柴達(dá)木盆地凍融、鹽蝕環(huán)境下混凝土腐蝕機(jī)理及耐久性研究

王 天

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

柴達(dá)木盆地區(qū)域水土腐蝕性高，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求較高。已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，劉連新等提出摻加粉煤灰、礦渣等添加劑可提高混凝土耐久性的措施[1-4]，張玉棟等給出復(fù)雜鹽浸環(huán)境下混凝土的腐蝕機(jī)理[5-6]，張洪亮等研究混凝土適用壽命與保護(hù)層厚度的關(guān)系[7-8]，嚴(yán)福章等提出黏結(jié)力損失和強(qiáng)度降低是硫酸鹽環(huán)境下混凝土的主要破壞形式[9-11]?；谇叭说难芯砍晒ㄟ^(guò)配制與實(shí)際腐蝕環(huán)境相似的硫酸鹽和氯鹽腐蝕溶液開(kāi)展鹽浸-干濕(濕濕)-凍融循環(huán)等試驗(yàn)，對(duì)摻加抗凍防腐劑混凝土在強(qiáng)硫酸鹽和氯鹽環(huán)境下的耐久性指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，探究該環(huán)境下混凝土的腐蝕破壞機(jī)理，并提出相應(yīng)的改善措施[12-17]。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 研究?jī)?nèi)容

本次研究的重點(diǎn)是對(duì)摻加抗凍防腐劑混凝土進(jìn)行耐久性研究?；炷猎嚰凑誄30、C35、C40、C45、C50五種不同等級(jí)分為兩類，一類為不摻加外加劑的普通混凝土，另一類為摻加抗凍防腐劑的混凝土。

1.2 研究方法

(1)試件的制作及養(yǎng)護(hù)

按照C30、C35、C40、C45、C50五種不同強(qiáng)度等級(jí)，制作150 mm×150 mm×150 mm抗壓強(qiáng)度試件，100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)抗?jié)B試件、慢速抗凍試件，100 mm×100 mm×400 mm標(biāo)準(zhǔn)快速抗凍試件。每種等級(jí)的混凝土按照不摻加和摻加抗凍防腐劑分為兩組。編號(hào)分別為C30-1～C50-1(不摻加外加劑的普通混凝土)和C30-2～C50-2(摻加抗凍防腐劑的混凝土)。所有成型試件在溫度20 ℃，相對(duì)濕度大于90%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d。各標(biāo)號(hào)混凝土試件配合比如表1所示。添加防腐劑后兩組混凝土的水膠比保持一致，2組混凝土含氣量較1組有所提高。

(2)工程區(qū)域特點(diǎn)及腐蝕性溶液的配制

工程區(qū)域海拔為2 800～3 000 m，全線均處于鹽漬土地區(qū)。部分區(qū)域鹽巖厚度達(dá)1～3 m，氯鹽環(huán)境作用等級(jí)均達(dá)到或超過(guò)L3；部分區(qū)域化學(xué)侵蝕和鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境已達(dá)到或超過(guò)H4和Y4等級(jí)。由于工程區(qū)域鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、氯鹽環(huán)境作用等級(jí)較高，故本次研究重點(diǎn)進(jìn)行鹽類結(jié)晶破壞和氯鹽破壞試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況配制腐蝕性溶液，侵蝕性溶液見(jiàn)表2。

表1 混凝土配合比

表2 侵蝕性溶液成分

(3)試驗(yàn)內(nèi)容及檢測(cè)方法

①對(duì)試件進(jìn)行密實(shí)性試驗(yàn)，采用電通量試驗(yàn)進(jìn)行混凝土密實(shí)性檢測(cè)。

②對(duì)試件進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，采用抗?jié)B儀對(duì)進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，測(cè)量同壓力下抗?jié)B高度。

③對(duì)試件進(jìn)行慢速凍融循環(huán)試驗(yàn)。采用凍融1組，硫酸鹽浸泡1組，氯鹽浸泡1組，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失。

④對(duì)試件進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗(yàn)。采用凍融1組，硫酸鹽浸泡1組，氯鹽浸泡1組，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的動(dòng)彈性模量?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖1所示。

圖1 測(cè)試情況示意

2 抗?jié)B試驗(yàn)

2.1 密實(shí)性檢測(cè)

將1組和2組試件進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，檢測(cè)其電通量，兩組試件電通量對(duì)比如圖2所示。

圖2 電通量對(duì)比

由圖2可知，2組電通量有較大幅度降低，除C30混凝土外，其余標(biāo)號(hào)混凝土電通量降幅達(dá)28%～53%?？梢耘袛嗵砑涌箖龇栏瘎┠艽蠓岣呋炷撩軐?shí)性，并且混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高效果越明顯。

2.2 抗?jié)B性檢測(cè)

