淺析防治混凝土中的硫酸鹽侵蝕措施

高 毅， 周 繼 中， 楊 震

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

淺析防治混凝土中的硫酸鹽侵蝕措施

高 毅， 周 繼 中， 楊 震

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

通過微觀試驗確定了混凝土在相應條件下的腐蝕破壞類型。研究了不同粉煤灰摻量及不同混凝土強度等級對混凝土的內(nèi)部結構和抗硫酸鹽侵蝕能力的影響規(guī)律。通過干濕循環(huán)試驗及微觀試驗驗證了所采取的防治措施的有效性。確定了合理的防治措施，以提高混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性能。

混凝土；硫酸鹽侵蝕；內(nèi)部結構；防治措施

1 概 述

硫酸鹽侵蝕是水硅酸鹽泥漿體和外界侵入的硫酸根離子發(fā)生化學反應而引起的混凝土破壞，其主要破壞形式是膨脹和開裂，是導致混凝土性能劣化以致于失效破壞的重要原因之一。從目前研究結果看，硫酸鹽侵蝕對混凝土的破壞作用主要有以下4種類型：(1)鈣礬石型(AFt)硫酸鹽侵蝕；(2)石膏型硫酸鹽侵蝕；(3)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)；(4)物理結晶型硫酸鹽侵蝕。

筆者闡述了采取試驗研究與理論研究相結合的方法研究中等濃度硫酸鹽作用下混凝土的耐久性。在不同混凝土強度等級、不同摻量粉煤灰條件下進行了混凝土的耐久性試驗。通過與南京水科院材料所合作進行混凝土腐蝕試件的微觀試驗，確定了混凝土在不同條件下的腐蝕破壞類型。

2 試驗設備

此次試驗所采用的設備為：(1)全自動干濕循環(huán)硫酸鹽試驗箱：該設備可以自動采集實時溫度數(shù)據(jù)；(2)掃描電子顯微鏡(SEM)：日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡，測試真空度為5 Pa。

3 試驗方法

(1)試驗試件：尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，一共5組、15塊。

(2)試驗溶液的配制。

①鹽酸。由12 mol/L的濃鹽酸和蒸餾水按1∶1體積比配制而成。

②氯化鋇。將100 g氯化鋇(BaCl2·2H2O)溶于水中，加水稀釋至1 L制得。

③硝酸銀。將0.5 g硝酸鹽(AgNO3)溶于水中，加入1 mL硝酸，加水稀釋至100 mL制得。

④濾紙。中速定量和慢速定量濾紙。

⑤蒸餾水。購自化學藥品公司。

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082-2009中的干濕循環(huán)加速方法進行。該方法用于測定混凝土試件在干濕交替環(huán)境中、以能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。采用混凝土的耐蝕系數(shù)表征混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

4 不同強度等級混凝土試驗結果

為研究混凝土強度等級對抗硫酸鹽侵蝕的影響，此次試驗采用了四種不同強度等級的混凝土，分別為C15、C20、C25和C30混凝土試件，將其同時放入溶液濃度為5%的Na2SO4溶液中，對浸泡試件進行15次、30次、50次、70次干濕循環(huán)作用，測試混凝土試件的單軸抗壓強度，對比相應基準混凝土試件抗壓強度，計算其循環(huán)次數(shù)后的抗壓耐蝕系數(shù)，所得混凝土配合比見表1。試驗數(shù)據(jù)結果見圖1。

在干濕循環(huán)15次時，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)均在120%以上，說明干濕循環(huán)測試較少時，低強度混凝土(C15)也可以滿足抗硫酸鹽侵蝕等級；但隨著混凝土等級強度的提高，抗壓耐蝕系數(shù)也隨之減小。這是因為混凝土強度等級越低，水膠比越大，凝結硬化后內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙率較高的緣故。在較少次數(shù)的干濕循環(huán)后，混凝土等級強度越低，其內(nèi)部進入的硫酸鹽越多。少量的硫酸鹽進入其內(nèi)部，SO42-離子會與水化硅酸鈣反應生成鈣礬石或石膏填充其內(nèi)部孔隙，此時產(chǎn)生的膨脹內(nèi)應力對混凝土密實性起到了有利作用，提高了其抗侵蝕能力，這是硫酸鹽進入侵蝕的第一個階段。

表1 不同等級混凝土配合比表

圖1 不同強度等級試件干濕循環(huán)后的抗壓侵蝕系數(shù)曲線圖

當干濕循環(huán)在30次以上時，隨著混凝土強度等級的提高，抗壓耐蝕系數(shù)也隨之提高。干濕循

環(huán)次數(shù)的增加，使得更多的硫酸鹽離子進入到混凝土內(nèi)部，形成了更多的鈣礬石。但是，混凝土孔隙率是一定的，其沒有更多的空間容納這些生成物，因此，繼續(xù)生成的鈣礬石或石膏產(chǎn)生了很大的內(nèi)應力，進而導致混凝土破壞。強度等級高的混凝土內(nèi)部密實，從而擋住了更多的SO42-離子進入其內(nèi)部結構，受到的侵蝕效果較弱，因此表現(xiàn)為混凝土強度等級越高，抗壓耐蝕系數(shù)越高。

