柴達木盆地凍融、鹽蝕環(huán)境下混凝土腐蝕機理及耐久性研究

王 天

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

柴達木盆地區(qū)域水土腐蝕性高，對混凝土結構的耐久性要求較高。已有許多學者開展相關研究，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]，張玉棟等給出復雜鹽浸環(huán)境下混凝土的腐蝕機理[5-6]，張洪亮等研究混凝土適用壽命與保護層厚度的關系[7-8]，嚴福章等提出黏結力損失和強度降低是硫酸鹽環(huán)境下混凝土的主要破壞形式[9-11]?；谇叭说难芯砍晒ㄟ^配制與實際腐蝕環(huán)境相似的硫酸鹽和氯鹽腐蝕溶液開展鹽浸-干濕(濕濕)-凍融循環(huán)等試驗，對摻加抗凍防腐劑混凝土在強硫酸鹽和氯鹽環(huán)境下的耐久性指標進行觀測，探究該環(huán)境下混凝土的腐蝕破壞機理，并提出相應的改善措施[12-17]。

1 研究內容及方法

1.1 研究內容

本次研究的重點是對摻加抗凍防腐劑混凝土進行耐久性研究?；炷猎嚰凑誄30、C35、C40、C45、C50五種不同等級分為兩類，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

按照C30、C35、C40、C45、C50五種不同強度等級，制作150 mm×150 mm×150 mm抗壓強度試件，100 mm×100 mm×100 mm標準抗?jié)B試件、慢速抗凍試件，100 mm×100 mm×400 mm標準快速抗凍試件。每種等級的混凝土按照不摻加和摻加抗凍防腐劑分為兩組。編號分別為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 ℃，相對濕度大于90%的環(huán)境中養(yǎng)護28 d。各標號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1～3 m，氯鹽環(huán)境作用等級均達到或超過L3；部分區(qū)域化學侵蝕和鹽類結晶破壞環(huán)境已達到或超過H4和Y4等級。由于工程區(qū)域鹽類結晶破壞環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、氯鹽環(huán)境作用等級較高，故本次研究重點進行鹽類結晶破壞和氯鹽破壞試驗。結合現場實際情況配制腐蝕性溶液，侵蝕性溶液見表2。

表1 混凝土配合比

表2 侵蝕性溶液成分

(3)試驗內容及檢測方法

①對試件進行密實性試驗，采用電通量試驗進行混凝土密實性檢測。

②對試件進行抗?jié)B試驗，采用抗?jié)B儀對進行抗?jié)B試驗，測量同壓力下抗?jié)B高度。

③對試件進行慢速凍融循環(huán)試驗。采用凍融1組，硫酸鹽浸泡1組，氯鹽浸泡1組，測試標準養(yǎng)護后的抗壓強度、質量損失。

④對試件進行快速凍融循環(huán)試驗。采用凍融1組，硫酸鹽浸泡1組，氯鹽浸泡1組，測試標準養(yǎng)護后的動彈性模量?，F場測試如圖1所示。

圖1 測試情況示意

2 抗?jié)B試驗

2.1 密實性檢測

將1組和2組試件進行28 d標準養(yǎng)護后，檢測其電通量，兩組試件電通量對比如圖2所示。

圖2 電通量對比

由圖2可知，2組電通量有較大幅度降低，除C30混凝土外，其余標號混凝土電通量降幅達28%～53%?？梢耘袛嗵砑涌箖龇栏瘎┠艽蠓岣呋炷撩軐嵭?，并且混凝土強度等級越高效果越明顯。

2.2 抗?jié)B性檢測

將1組和2組試件進行28 d標準養(yǎng)護后，檢測其滲透高度及滲透高度比，兩組試件滲透高度對比如圖3所示。試驗發(fā)現，C30普通混凝土試件在滲透等級達到P9時，構件已經全部滲透，為使試驗具有可比性，其他混凝土試件抗?jié)B等級加至P9時均停止試驗。

圖3 滲透高度對比

數據對比發(fā)現，隨著混凝土標號的提高，其滲透高度呈下降趨勢，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37%～56%。由此可見，添加抗凍防腐劑可增加混凝土的密實性。