將1組和2組試件進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，檢測(cè)其滲透高度及滲透高度比，兩組試件滲透高度對(duì)比如圖3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C30普通混凝土試件在滲透等級(jí)達(dá)到P9時(shí)，構(gòu)件已經(jīng)全部滲透，為使試驗(yàn)具有可比性，其他混凝土試件抗?jié)B等級(jí)加至P9時(shí)均停止試驗(yàn)。

圖3 滲透高度對(duì)比

數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土標(biāo)號(hào)的提高，其滲透高度呈下降趨勢(shì)，除C50混凝土外，其他摻防腐劑混凝土的滲透高度較普通混凝土有大幅下降，平均降幅達(dá)37%～56%。由此可見(jiàn)，添加抗凍防腐劑可增加混凝土的密實(shí)性。

3 慢速凍融、鹽浸試驗(yàn)

按照配制的腐蝕性溶液對(duì)試件進(jìn)行慢速凍融循環(huán)。采用氣凍水溶法進(jìn)行凍融循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為66次。冷凍期間試驗(yàn)箱內(nèi)氣溫控制在-20 ℃～-18 ℃，融化水溫控制在18 ℃～20 ℃。分別檢測(cè)硫酸鹽、氯鹽溶液中試件凍融后強(qiáng)度和質(zhì)量損失?？箟簭?qiáng)度損失率如圖4所示，質(zhì)量損失率如圖5所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度損失率對(duì)比

圖5 質(zhì)量損失率對(duì)比

由圖4可知，混凝土抗壓強(qiáng)度損失率隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而減??；2組試件的抗壓強(qiáng)度損失率較1組減小22%～54%；硫酸鹽環(huán)境中的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率小于氯鹽環(huán)境。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提高混凝土標(biāo)號(hào)可在一定程度上減小混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率；添加防腐劑等外加劑可以有效提高混凝土抗腐蝕能力；柴達(dá)木盆地高氯鹽環(huán)境對(duì)混凝土腐蝕程度的影響遠(yuǎn)大于硫酸鹽。

由圖5可知，試件質(zhì)量在鹽溶液腐蝕性環(huán)境下變化不大，強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土質(zhì)量有略微增加；2組試件的質(zhì)量增長(zhǎng)量相對(duì)要比1組略小。通過(guò)試驗(yàn)可得出，添加防腐劑等外加劑可以削弱腐蝕性鹽類對(duì)混凝土的滲透。

4 快速凍融、鹽浸試驗(yàn)

按照配制的腐蝕性溶液對(duì)試件進(jìn)行快速凍融循環(huán)。采用水凍水溶法進(jìn)行凍融循環(huán)。凍融循環(huán)從20 ℃開(kāi)始，使溫度均勻的降至-18±2 ℃，維持1 h；然后使溫度均勻升至20±1 ℃，維持1 h，完成一個(gè)循環(huán)。分別檢測(cè)硫酸鹽、氯鹽溶液中試件凍融后相對(duì)動(dòng)彈性模量。部分凍融循環(huán)后的試件如圖6所示。測(cè)試期間1組C30強(qiáng)度試件在試驗(yàn)過(guò)程中破壞(無(wú)測(cè)試數(shù)據(jù))。其他試件相對(duì)動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖6 部分試件形狀

圖7 相對(duì)動(dòng)彈性模量

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在快速凍融條件下，C30、C35低強(qiáng)度混凝土在添加防腐劑后相對(duì)動(dòng)彈性模量損失較小，而C40～C50等中高強(qiáng)度混凝土兩組試件動(dòng)彈性模量損失相當(dāng)。說(shuō)明在快速凍融條件下，添加防腐劑后，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土耐久性得到提高；干濕循環(huán)條件下混凝土的腐蝕情況較濕濕循環(huán)嚴(yán)重。

5 混凝土凍融、有害鹽類腐蝕機(jī)理分析

5.1 混凝土的特點(diǎn)及被腐蝕類型

混凝土是包含粗、細(xì)骨料和水泥等固體顆粒物質(zhì)，游離水和結(jié)晶水等液體，以及氣孔和裂隙中的空氣等所組成的非勻質(zhì)、非同向的三相混合材料。混凝土內(nèi)部空隙是配制及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的必然產(chǎn)物，一般分為凝膠孔、毛細(xì)孔和非毛細(xì)孔三類，其中，毛細(xì)孔總體積約占混凝土體積的10%～15%。由于毛細(xì)孔大多為開(kāi)放孔，故其對(duì)混凝土的耐久性影響最大。

