硫酸鹽侵蝕凍融循環(huán)條件下混凝土性能研究

解學(xué)鵬

（青島中建偉業(yè)建材有限公司，山東 青島 266400）

1 引言

青島沿海岸地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)受到鹽離子侵蝕和凍融循環(huán)損壞，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能大幅下降，不利于結(jié)構(gòu)的正常使用。為保障混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使用，需探討硫酸鹽侵蝕-凍融循環(huán)的具體特性，在明確機(jī)理后采取針對性的管控措施，最大限度減小外部環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響。

2 混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及機(jī)理

受內(nèi)外部化學(xué)作用，混凝土中構(gòu)成水泥石的水化物變質(zhì)分解，伴隨剝落、潰散等問題，即化學(xué)侵蝕，侵蝕的源頭包含酸類、堿類、鹽類等物質(zhì)，其中以硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。根據(jù)侵蝕方式的不同，分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕兩類；從生成產(chǎn)物的類型來看，則有石膏型硫酸鹽侵蝕、碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕等類型。

2.1 硫酸鹽結(jié)晶型侵蝕

受干濕交替的影響，混凝土中的MgSO4和Na2SO4析出并結(jié)晶，產(chǎn)生MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O，體積較之于正常狀態(tài)膨脹4～5 倍，由于體積的急劇變化，混凝土出現(xiàn)開裂的形態(tài)變化和劣化的力學(xué)退化現(xiàn)象。

2.2 石膏型硫酸鹽侵蝕

侵蝕溶液的SO42-超出特定范圍后，原本存在于水泥石中的毛細(xì)孔由于石灰溶液的填充作用而呈飽和狀態(tài)，產(chǎn)生石膏晶體和鈣礬石晶體，體積增加1.24 倍，混凝土結(jié)構(gòu)由于劇烈膨脹而受損；水泥水化期間產(chǎn)生CH，導(dǎo)致凝膠物質(zhì)分解。侵蝕溶液中SO42-濃度不同所帶來的影響也不盡相同，例如，SO42-濃度＜1 000 mg/L，試塊有少量的粗大裂紋，關(guān)鍵原因在于出現(xiàn)硫鋁酸鈣型侵蝕；SO42-濃度＞1 000 mg/L，產(chǎn)物有硫鋁酸鈣和石膏，但石膏型侵蝕僅發(fā)生在SO42-濃度極高的條件下。需注意的是，由于干濕交替現(xiàn)象的存在，即便SO42-濃度相對較低，仍以石膏型侵蝕現(xiàn)象為主，原因在于水分持續(xù)蒸發(fā)，溶液含水量降低而濃度增加，逐步出現(xiàn)石膏結(jié)晶[1]。

2.3 鈣礬石型硫酸鹽侵蝕

水泥石中存在Ca（OH）2，Na2SO4或MgSO4與之接觸后發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生Ca2SO4，進(jìn)而與CAH10產(chǎn)生鈣礬石，從溶液中析出，產(chǎn)生針狀的晶體，混凝土將由于晶體吸水而持續(xù)膨脹，超過某極限值時有開裂破壞的可能。

2.4 碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕

硫酸鹽溶液的溫度＜15 ℃時，硫酸根與C-S-H 凝膠反應(yīng)，產(chǎn)物為碳硫硅鈣石，無黏結(jié)特性，混凝土的強(qiáng)度因此而降低。同時，碳硫硅鈣石具有膨脹性，隨之影響混凝土的形態(tài)[2]。

3 混凝土凍融損傷的機(jī)理分析

混凝土凍融循環(huán)損壞的類型主要有如下3 類。

一是內(nèi)部劣化：混凝土的水分凍結(jié)膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，且此現(xiàn)象在反復(fù)凍融作用下體現(xiàn)得更為明顯。

二是表面剝蝕：內(nèi)部劣化裂隙逐步顯現(xiàn)，可見混凝土產(chǎn)生裂縫且數(shù)量增加、影響范圍擴(kuò)大，最終引起剝離現(xiàn)象。

三是崩裂破壞：混凝土孔隙水飽和度較高，環(huán)境溫度較低時有凍結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土的體積增加，出現(xiàn)崩裂破壞。

