混凝土抗硫酸鹽侵蝕加速干濕循環試驗研究*

陳茜，徐仁崇，江達宣，龔明子

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司；福建　廈門　361100）

混凝土抗硫酸鹽侵蝕加速干濕循環試驗研究*

陳茜，徐仁崇，江達宣，龔明子

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司；福建廈門361100）

結合廈門地區環境條件，推導出干濕交替環境下硫酸鹽侵蝕加速方程；設計“零養護”和“加速養護”兩種干濕循環試驗，縮短了測試混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能所需時間，并對三種養護方式的試驗結果進行了對比分析。結果表明，加速試驗與標準試驗結果具有較好的相關性。結合加速方程，可對特定環境下的混凝土的抗硫酸鹽侵蝕壽命進行預測。

硫酸鹽侵蝕；壽命預測；濃度；加速試驗；耐久性

0　前言

硫酸鹽對混凝土的損傷是一個長期的過程。相關研究最早可以追溯到 19 世紀，在 20 世紀 40 年代美國的 USBR 更是堅持了長達 40 年的硫酸鹽腐蝕試驗。我國從 20 世紀 80 年代起，開始逐漸重視起混凝土耐久性方面的研究。在 2008年，我國頒布了 GB 50476－2008《混凝土結構耐久性設計規范》[1]，對不同化學腐蝕條件下混凝土應達到的強度等級，最大水膠比以及鋼筋保護層厚度等進行了規定，但也同時指出“化學環境作用對混凝土的腐蝕，至今尚缺乏足夠的數據積累和研究成果。重要工程應在設計前作充分調查，以工程類比作為設計的主要依據” 。

鑒于耐久性試驗的長期性，國內外通常采用加速試驗進行此類研究，用短期的試驗結果來反映混凝土長期抗蝕性能。相關材料標準 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[2]中，采用干濕循環的方法，測試混凝土可達到的等級，但由于與實際侵蝕過程的復雜性相差較大，故并未被 GB 50476—2008 采納。

此外，若要保證標準試驗的準確性，一般需采用一體化的抗硫酸鹽侵蝕試驗箱。通過對生產廠家的調研了解到，目前國內只有部分科研機構、高等院校以及中鐵部門的國家重點項目中配備了此類設備，而有資質提供混凝土該項性能檢測報告的公司國內不到十家，公開的檢測及工程數據也非常少。

由此可見，化學腐蝕環境下的混凝土硫酸鹽腐蝕是一個長期的過程，而對于待建工程來說，如何快速、準確、全面的獲得耐久性技術要求是非常重要的。因此，本文根據已有文獻中的硫酸鹽反應與擴散方程，結合廈門當地環境，展開了研究。根據已有文獻研究推導了加速侵蝕方程，并根據相關標準中規定的試驗方法，設計了加速養護方法，進一步縮短了測試抗蝕性能所需時間。

1　硫酸鹽侵蝕加速方程推導

對硫酸鹽侵蝕有影響的主要因素有環境溫度及侵蝕溶液濃度，試驗中常通過調整這兩項來改變速度。此外，在干濕循環條件下，硫酸鹽侵蝕最為劇烈，因此在試驗中也使用干濕交替的方式進行試塊養護，同時計算該條件下溫度與濃度改變時的加速系數。

1.1計算干濕循環條件下溫度的加速系數

根據 Atkinson 的研究[3]，混凝土在硫酸鹽，鎂鹽以及復合鹽中損傷劣化過程，是一個腐蝕離子擴散與反應共存的過程。因而損傷的總速度應為擴散速度與反應速度的并聯，即

根據 Arrhenius 擴散方程，溫度對反應速率的關系為：

其中：

k0——指數前因子（頻率因子）。

Ea——試驗活化能，單位為：kJ.mol-1。

T——絕對溫標下的溫度，R 表示玻爾茲曼常數。

同樣，溫度對于擴散速率的關系為：

可見，溫度因素處于等式中位置相似，其改變對于混凝土的硫酸鹽腐蝕反應和擴散的加速形式一致，因而可以得到溫度對混凝土硫酸鹽腐蝕的加速系數：該活化能 E 既包括了擴散活化能又包括反應活化能，因而得到該活化能，就可以計算混凝土在另一溫度制度下的加速系數。

如果假設活化能包括反應活化能和擴散活化能，以及干濕交替導致的活化能，因而可以計算該腐蝕制度下的活化能。而由于本試驗中干濕循環制度與文獻中 Atkinson 試驗相似，故取 14242?；炷猎诟蓾裱h制度下（80℃ 下烘干16h， 25℃ 下浸泡 16h，中間各有 1h 降溫過程。）的加速系數 Atkinson 計算為 8。而廈門地區年平均溫度 20.3℃ ，則該腐蝕制度下平均溫度為 T均=[(6×80+25×16+2×0.5×(80+25)] /24=41℃。則本文的加速系數為：

因而，采用本文的循環制度，干濕循環和普通浸泡的加速系數估算 24.6。為保守取與 Atkinson 試驗加速系數的平均值，則干濕循環加速系數 K=16.3。

計算提高侵蝕溶液濃度，對侵蝕的加速系數：

根據 Manu Santhanam[4]的研究表明，濃度不改變硫酸鹽損傷的初始段，但增加了加速段的腐蝕速度。他建立了膨脹率的經驗模型，即混凝土在硫酸鈉溶液中腐蝕第二階段模型。

Rate(單位時間膨脹率%/周)=A[SO3]n，式中 A，n 為常數，按試驗結果確定。標準干濕循環試驗中侵蝕溶液濃度為5%，假設實際環境中硫酸鈉濃度為 0.5%，即中等硫酸鹽腐蝕環境，則試驗溶液濃度是其 10 倍。