混凝土被腐蝕類型主要有滲透、凍融、堿-骨料反應(yīng)、碳化和化學(xué)腐蝕等幾種。其中，與外部水、土環(huán)境及氣候條件相關(guān)的主要有滲透、凍融和化學(xué)腐蝕三種。該三種腐蝕均與混凝土中孔隙或水泥水化產(chǎn)物相關(guān)，故混凝土中的孔隙和水泥水化產(chǎn)物是混凝土耐久性研究的重點(diǎn)。

水泥中主要礦物組成為硅酸三鈣(含量37%～60%)、硅酸二鈣(含量15%～37%)、鋁酸三鈣(含量7%～15%)、鐵鋁酸四鈣(含量10%～18%)。水泥水化過(guò)程反應(yīng)式如下。

2C3S+6H2O=3CaO·2SiO2·

3H2O(C-S-H凝膠體)+3Ca(OH)2

(1)

2C2S+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(2)

C3A+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O(水化鋁酸三鈣)

(3)

C4AF+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+

CaO·Fe2O3·H2O

(4)

在混凝土中，有石膏存在的情況下，生成的水化鋁酸鈣會(huì)與石膏反應(yīng)生成鈣礬石，在石膏消耗完后，部分鈣礬石會(huì)轉(zhuǎn)化成單硫型水化硫鋁酸鈣。水泥充分水化后，水泥石中C-S-H凝膠約占70%，Ca(OH)2約占20%，鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣約占7%。

5.2 凍融腐蝕機(jī)理分析

通過(guò)密實(shí)性和滲透試驗(yàn)結(jié)果分析，混凝土在添加防腐劑后，其密實(shí)性得到了提高，減少了混凝土內(nèi)部貫通和開(kāi)放的孔隙，從而提高了抗?jié)B性能。

目前，認(rèn)可程度較高的凍融破壞理論是膨脹壓理論和滲透壓理論，認(rèn)為混凝土凍融破壞是由于微量水進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在凍融循環(huán)下引起體積不斷膨脹，進(jìn)而加速混凝土內(nèi)部孔隙貫通，最終導(dǎo)致混凝土凍脹破壞?；炷羶?nèi)部有害孔洞因凍脹而產(chǎn)生的改變將直接導(dǎo)致混凝土松散結(jié)構(gòu)破壞。

在添加抗凍防腐劑后，提高了混凝土密實(shí)性和含氣量，在混凝土內(nèi)部形成了大量的分布均勻、但互不連通的封閉形微氣孔，在發(fā)生凍脹時(shí)，可吸收毛細(xì)孔水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹力，減輕對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。故在凍融試驗(yàn)中，2組試件破壞程度較1組試件明顯減輕。

5.3 有害鹽類腐蝕機(jī)理分析

從硫酸鹽、氯鹽-凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種鹽類腐蝕情況下混凝土質(zhì)量均產(chǎn)生微量增加，增加部分質(zhì)量為鹽類結(jié)晶產(chǎn)物。

在硫酸鹽環(huán)境下，在水環(huán)境作用下，腐蝕溶液滲入混凝土中與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成石膏，溶解Ca(OH)2的同時(shí)石膏體積膨脹；石膏再與水泥水化物水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石。反應(yīng)式為

3CaO·Al2O3·6H2O→3CaO·Al2O3·

3CaSO4·31H2O(鈣礬石)

(5)

膨脹性是鈣礬石的最大特性，能使固相體積增大約120%。同樣在硫酸鹽、水環(huán)境及特定溫度作用下，轉(zhuǎn)化為晶體水化物時(shí)體積發(fā)生劇烈膨脹，硫酸鈉水化物晶體膨脹率達(dá)到311%。由此可見(jiàn)，在硫酸鹽作用下，混凝土中的Ca(OH)2損失使其強(qiáng)度降低，各種鹽類水化物晶體發(fā)生膨脹，使混凝土內(nèi)部膠結(jié)材料界面脹裂。故硫酸鹽腐蝕屬于結(jié)晶膨脹型破壞。

在氯鹽環(huán)境下，水泥水化物Ca(OH)2與氯鹽發(fā)生反應(yīng)生成CaCL2等，增大了混凝土的孔隙率，削弱了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使混凝土遭受溶蝕破壞。由于混凝土強(qiáng)度主要取決于硅酸鈣的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca(OH)2。故氯鹽的溶蝕破壞造成的混凝土強(qiáng)度損失要大于其他有害鹽類(這個(gè)結(jié)論可從圖4試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步推斷)。同時(shí)，氯離子也是引發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕、造成混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要原因。

