濕熱環境下混凝土受酸雨腐蝕的試驗研究

謝 力，韓英俊，陳夢成

（1.華東交通大學建筑過程模擬與控制江西省重點實驗室，江西 南昌330013；2.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌330031）

混凝土結構的耐久性問題是當今土木工程界重點關注的對象，而酸雨是影響混凝土耐久性的重要因素之一。我國已成為繼歐、北美后第三大酸雨區，酸雨面積已超過國土面積的30%［1］。近年來，我國南方酸雨區域無明顯變化，北方在不斷擴展，酸度有所減弱，但全國酸雨形式依然嚴峻［2］。隨著建設步伐的加快，越來越多的橋梁和房屋結構遭受酸雨的侵蝕，目前，大型水利橋梁等基礎設施的環境評價也涉及到了酸雨的影響［3］。因此，開展酸雨環境下混凝土的侵蝕試驗研究對實際工程具有重要的理論指導意義。

關于酸雨對混凝土性能影響方面國內外學者進行了一系列的試驗研究，眾多學者［4-10］采用浸泡加速腐蝕的方法以及部分學者［3，11-14］采用噴淋的方法，對酸雨單因素以及多因素耦合作用下混凝土的質量、中性化、抗壓強度等進行試驗研究。然而像江西、貴州、重慶等省市在中國屬于酸雨重災區，濕熱也非常嚴重，但在上述模擬試驗中鮮有將酸雨噴淋和溫度這兩者結合起來進行研究。擬配制pH1.5，pH2.5和pH3.5的3種酸雨溶液，在酸雨噴淋-濕熱裝置中進行實驗室快速腐蝕試驗，討論不同腐蝕齡期混凝土在質量、外觀、中性化、抗壓強度4個方面的劣化規律，為后期研究混凝土構件和結構試驗提供試驗依據和理論基礎。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及配合比

試驗采用C40普通硅酸鹽混凝土，坍落度為180 mm；水泥為洋房牌P·O 42.5級普通水泥；砂子為贛江中沙；石子采用粒徑為10～15 mm的青碎石；水采用自來水；粉煤灰等級為Ⅰ級；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；各材料參數及配合比見表1。

1.2 試件制作

根據試驗需求，制備100 個立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm）測量混凝土質量、抗壓強度變化，6個長方體試件（100 mm×100 mm×400 mm）測量中性化深度變化。試驗混凝土設計強度為40 MPa，試件成型24 h后脫模，標準養護28 d后進行噴淋試驗，測得立方體抗壓強度為42.2 MPa。中性化試件用環氧樹脂密封相鄰的兩個面。

表1 混凝土配合比設計Tab.1 Mix proportion of the concrete

1.3 試驗模擬及方法

參照江西地區酸雨的酸度和離子濃度配制模擬溶液，采用噴淋的方式模擬酸雨的溶蝕和沖刷，通風加熱的方式對試件進行干燥。運用噴淋-加熱的循環方式模擬自然條件下酸雨對混凝土的侵蝕。

1.3.1 溶液模擬及裝置

模擬酸雨溶液各離子濃度分別為：SO42-為0.01 mol·L-1，NH4-為0.002 mol·L-1，Mg2+為0.002 mol·L-1。溶液pH值分別為1.5，2.5和3.5，試驗過程中采用日島pSH-25數顯酸度計測量并用稀硝酸調節溶液pH，每天3次，每5天更換1次溶液。

試驗裝置是集噴淋與通風加熱于一體的封閉裝置，通風加熱同時工作，并且由時間和溫度控制器自動控制。選用抽水量為60 L·min-1、揚程為7 m的磁力驅動耐腐蝕泵，溶液經傾角為60°的管道微孔斜向上噴至擋板后自由下落，自由下落高度為1 550 mm。

1.3.2 試驗方法

采用干濕交替的腐蝕試驗方法，每噴淋3 h-靜置2 h-通風加熱2 h-靜置1 h為1個循環，每天3個循環，每10 d對試件進行拍照以及質量、強度和中性化深度測量，每次噴淋開始前調節溶液pH，加熱時溫度控制在（40±1）℃。立方體抗壓及抗拉試驗每組分別3個試塊，每到預定的腐蝕齡期將試件自然干燥5 d后進行試驗。強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）規定進行。每隔10 d在試件上切下50 mm的厚度，用清水清洗并干燥后用裂縫測寬儀測量中性化深度。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土外觀

隨著試驗的進行，經3種溶液腐蝕后的混凝土試件外觀發生了不同程度的變化。置于pH3.5的溶液中腐蝕30 d 過程中，混凝土顏色從最初的淺灰色變成淺黃色，腐蝕到40 d 時混凝土表面局部有輕微麻面現象，在之后的腐蝕過程中，試件表面黃色逐步加深并且有砂礫脫落現象。經pH2.5的溶液腐蝕10 d，試件表面呈淺黃色，腐蝕30 d 表面砂漿輕微脫落，腐蝕50 d后，局部有坑蝕現象，60 d 時粗骨料外露，此后，隨著腐蝕時間延長坑蝕數量增多，總面積增大。受pH1.5的酸雨溶液腐蝕10 d 時試件表面就有坑蝕現象，隨后，坑蝕逐漸嚴重。后期粗骨料在酸雨的沖刷腐蝕作用下也被溶蝕且深度逐步增大。這是因為隨著腐蝕時間的延長混凝土硫酸根離子濃度增大，使得試件表面黃色加深，溶液溶蝕作用使得細骨料松動脫落，加上沖刷作用最終使得試件表面產生不同程度的坑蝕現象。試驗現象如圖1所示。