濃度與干濕交替對硫酸鹽侵蝕速度的耦合關系尚未有研究證明，假設為兩者之乘積，即 163 倍。則標準試驗下抗蝕等級為 KS120（較好的抗蝕性能）時，即經過 120d 干濕循環時，約可滿足水中 V-E 腐蝕環境下 53a 的耐久性設計要求。與結構耐久性設計標準要求相符。

2　試驗方案

試驗共設計 2 種加速養護法，分別模擬現澆與預制構件受環境腐蝕的情況。方案Ⅰ為“零養護法”，即模擬工程實際中混凝土現澆后直接與侵蝕環境相接觸的情況，不進行前期養護，直接將試塊置于侵蝕溶液中。方案 Ⅱ 為“加速養護法”使用恒溫水浴 50℃ 加熱的方式養護 7d，試塊可達到設計強度的 70% 以上，之后再放入侵蝕溶液中，侵蝕溶液采用10% 的硫酸鈉溶液，pH 值控制在 6～8 之間，通過測試水中硫酸鹽含量定期對濃度進行調整。分別測試在不同次數的干濕循環下，混凝土試塊的抗壓強度耐腐蝕系數。

與標準規定的養護環境相比，這兩種加速養護法縮短了干濕循環前的養護時間，提高了養護溶液濃度，可更早獲得試驗結果，詳細對比如下表所示。

表1　養護方式對比

3　試驗過程

3.1原材料

水泥，潤豐 P?I 42.5 水泥。粉煤灰，后石 F 類 Ⅱ 級，詳細性能指標見表 2；礦粉，S95 級，詳細性能指標見表 3；砂，河砂，細度模數 2.9，表觀密度 2500kg/m3；石，碎石，級配 5～20mm，表觀密度 2720kg/m3；外加劑：科之杰新材料集團有限公司生產的 Point-S 混凝土減水劑。

表2　粉煤灰性能指標

表3　礦粉性能指標

3.2配合比

試驗所用的配合比如表 4 所示，由于干濕循環試驗箱容量有限，因此分批進行試驗。成型多組 100mm×100mm×100mm 試塊，坍落度控制為(200±10)mm，擴展度為 (600±10)mm。

表4　混凝土配合比　kg/m3

4　試驗結果與分析

按兩種快速養護法進行試驗，得到試驗結果如表 5 所示。

表5　C50 混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數

圖1　各種養護方式下抗蝕系數對比

所得抗蝕系數測試結果以及兩種快速養護所得結果如圖1 所示。從圖中可見，兩種新的養護條件下，混凝土達到破壞所需的循環次數比標準養護法下少了約 20 次。標準養護法與加速養護法曲線體現了明顯的硫酸鹽侵蝕的 2 個階段，在加速養護法下，試塊在進入溶液前已經具有了 70% 以上的設計強度，水化反應進行的更為完全，因此其曲線發展與標準法趨勢相近，但強度衰減更為迅速。

零養護法下，抗蝕系數從第 15 次循環開始一直處于下降的狀態。這可能是由于試塊拆模后即放入侵蝕溶液中，膠凝材料水化反應還非常劇烈，烘干的高溫和溶液中的硫酸鹽也加快了反應速度。在干濕交替的作用下，溶液中的離子較易進入孔隙內部，一方面結晶膨脹，一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣迅速反應形成硫鋁酸鈣即鈣礬石，因此明顯縮短了第一階段的時間。由于零養護法下，干濕循環次數與受侵蝕系數近似成線性關系。因此，或可用于縮短試驗所需時間，即通過進行部分干濕循環，來預測其可達到的抗蝕等級。

5　小結

（1）根據加速方程，可推導出在特定養護環境相對于實際環境中的加速倍數。例如對于廈門，標準干濕循環的加速系數約為 163 倍。（2）設計的兩種加速方法縮短了硫酸鹽侵蝕第一階段的時間，對第二階段的影響較小，與標準試驗所得曲線趨勢相似，可用于預測混凝土抗硫酸鹽侵蝕等級。（3）結合加速方程與加速試驗，可對實際抗侵蝕時間進行預測。例如，要測某種 C50 混凝土是否達到 KS150 抗硫酸鹽侵蝕等級，則使用零養護法，試驗測試干濕循環 10、20、40、60 次的抗蝕系數，繪制“抗蝕系數—循環次數”關系圖，即可根據回歸方程獲得混凝土至少可達到的抗蝕等級，根據文中加速方程，即可計算其可達到的使用年限。

不可忽視的是，硫酸鹽侵蝕是一個復雜的過程，且通常伴有其他離子腐蝕情況，對于養護方式的研究以及混凝土構件壽命的預測尚需大量試驗數據予以支持。

[1] GB 50476—2008．混凝土結構耐久性設計規范[S]．

[2] GB/T 50082-2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S]．

[3] Atkinson.A，Hearne.J.A．Mechanistic model for the durability of concrete barrier exposed to sulfate-bearing groundwater[J]．Materials Research Society Symposium Proceedings，1990(176)：149-156.

[4] Manu Santhanam，Menashi.D.Cohen，Jan Olek．Modeling the effects of solution temperature and concentration during sulfate attack on cement mortars[J]．Cement and Concrete Research，32(2002)；585-592．

［通訊地址］福建省廈門市同安區新民鎮鳳嶺路 760 號（361100）

* 廈門市科技計劃項目，項目編號 XJK 2013-1-5

陳茜（1987—），女，助理工程師。