導(dǎo)致混凝土受凍破壞的原因錯綜復(fù)雜，其中頗具代表性的是靜水壓假說和滲透壓假說。

靜水壓假說：混凝土中存在豐富的孔隙，各自的孔徑存在差異，但不同類型孔隙帶來的影響機(jī)制不盡相同，其中以毛細(xì)孔尤為突出，原因在于其會對混凝土的抗凍性造成影響。水固結(jié)成冰后，體積膨脹9%，部分尚未固結(jié)的孔溶液發(fā)生向外遷移的移動路徑，在此過程中產(chǎn)生靜水壓力，若此部分力的作用超過混凝土抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。氣泡間距、結(jié)冰時冷卻速度、可凍水含量均會影響靜水壓力[3]。

滲透壓假說：未凍溶液中鹽的濃度由于大孔中部分溶液結(jié)冰而升高，與周邊小孔隙的溶液存在濃度差，部分結(jié)冰的大孔中將有一定量小孔中的溶液匯聚于此，產(chǎn)生滲透壓。部分孔溶液的濃度為零，相比冰的飽和蒸汽壓而言，水的飽和蒸汽壓更高，與此同時部分凍結(jié)的大孔溶液持續(xù)接收到源自小孔中的溶液，加劇滲透壓現(xiàn)象。待實際滲透壓超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，混凝土結(jié)構(gòu)將由于壓力作用而受損。

4 試驗方案

4.1 工程概況

某海水養(yǎng)殖工程，受高鹽侵蝕和凍融循環(huán)的影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)表面有開裂、剝落等問題，壩體開裂迫使工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，部分水池結(jié)構(gòu)損傷破壞、受力性能大幅減弱，多類病害的出現(xiàn)均嚴(yán)重威脅到工程的正常運行。為保證工程的可靠性，需探明硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)對結(jié)構(gòu)的影響，據(jù)此采取針對性的控制措施。

4.2 試驗材料的選取

水泥采用P·O42.5 級水泥，細(xì)骨料采用白馬河河砂，5～20 mm碎石，適配HDK-9 型凍融循環(huán)機(jī)，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期耐久性能及耐久性能試驗規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行試驗。

5 試驗結(jié)果與分析

考慮水膠比、引氣劑摻量、粉煤灰摻量3 項因素，探討各自對混凝土受凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕作用時的影響機(jī)制，試驗結(jié)果及分析如下。

5.1 水膠比產(chǎn)生的影響

粉煤灰摻量30%，引氣劑摻量0.02%，調(diào)整混凝土用水量使水膠比分別為0.35、0.45、0.55，制備3 組試塊（B1、B2、B3），安排試驗。凍融循環(huán)25 次、50 次，浸泡試驗10 d、20 d，按前述方法反復(fù)試驗，直至達(dá)到250 次凍融循環(huán)試驗或100 d 硫酸鹽侵蝕為止。試驗期間加強(qiáng)對試塊的質(zhì)量檢測，損失量在5%以上時，隨即停止試驗[4]。不同水膠比試塊的試驗數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 不同水膠比時混凝土受復(fù)合作用的力學(xué)性能變化

分析發(fā)現(xiàn)：B1 組試塊在復(fù)合作用次數(shù)達(dá)到100 次、200 次、300 次后，試塊抗壓強(qiáng)度分別下降5.8%、15.2%、22.8%；B2、B3 組試塊，在300 次復(fù)合作用下，抗壓強(qiáng)度分別下降28.4%、32.2%。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，受凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕的影響，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈下降的變化趨勢，且不同水膠比的試塊其下降程度存在差異。相比之下，水膠比較小的混凝土具有更突出的力學(xué)性能。考慮到青島沿海地區(qū)凍融、硫酸鹽侵蝕的特殊性，在混凝土制備時宜考慮較小的水膠比和較高強(qiáng)度的要求，確保建設(shè)成型的混凝土結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境的影響下具有可靠性。

5.2 引氣劑摻量產(chǎn)生的影響

粉煤灰摻量20%，水膠比0.45，調(diào)整引氣劑摻量分別為0.01%、0.02%、0.03%、0。制備4 組試塊（A1、A2、A3、A4）后，按照與上述一致的方法組織試驗，測定各試塊的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同引氣劑摻量時混凝土受復(fù)合作用的力學(xué)性能變化