圖1 腐蝕后試件外觀Fig.1 Specimen appearance after corrosion

2.2 試件質量

混凝土質量變化與腐蝕時間的關系如圖2所示。由圖2（a）可知，試件在pH1.5的酸雨溶液中經過30個干濕循環后就有質量損失，整個試驗過程中損失量和腐蝕時間大致呈線性關系，試驗進行到90 d時，試件最終質量損失達到1.435 kg。由圖2（b）可知，在pH2.5和pH3.5兩種酸雨溶液中，混凝土質量在前10 d有所增加之后逐漸減小，增加量分別為0.039 kg和0.023 kg，最后質量損失總量分別為0.136 kg和0.067 kg。試件質量損失速率為pH1.5＞pH2.5＞pH3.5。

這些試驗現象是因為酸雨對混凝土的腐蝕包括H+的溶蝕、雨滴的沖刷作用和硫酸鹽的侵蝕，H+的溶蝕和雨滴的沖刷都會促使混凝土質量損失，而硫酸鹽的侵蝕是有新物質的生成使得混凝土的質量增大，混凝土質量在pH1.5的條件下以及pH2.5和pH3.5的下降段說明H+的溶蝕和雨滴的沖刷作用要大于硫酸鹽的侵蝕作用，而在pH2.5和pH3.5的上升段則剛好相反。溶液酸度越大，溶蝕沖刷作用越明顯。

圖2 質量變化與腐蝕時間關系Fig.2 Relationship between mass loss and corrosion time

2.3 試件中性化深度

在3種腐蝕環境下混凝土中性化深度與腐蝕時間的關系如圖3所示。從圖中可以看出，混凝土的中性化深度隨著時間不斷增大，中性化增大速率隨著酸度的增大而減小。腐蝕時間相同時，pH值越小中性化深度越大。在pH2.5和pH3.5酸雨侵蝕下，混凝土中性化發展較為緩慢而且數值較為接近，試驗末期中性化深度僅有1.991 mm和1.625 mm。經pH1.5的酸雨侵蝕后混凝土中性化深度增大較快，腐蝕30 d時，中性化深度為1.117 mm，到60 d時增加了69.1%，到90 d時又增加73.4%，說明酸度和腐蝕時間都是影響中性化的重要因素。在pH3.5溶液中濕熱循環腐蝕后混凝土中性化深度的測試結果要比文獻［14］的結果大得多，說明干濕循環會促使中性化的加深。中性化深度越深，鋼筋的保護層就越小，鋼筋越易發生銹蝕。酸雨溶液中的H+與混凝土中水泥水化產物發生中和反應是中性化深度增大的最主要因素，同時在濕熱循環加速腐蝕條件下，硫酸鹽侵蝕會使混凝土內部產生細小裂紋從而加速溶液的滲透速率，因此，試件的中性化深度隨著腐蝕時間在不斷增大。

2.4 抗壓強度

不同腐蝕環境下混凝土立方體抗壓強度變化如圖4所示。從圖上可以看出，腐蝕環境不同混凝土抗壓強度的變化規律不盡相同。在pH3.5酸雨溶液條件下前40 d濕熱循環腐蝕過程中，混凝土抗壓強度呈上升趨勢，之后緩慢下降，最大值為47.0 MPa，比試驗初期增大了9.8%，腐蝕末期最小值為42.1 MPa，比腐蝕前僅降低了0.7 MPa。在pH2.5條件下前30 d抗壓強度在不斷增大，但增大速率要略小于pH3.5的情況，下降段速率明顯快于前者。腐蝕循環第70 d時強度已低于混凝土設計值，試驗末期抗壓強度最小值為36.3 MPa，比試驗初降低了15.2%。對于pH1.5酸雨溶液中的試件，其抗壓強度隨腐蝕時間一直下降，后期的下降速率要大于前期。腐蝕90 d時混凝土抗壓強度為27.5 MPa，比試驗初降低了35.7%，已經遠小于試件的設計強度。

圖3 中性化深度與時間關系Fig.3 Concrete neutralization depth versus time

圖4 立方體抗壓強度與腐蝕時間的關系Fig.4 Relationship between cube compressive strength and corrosion time

在自然環境中，pH＜3.5 的酸性降雨極其少見，酸度較小的酸沉降對混凝土的腐蝕是一個緩慢的過程。在本試驗干濕循環的條件下硫酸鹽侵蝕機理多為結晶型侵蝕，當晶體膨脹應力較小時，結晶產物可以填充混凝土內部空隙，從而使得抗壓強度有所增大，隨著膨脹應力的增大內部裂紋不斷增多，以及酸性介質的沖刷、溶蝕作用三者共同作用又使強度降低。在酸度較大的情況下，溶液的溶蝕、沖刷作用占主導地位，使得混凝土強度一直下降。

3 結論

1）在濕熱酸雨環境中，不同pH的模擬酸雨溶液對混凝土的腐蝕情況不同。pH2.5和pH3.5的酸雨溶液使混凝土試塊質量先增大后減小，而pH1.5的模擬酸雨溶液對試塊的腐蝕能力更強，其質量損失始終增大。混凝土中性化深度隨著腐蝕時間不斷增大，溶液酸性越強中性化深度越大，在pH2.5和pH3.5兩種條件下中性化深度相差不大。

2）在濕熱酸雨環境中，混凝土抗壓強度損失隨著pH的減小而增大，其中在pH2.5和pH 3.5溶液中混凝土抗壓強度先短暫地增大后逐漸減小，而在pH1.5條件下則是一直遞減。

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