酸鈉與氯化鈉混合溶液中混凝土的抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的變化，如圖1所示.為清楚看到鹽液侵蝕對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，同時(shí)繪出了清水組混凝土試樣的強(qiáng)度.由圖可見，各組混凝土試樣強(qiáng)度在前30天快速增長(zhǎng)，之后增速放緩，在試驗(yàn)期內(nèi)(120 d)，均表現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì).在7 d～120 d侵蝕齡期內(nèi)，10%硫酸鈉單獨(dú)溶液及其與5%氯化鈉混合液侵蝕的試塊抗壓強(qiáng)度值最低，且始終低于清水組.

SolutionConcentrationCorrosion time /d123721306090120Na2SO42%1.171.361.150.961.041.121.161.100.985%1.351.441.220.970.950.981.041.030.9610%1.421.521.230.720.790.870.940.940.91Na2SO4+Nacl10%+0.5%1.161.431.091.001.011.021.061.141.1110%+2%1.191.461.140.890.910.961.001.040.9710%+5%1.41.641.30.800.900.920.961.000.94

采用混凝土抗壓耐蝕系數(shù)Kf=fcn/fco作為腐蝕影響的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，fcn為試件在硫酸鹽溶液中浸泡n天的抗壓強(qiáng)度平均值(MPa)，fco為試件在清水中浸泡n天的抗壓強(qiáng)度平均值(MPa).當(dāng)抗壓耐蝕系數(shù)Kf大于1時(shí)，鹽溶液侵蝕組中試塊的抗壓強(qiáng)度大于清水對(duì)照組，表明試塊的抗壓強(qiáng)度得到增強(qiáng)；而當(dāng)Kf小于1時(shí)，鹽溶液侵蝕組中試塊的抗壓強(qiáng)度小于清水對(duì)照組，表明試塊被侵蝕，抗壓強(qiáng)度降低.不同溶液中不同腐蝕齡期時(shí)試塊的抗壓耐蝕系數(shù)，如表3所示.

2.1.1 硫酸鈉溶液濃度對(duì)混凝土抗腐蝕性影響

不同濃度硫酸鈉溶液中混凝土抗壓耐蝕系數(shù)隨侵蝕時(shí)間的變化，如圖2所示.由圖2可見，各濃度侵蝕組中在侵蝕前期，即7 d之前，混凝土試塊的抗壓耐蝕系數(shù)均大于1，表明硫酸鈉溶液有利于早期混凝土強(qiáng)度的產(chǎn)生；侵蝕7 d時(shí)Kf值降至1以下；7 d之后，對(duì)于三種硫酸鈉濃度的溶液，各試塊抗壓耐蝕系數(shù)Kf均隨著侵蝕齡期增加而提高，在侵蝕齡期達(dá)到60 d時(shí)，Kf值達(dá)到峰值，之后，隨著侵蝕齡期的增長(zhǎng)，Kf值開始下降；在試驗(yàn)的最大侵蝕齡期(120 d)時(shí)，不同硫酸鈉濃度溶液中試塊的Kf值均低于1，即120 d侵蝕后，受硫酸鈉溶液侵蝕的新拌混凝土的強(qiáng)度低于未受侵蝕的混凝土強(qiáng)度.由Kf隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)可見，當(dāng)侵蝕齡期超過120 d后，試樣的抗壓強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)降低，但由于時(shí)間有限，本試驗(yàn)僅進(jìn)行至120 d的浸泡侵蝕.

Kf值的這種變化規(guī)律是由于在侵蝕前期混凝土內(nèi)部發(fā)生水化作用以及硫酸根離子對(duì)混凝土的侵蝕作用，水泥水化作用與腐蝕產(chǎn)物共同作用提高了混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)；而隨著侵蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土水化作用的完成，隨著硫酸根離子的持續(xù)侵蝕而導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的堆積，產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致混凝土抗壓耐蝕系數(shù)的降低.

混凝土試塊在侵蝕齡期超過7 d后的任一齡期，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，抗壓耐蝕系數(shù)逐漸降低；10%濃度硫酸鈉溶液中侵蝕的混凝土試塊抗壓耐蝕系數(shù)在后續(xù)試驗(yàn)齡期內(nèi)均小于1，說明混凝土受腐蝕最嚴(yán)重，7 d齡期時(shí)強(qiáng)度損失最多，為28.39%， 120 d的侵蝕齡期內(nèi)強(qiáng)度損失10%.