分析發(fā)現(xiàn)：不摻引氣劑的A4 試塊的抗壓強(qiáng)度下降量最大，以300 次復(fù)合作用為例，下降28.4%，且強(qiáng)度最低；摻加引氣劑的3 組試塊中，A1 試塊的抗壓強(qiáng)度下降幅度最大，例如100 次、200 次、300 次的抗壓強(qiáng)度分別降低4.3%、15.4%、26.9%；A2 試塊、A3 試塊的引氣劑摻量逐步增加，各自在300次復(fù)合作用下的抗壓強(qiáng)度分別下降21.5%、20.7%，相較于A1試塊在300 次的抗壓強(qiáng)度降幅均更小，且隨著引氣劑用量的增加，降幅逐步縮小。

可見，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕的復(fù)合作用下有明顯的下降，隨著引氣劑摻量的變化，混凝土的力學(xué)性能呈現(xiàn)出獨特性，引氣劑摻量增加時性能更優(yōu)?？紤]到青島沿海地區(qū)凍融和硫酸鹽侵蝕的特殊性，建議在混凝土制備階段摻入適量引氣劑，借助外加劑改善混凝土的性能，提升抗凍抗侵蝕能力。

5.3 粉煤灰摻量產(chǎn)生的影響

引氣劑摻量取0.02%，水膠比0.45，調(diào)整粉煤灰摻量分別為10%、30%、50%、0。制備4 組試塊（C1、C2、C3、C4）后，按照與上述一致的方法組織試驗，測定各試塊的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同粉煤灰摻量時混凝土受復(fù)合作用的力學(xué)性能變化

分析發(fā)現(xiàn)：C3 組試塊的抗壓強(qiáng)度下降幅度最大，此現(xiàn)象的出現(xiàn)與粉煤灰摻量偏多有關(guān)，經(jīng)過100 次、200 次作用后，C3試塊的抗壓強(qiáng)度分別降低19.3%、38.6%，次數(shù)達(dá)到300 次時抗壓強(qiáng)度由于異常降低而低于標(biāo)準(zhǔn)值（強(qiáng)度降低量達(dá)到50%以上）；對于C1、C2 組試塊，各自在300 次復(fù)合作用后的抗壓強(qiáng)度分別降低29.5%、31.4%；C4 試塊未摻入任何粉煤灰時，抗壓強(qiáng)度降幅最小，在300 次時下降28.4%。

可見，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕的復(fù)合作用下有明顯的下降，隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土的力學(xué)性能呈現(xiàn)出獨特性，粉煤灰摻量增加時性能快速下降?？紤]到青島沿海地區(qū)凍融和硫酸鹽侵蝕的特殊性，建議在混凝土制備階段摻入適量粉煤灰，用于優(yōu)化混凝土的力學(xué)性能，但用量的控制尤為關(guān)鍵，不宜超過30%。

6 結(jié)論

1）受凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕的影響，混凝土的力學(xué)性能發(fā)生改變，在本文的分析中，重點考慮水膠比、引氣劑摻量、粉煤灰摻量對其的影響。試驗采用快速凍融和硫酸鹽侵蝕循環(huán)試驗的方法，經(jīng)各組試塊力學(xué)性能的對比分析后，認(rèn)為引氣劑摻量對混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有顯著的影響，排于次位的是粉煤灰摻量，相較之下水膠比雖然對其產(chǎn)生影響但程度有限。

2）在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕的作用下，粉煤灰摻量對混凝土的力學(xué)性能有尤為明顯的影響。工程對混凝土有抗凍抗侵蝕要求時，摻入10%～30%的粉煤灰是可行的方式，借助適量粉煤灰促進(jìn)混凝土力學(xué)性能的提升，但需嚴(yán)格控制粉煤灰的用量，不宜超過30%，否則混凝土的力學(xué)性能反而有下降的變化趨勢，出現(xiàn)適得其反的局面。

3）不同工程的施工條件、質(zhì)量要求存在差異，需遵循因地制宜的原則，根據(jù)具體情況做好試驗與分析工作，確定對混凝土力學(xué)性能造成影響的關(guān)鍵因素，有的放矢地采取管控措施，經(jīng)過材料的合理選擇和用量的精細(xì)調(diào)節(jié)后，制備高性能的混凝土，使施工成型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。