5 摻粉煤灰對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的結效果果

采用全自動干濕循環(huán)機進行抗硫酸鹽侵蝕試驗。此次試驗選用的三種粉煤灰分別為大龍Ⅱ級粉煤灰、黔東Ⅰ級粉煤灰和華天能Ⅰ級粉煤灰，摻量分別為15%、20%、30%。摻大龍Ⅱ級粉煤灰以及黔東Ⅰ級和摻華天能Ⅰ級粉煤灰，其混凝土配合比見表2～4(其中JZ為基準混凝土)。

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

表3 摻黔東Ⅰ級粉煤灰混凝土配合比表

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

表4 摻華天能Ⅰ級粉煤灰混凝土配合比表

注：大小碎石比例為5～16 mm∶16～31.5 mm=50%∶50%。

混凝土試件標準養(yǎng)護至28 d后，將試件放入全自動干濕循環(huán)機，經(jīng)過120次和150次干濕循環(huán)試驗后，分別測試混凝土的抗壓強度和同齡期標準養(yǎng)護條件下混凝土的抗壓強度。標準養(yǎng)護條件下?lián)饺敕勖夯业幕炷翉姸纫妶D2。在標準養(yǎng)護120 d時，摻入15%粉煤灰的混凝土抗壓強度為基準抗壓強度的96.2%～100%；摻入20%粉煤灰的混凝土抗壓強度為基準抗壓強度的92%～101.8%；摻入30%粉煤灰的混凝土為基準抗壓強度的89.3%～96.2%，其中大龍Ⅱ級粉煤灰在摻量為35%時強度明顯下降。試驗結果表明：摻入粉煤灰可以降低水泥用量，同時保證混凝土強度與基準相近，粉煤灰摻量可以控制在30%以下范圍。

圖2 標準養(yǎng)護120 d和150 d粉煤灰混凝土強度示意圖

從圖3中可以看出120次和150次干濕循環(huán)后的混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)。當粉煤灰摻量為30%時，120次干濕循環(huán)后的混凝土強度為基準混凝土的95.2%以上。黔東Ⅰ級粉煤灰強度過高可能是由于試驗誤差所造成的。在150次干濕循環(huán)后，摻入粉煤灰的混凝土強度呈現(xiàn)增加趨勢。粉煤灰摻量為30%時，混凝土強度為基準混凝土的117%～120%，說明摻入粉煤灰后，在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下混凝土的抗壓強度提高。

從圖4中可以看出：120次和150次抗壓耐蝕系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。當粉煤灰摻量為30%時，120次抗壓耐蝕系數(shù)約為79%，150次抗壓耐蝕系數(shù)約為83%～92%。因此，摻入粉煤灰可以提

圖3 120次和150次干濕循環(huán)后粉煤灰混凝土強度示意圖

圖4 120次和150次干濕循環(huán)耐蝕系數(shù)示意圖

高混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)。

為深入研究粉煤灰對抗混凝土硫酸鹽侵蝕效果，在硫酸鹽干濕循環(huán)后，選取摻粉煤灰混凝土試件和不摻粉煤灰混凝土試件進行掃描電子顯微鏡(SEM)測試，測試結果顯示：摻入粉煤灰的混凝土內(nèi)部十分密實，有大量的水泥水化產(chǎn)物包裹在粉煤灰周圍，很難看出有鈣礬石(AFt)或石膏的生成，可以提高混凝土的密實性、促進水泥水化并抑制硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物的生成；而未摻粉煤灰的混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了大量的棒狀晶體，這些棒狀晶體推斷為石膏或鈣礬石晶體，其排列雜亂，混凝土內(nèi)部結構不密實，從而導致更多的SO42-離子進入混凝土內(nèi)部，使水泥水化產(chǎn)物分散，破壞混凝土的微觀結構，影響混凝土的抗壓強度。

6 結 語

(1)研究了四種強度等級(C15、C20、C25和C30)的混凝土試件，采用濃度為5%的Na2SO4溶液進行干濕循環(huán)試驗，試驗結果表明：高強度等級的混凝土內(nèi)部由于孔隙率較小而不易結晶，具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能；也就是說：提高混凝土強度等級，降低混凝土孔隙率是改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕的一種途徑。

(2)粉煤灰摻量達30%時，經(jīng)過干濕循環(huán)作用180次，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)為76.4%，滿足標準規(guī)定的硫酸鹽侵蝕等級。摻入粉煤灰可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕效果，防腐劑和粉煤灰雙摻對混凝土抗硫酸鹽侵蝕效果最佳。試驗結果表明：在180次干濕循環(huán)后，混凝土的抗壓耐蝕系數(shù)可以達到近100%。此項措施可以降低水泥用量，同時提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力，對實際工程配合比設計具有重要的參考價值。

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-17

TU5;TU755;TU74

B

1001-2184(2017)02-0060-03

高 毅(1983-)，男，四川成都人，深茂五標指揮部測量試驗中心副經(jīng)理，工程師，從事試驗檢測工作；

周繼中(1982-)，男，四川成都人，深茂五標指揮部測量試驗中心經(jīng)理，高級工程師，從事試驗檢測工程；

楊 震(1981-)，男，湖北十堰人，助理工程師，從事工程測量技術與管理工作.