在氯鹽和硫酸鹽共同作用的環(huán)境下，部分研究成果表明，Cl-與C3A反應(yīng)生成不溶性鹽，可見(jiàn)氯鹽對(duì)硫酸鹽侵蝕破壞有一定抑制作用。該推斷成果忽略C3A在水泥中的含量、水化速度和其對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)等因素。C3A在水泥中的含量最少，其對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也最低。故在混凝土養(yǎng)護(hù)初期，大部分C3A已經(jīng)水化完成。不具備與Cl-形成大量不溶鹽的條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及推斷，在氯鹽和硫酸鹽共同作用下，前期混凝土中Ca(OH)2與硫酸鹽反應(yīng)發(fā)生脹裂破壞，與氯鹽發(fā)生溶蝕破壞，氯鹽溶蝕促進(jìn)了硫酸鹽破壞，二者破壞效果疊加，直至水化產(chǎn)物鋁酸鈣耗盡，此時(shí)對(duì)于低強(qiáng)度混凝土可能已經(jīng)完全破壞；后期主要是氯鹽溶蝕破壞。實(shí)際工程情況下，可能為在多種鹽類、多種外部環(huán)境耦合作用下的腐蝕，需在后續(xù)研究中繼續(xù)揭示。

6 工程措施

根據(jù)研究結(jié)果，由于柴達(dá)木盆地地區(qū)水土環(huán)境的強(qiáng)腐蝕特性，需在工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)中充分考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

6.1 原材料的選用

水泥材料宜加入磨細(xì)的礦物摻和料、高效減水劑、引氣劑及其他有防水作用的抗?jié)B防腐劑等提高混凝土耐久性；水灰比、膠凝材料用量應(yīng)嚴(yán)格按照耐久性規(guī)范執(zhí)行；混凝土結(jié)構(gòu)在地表以上、1～2 m以下的部分，采用的混凝土等級(jí)應(yīng)為C50或以上；混凝土的各項(xiàng)耐久性指標(biāo)應(yīng)嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，合格后方可使用。

6.2 構(gòu)造措施

應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土保護(hù)層厚度；外露及地下可能受雨淋或積水的混凝土結(jié)構(gòu)物表面均設(shè)置排水坡；橋墩、承臺(tái)上下及四周各面均設(shè)置防水墊層，防水墊層外圍采用防水效果較好的土層回填，回填土層應(yīng)高出原地表，并設(shè)置排水坡。

6.3 施工措施

混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)滿足要求后方可進(jìn)行應(yīng)用；嚴(yán)禁在低溫下澆筑和養(yǎng)護(hù)混凝土；施工期間混凝土應(yīng)攪拌均勻；鉆孔樁宜采用干鉆或鋼護(hù)筒防護(hù)進(jìn)行施工，不宜采用泥漿護(hù)壁法施工；與腐蝕性水土接觸結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時(shí)需采用透水模板襯里。

6.4 附加防腐蝕措施

混凝土中添加鋼筋阻銹劑；對(duì)于墩臺(tái)、承臺(tái)等與腐蝕性水土接觸構(gòu)件采用多層防滲設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行表面處理，內(nèi)層采用表面憎水涂裝處理，中間層涂刷防水涂料，外層采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿涂裝；采用陰極保護(hù)防止鋼筋銹蝕。

6.5 運(yùn)營(yíng)維護(hù)

設(shè)置同等自然條件下多批取樣檢查構(gòu)件；混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)理論使用年限一般為10年，在使用年限內(nèi)需定期對(duì)結(jié)構(gòu)物和取樣構(gòu)件進(jìn)行檢查和記錄，并進(jìn)行適當(dāng)養(yǎng)護(hù)和維修。

7 結(jié)論

(1)添加抗凍防腐劑增加混凝土的密實(shí)性，削弱腐蝕性鹽類對(duì)混凝土的滲透，提高混凝土抗腐蝕能力；提高混凝土標(biāo)號(hào)可以在一定程度上減小混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率。

(2)混凝土在氯鹽和硫酸鹽共同腐蝕作用下，前期混凝土中Ca(OH)2與硫酸鹽反應(yīng)發(fā)生脹裂破壞，與氯鹽發(fā)生溶蝕破壞，氯鹽溶蝕促進(jìn)硫酸鹽破壞，二者破壞效果疊加，直至水化產(chǎn)物鋁酸鈣耗盡；后期主要為氯鹽溶蝕破壞。

(3)柴達(dá)木地區(qū)混凝土的腐蝕破壞主要表現(xiàn)為鹽類結(jié)晶、氯鹽侵蝕及凍融等多種環(huán)境的疊加破壞，并且所有破壞主要通過(guò)水介質(zhì)進(jìn)行。在這種高腐蝕環(huán)境作用下，混凝土原材料中必須添加具有抗凍防腐作用的添加劑，并進(jìn)行相應(yīng)論證研究。

(4)混凝土耐久性與其原材料、添加劑、施工工藝、水溶環(huán)境等多種因素有關(guān)。故在耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從原材料、外加劑、施工工藝、表面涂層處理、養(yǎng)護(hù)維修等多方面綜合考慮。