2.1.2 氯化鈉溶液濃度對(duì)混凝土抗硫酸鹽腐蝕性影響

10%硫酸鈉與不同濃度氯化鈉混合溶液中混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)，如圖3所示.由圖3可見，在侵蝕前期(1 d～3 d)試塊的抗壓耐蝕系數(shù)均大于1，鹽溶液侵蝕組中抗壓強(qiáng)度高于清水對(duì)照組；在侵蝕7 d之后各組混合溶液中抗壓耐蝕系數(shù)在試驗(yàn)齡期內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在90 d侵蝕齡期時(shí)達(dá)到峰值.復(fù)摻氯化鈉的各組中抗壓耐蝕系數(shù)均高于硫酸鈉單獨(dú)侵蝕作用下的抗壓耐蝕系數(shù)，說明復(fù)摻氯化鈉在一定程度上抑制了硫酸鈉對(duì)于混凝土的侵蝕，提高了混凝土的強(qiáng)度.

對(duì)比不同氯化鈉摻量各組試塊的抗壓耐蝕系數(shù)，氯化鈉濃度在0.5%～5%范圍內(nèi)，其摻量越低對(duì)硫酸鈉侵蝕的抑制作用越明顯；在復(fù)摻0.5%氯化鈉的溶液中抗壓耐蝕系數(shù)均大于1，說明在該濃度溶液中試塊的強(qiáng)度得到了增強(qiáng)；其原因?yàn)槁塞}的存在導(dǎo)致硫酸根離子的擴(kuò)散速率降低，從而侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子含量減少，混凝土受到硫酸根離子的侵蝕作用減弱，在下文的擴(kuò)散系數(shù)分析中可以得到證明.

表4 硫酸根離子含量(%)

2.2 硫酸根離子侵蝕規(guī)律

2.2.1 混凝土內(nèi)部硫酸根離子含量

混凝土中硫酸根離子的含量測(cè)定采用化學(xué)滴定法，以每切割2 cm厚的混凝土切片中硫酸根離子的含量作為該層中間位置的硫酸根離子含量值.試驗(yàn)中取1 g待測(cè)混凝土粉末進(jìn)行滴定，得出硫酸根離子含量.各組侵蝕溶液中侵蝕齡期為7 d、30 d、120 d時(shí)混凝土試塊不同深度處的硫酸根離子含量，如表4所示.

2.2.2 硫酸鈉溶液?jiǎn)为?dú)作用時(shí)硫酸根離子侵蝕規(guī)律

不同濃度硫酸鈉溶液中7 d、30 d、120 d侵蝕齡期時(shí)混凝土內(nèi)部不同深度處硫酸根離子含量變化的曲線，如圖4(a)～圖4(c)所示.由圖4可見，清水浸泡組中混凝土內(nèi)部有硫酸根離子的存在，并且隨著深度的增加其含量變化幅度不大，1 g混凝土粉末中的含量約維持在0.024 g.

在各侵蝕浸泡組中，隨著深度增加硫酸根離子含量遞減，并且越向深處侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子含量衰減速度越快；隨著硫酸鈉侵蝕溶液濃度的升高，侵入混凝土內(nèi)部硫酸根離子的含量越高，但2%與5%濃度硫酸鈉侵蝕組中，混凝土內(nèi)部硫酸根離子含量在7 cm處基本相同.

2.2.3 混合鹽液作用時(shí)硫酸根離子侵蝕規(guī)律

侵蝕齡期7 d、30 d、120 d時(shí) 10%硫酸鈉與不同濃度氯化鈉混合溶液中混凝土內(nèi)部不同深度處硫酸根離子含量變化的曲線，如圖5所示.在7 d、30 d、120 d的腐蝕時(shí)間段，硫酸鈉與氯化鈉混合組中侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子含量均小于10%硫酸鈉單獨(dú)侵蝕組中混凝土內(nèi)部的硫酸根離子含量，但是高于清水組中試塊內(nèi)部的硫酸根離子含量；隨著氯化鈉濃度的增加，侵入試塊內(nèi)部硫酸根離子的含量也增加，即摻有5%氯化鈉的混合液中試塊內(nèi)部硫酸根離子含量最高，2%氯化鈉混合液中硫酸根離子含量次之，0.5%氯化鈉混合液中硫酸根離子含量最低；這說明氯離子的存在抑制了硫酸根離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，同時(shí)抑制了硫酸根離子的侵蝕作用，但其抑制作用并非與氯離子濃度成正比.

各硫酸鈉與氯化鈉混合液中侵入試塊的硫酸根離子含量在7 cm深度處趨于相同，接近清水組；與單獨(dú)硫酸鹽作用相比，氯鹽存在加速了硫酸根離子隨深度的衰減速度.

2.3 混凝土內(nèi)部硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)

硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)能反映出混凝土內(nèi)部硫酸根離子濃度的分布，能較準(zhǔn)確地描述硫酸根離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度.根據(jù)測(cè)得的各侵蝕組中混凝土內(nèi)部不同位置的硫酸根離子含量，運(yùn)用Fick第二定律計(jì)算硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)D[24]，F(xiàn)ick第二定律為

(1)

公式變換為

(2)

公式中：c(x，t)為硫酸根離子的含量；t為結(jié)構(gòu)暴露于硫酸根離子環(huán)境中的時(shí)間，s；x為侵蝕的深度，cm，在本次試驗(yàn)中分別為1 cm、4 cm及7 cm；D為硫酸根離子在混凝土中擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s，通過計(jì)算得到；c0為初始濃度，取清水組中試塊在三個(gè)不同位置測(cè)得的硫酸根離子含量算術(shù)平均值；cs為表面濃度，取混凝土沿侵蝕面1 cm處硫酸根離子濃度值；erf(x)為誤差函數(shù)；利用Matlab求解公式(2)，得到擴(kuò)散系數(shù)D.

2.3.1 硫酸鈉溶液?jiǎn)为?dú)作用時(shí)硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)

不同濃度硫酸鈉侵蝕作用下硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)與侵蝕時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖6所示.由圖6可見，在同一腐蝕時(shí)間內(nèi)，硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)隨著硫酸鈉溶液濃度的升高而增大.不同硫酸鈉濃度侵蝕時(shí)，硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)均隨著侵蝕時(shí)間的增加而降低，其中在侵蝕前期降低的速度最快；2%和5%硫酸鈉侵蝕溶液時(shí)，在30 d之后硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)基本穩(wěn)定，10%硫酸鈉溶液時(shí)，30 d之后硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)下降速率放緩，三種不同濃度侵蝕溶液中硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)在120 d時(shí)趨近相同，由此推測(cè)120 d后，10%硫酸鈉溶液侵蝕時(shí)硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)可能趨于穩(wěn)定.對(duì)比不同濃度時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，硫酸鈉濃度對(duì)于硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生的影響逐漸減弱.產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因是硫酸根離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散與硫酸根離子的濃度梯度有關(guān)，在侵蝕初期腐蝕溶液中硫酸根離子濃度較高，但試塊內(nèi)部硫酸根離子含量很低，混凝土試塊內(nèi)外濃度差很大，硫酸根離子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域快速擴(kuò)散，而隨著侵蝕時(shí)間的增加，混凝土試塊內(nèi)部硫酸根離子濃度逐步升高，試塊內(nèi)外部的濃度差減少，硫酸根離子的擴(kuò)散速率也隨著減小，因此硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的增加而不斷地減少.

2.3.2 氯化鈉濃度對(duì)硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

硫酸鈉與氯化鈉混合溶液共同侵蝕作用下硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)曲線，如圖7所示.根據(jù)圖7中曲線規(guī)律可知，在試驗(yàn)齡期內(nèi)混合溶液中試塊硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)均小于硫酸鈉溶液?jiǎn)为?dú)作用時(shí)硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)，這說明當(dāng)有氯離子存在時(shí)，硫酸根離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散受到了影響.

對(duì)比不同濃度氯化鈉組中硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)，在同一腐蝕時(shí)間段氯化鈉摻量5%的對(duì)照組中硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)最高，氯化鈉摻量0.5%時(shí)硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)最低，表明在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)氯化鈉摻量越低，硫酸根離子對(duì)于混凝土的侵蝕作用越弱.

在10%硫酸鈉+0.5%氯化鈉中，隨著時(shí)間增加，侵入混凝土的硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)基本保持不變；10%硫酸鈉+2%氯化鈉、10%硫酸鈉+5%氯化鈉混合溶液中，侵入混凝土的硫酸根離子擴(kuò)散系數(shù)隨著腐蝕時(shí)間的增加而減小，侵蝕30 d以內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)快速下降，30 d之后，擴(kuò)散系數(shù)減小速率放緩，并且不同氯化鈉含量組在120 d時(shí)趨近相同.

2.4 XRD衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)清水組、10%硫酸鈉組及10%硫酸鈉與0.5%氯化鈉混合組中浸泡侵蝕7 d的混凝土試塊進(jìn)行XRD衍射實(shí)驗(yàn)，得出XRD衍射圖像如圖8～圖10所示，其中A表示鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)、B表示石膏(CaSO4·2H2O)、C表示十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)、D表示氫氧化鈣(Ca(OH)2).

圖9 10%硫酸鈉組混凝土XRD衍射圖譜圖10 10%硫酸鈉+0.5%氯化鈉組混凝土XRD衍射圖譜

從圖中可以看出，在清水組中浸泡7 d的混凝土中主要成分為二氧化硅(SiO2)、氫氧化鈣(Ca(OH)2)以及硅酸三鈣(C3S)等物質(zhì)；在10% Na2SO4組中浸泡的混凝土內(nèi)，主要物質(zhì)除上述三種外，還有十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)、鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)及石膏(CaSO4·2H2O)等硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物；在10% Na2SO4+0.5%NaCl組中浸泡混凝土，主要物質(zhì)有SiO2、Ca(OH)2及C3S，此外還有十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)及鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)等產(chǎn)物.綜合以上三組分析可得出結(jié)論：

(1)在10% Na2SO4組中混凝土試塊發(fā)生物理侵蝕及化學(xué)侵蝕；其中物理侵蝕主要產(chǎn)物為十水硫酸鈉晶體，體積變大使混泥土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量后導(dǎo)致混凝土開裂；其物理侵蝕的反應(yīng)式為：Na2SO4+10H2O = Na2SO4·10H2O.化學(xué)侵蝕主要為鈣礬石型硫酸鹽侵蝕和石膏型硫酸鹽侵蝕兩類，其中鈣礬石型硫酸鹽侵蝕的主要產(chǎn)物為鈣礬石晶體(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，反應(yīng)式為：Na2SO4·10H2O + Ca(OH)2= CaSO4·2H2O + 2NaOH+ 8H2O；4CaO·Al2O3·13H2O + 3(CaSO4·2H2O) + 14H2O = 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O + Ca(OH)2.石膏型硫酸鹽侵蝕的主要產(chǎn)物為石膏(CaSO4·2 H2O)，其反應(yīng)化學(xué)式為：Ca(OH)2+ Na2SO4= Ca2++ SO42-+ Na++ OH-；Ca(OH)2+ Na2SO4+2H2O = CaSO4·2H2O +2NaOH.

(2)在10% Na2SO4+0.5%NaCl組中浸泡混凝土，沒有出現(xiàn)石膏等物質(zhì)，說明氯鹽的存在一定程度上抑制了石膏型硫酸鹽化學(xué)侵蝕，主要發(fā)生鈣礬石型硫酸鹽侵蝕及物理侵蝕.在硫酸鹽與氯鹽共存條件下，在混凝土內(nèi)部氯離子的擴(kuò)散速度大于硫酸根離子，氯離子可以提前與混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生反應(yīng)，生成物質(zhì)會(huì)阻礙硫酸根離子侵入混凝內(nèi)部，從而減小了混凝土中侵入硫酸根離子含量，影響石膏(CaSO4·2 H2O)的生成.

3 結(jié) 論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室澆筑未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊進(jìn)行全浸泡侵蝕試驗(yàn)，模擬現(xiàn)澆混凝土灌注樁受硫酸鹽及氯鹽共同作用的侵蝕過程，測(cè)定受侵蝕后混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度及硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)，并且通過XRD衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)受侵蝕混凝土的生成產(chǎn)物進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)硫酸鈉單獨(dú)作用及硫酸鈉和氯化鈉共同作用下，在侵蝕前7 d，混凝土抗壓耐蝕系數(shù)均大于1，試塊的強(qiáng)度高于清水對(duì)照組；在7 d～120 d呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).在硫酸鈉單獨(dú)作用時(shí)，抗壓耐蝕系數(shù)隨著硫酸鈉溶液濃度的升高而下降；在硫酸鈉和氯化鈉溶液共同作用時(shí)，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)抗壓耐蝕系數(shù)隨著氯化鈉含量的升高而降低，但均高于硫酸鈉單獨(dú)作用時(shí)的抗壓耐蝕系數(shù)，表明氯鹽的存在抑制了硫酸鹽對(duì)于混凝土侵蝕所造成的強(qiáng)度損失，并且氯鹽含量越低效果越明顯.

(2)侵入混凝土試塊中的硫酸根離子隨著侵入深度的增加逐漸減小，并且越向深處侵入混凝土內(nèi)部的硫酸根離子含量衰減速度越快；不同硫酸鈉濃度侵蝕時(shí)，硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)均隨著侵蝕時(shí)間的增加而降低；在同一腐蝕時(shí)間內(nèi)，硫酸根離子的擴(kuò)散系數(shù)隨著硫酸鈉溶液濃度的升高而增大.氯離子的存在抑制了硫酸根離子在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，并且加速了硫酸根離子隨深度的衰減速度.

(3)鹽液腐蝕下，混凝土內(nèi)部發(fā)生物理侵蝕及化學(xué)侵蝕，單獨(dú)硫酸鹽溶液作用下，其化學(xué)侵蝕包含鈣礬石型和石膏型兩種；0.5%氯鹽與10%硫酸鹽溶液共同作用下，氯離子的先期反應(yīng)阻礙了石膏型硫酸鹽侵蝕發(fā)生，僅出現(xiàn)鈣礬石型硫酸鹽侵蝕，從而減少了硫酸鹽對(duì)于混凝土侵蝕所造成的強(qiáng)度損失.

(4)由于時(shí)間所限，本試驗(yàn)的侵蝕齡期僅為120 d，后續(xù)仍需進(jìn)行長(zhǎng)期侵蝕試驗(yàn)，進(jìn)一步探討復(fù)合鹽液作用下混凝土強(qiáng)度劣化及耐久性等.