3 慢速凍融、鹽浸試驗

按照配制的腐蝕性溶液對試件進行慢速凍融循環(huán)。采用氣凍水溶法進行凍融循環(huán)，循環(huán)次數為66次。冷凍期間試驗箱內氣溫控制在-20 ℃～-18 ℃，融化水溫控制在18 ℃～20 ℃。分別檢測硫酸鹽、氯鹽溶液中試件凍融后強度和質量損失?？箟簭姸葥p失率如圖4所示，質量損失率如圖5所示。

圖4 抗壓強度損失率對比

圖5 質量損失率對比

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

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

4 快速凍融、鹽浸試驗

按照配制的腐蝕性溶液對試件進行快速凍融循環(huán)。采用水凍水溶法進行凍融循環(huán)。凍融循環(huán)從20 ℃開始，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，完成一個循環(huán)。分別檢測硫酸鹽、氯鹽溶液中試件凍融后相對動彈性模量。部分凍融循環(huán)后的試件如圖6所示。測試期間1組C30強度試件在試驗過程中破壞(無測試數據)。其他試件相對動彈性模量測試結果如圖7所示。

圖6 部分試件形狀

圖7 相對動彈性模量

通過試驗數據分析，在快速凍融條件下，C30、C35低強度混凝土在添加防腐劑后相對動彈性模量損失較小，而C40～C50等中高強度混凝土兩組試件動彈性模量損失相當。說明在快速凍融條件下，添加防腐劑后，低強度等級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)嚴重。

5 混凝土凍融、有害鹽類腐蝕機理分析

5.1 混凝土的特點及被腐蝕類型

混凝土是包含粗、細骨料和水泥等固體顆粒物質，游離水和結晶水等液體，以及氣孔和裂隙中的空氣等所組成的非勻質、非同向的三相混合材料?；炷羶炔靠障妒桥渲萍梆B(yǎng)護過程中的必然產物，一般分為凝膠孔、毛細孔和非毛細孔三類，其中，毛細孔總體積約占混凝土體積的10%～15%。由于毛細孔大多為開放孔，故其對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、碳化和化學腐蝕等幾種。其中，與外部水、土環(huán)境及氣候條件相關的主要有滲透、凍融和化學腐蝕三種。該三種腐蝕均與混凝土中孔隙或水泥水化產物相關，故混凝土中的孔隙和水泥水化產物是混凝土耐久性研究的重點。

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%)。水泥水化過程反應式如下。

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與石膏反應生成鈣礬石，在石膏消耗完后，部分鈣礬石會轉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 凍融腐蝕機理分析

通過密實性和滲透試驗結果分析，混凝土在添加防腐劑后，其密實性得到了提高，減少了混凝土內部貫通和開放的孔隙，從而提高了抗?jié)B性能。

目前，認可程度較高的凍融破壞理論是膨脹壓理論和滲透壓理論，認為混凝土凍融破壞是由于微量水進入混凝土內部，在凍融循環(huán)下引起體積不斷膨脹，進而加速混凝土內部孔隙貫通，最終導致混凝土凍脹破壞?；炷羶炔坑泻锥匆騼雒浂a生的改變將直接導致混凝土松散結構破壞。

在添加抗凍防腐劑后，提高了混凝土密實性和含氣量，在混凝土內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，可吸收毛細孔水結冰時產生的膨脹力，減輕對內部結構的破壞。故在凍融試驗中，2組試件破壞程度較1組試件明顯減輕。

5.3 有害鹽類腐蝕機理分析

從硫酸鹽、氯鹽-凍融循環(huán)試驗結果發(fā)現，兩種鹽類腐蝕情況下混凝土質量均產生微量增加，增加部分質量為鹽類結晶產物。

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物Ca(OH)2反應生成石膏，溶解Ca(OH)2的同時石膏體積膨脹；石膏再與水泥水化物水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石。反應式為

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，轉化為晶體水化物時體積發(fā)生劇烈膨脹，硫酸鈉水化物晶體膨脹率達到311%。由此可見，在硫酸鹽作用下，混凝土中的Ca(OH)2損失使其強度降低，各種鹽類水化物晶體發(fā)生膨脹，使混凝土內部膠結材料界面脹裂。故硫酸鹽腐蝕屬于結晶膨脹型破壞。

在氯鹽環(huán)境下，水泥水化物Ca(OH)2與氯鹽發(fā)生反應生成CaCL2等，增大了混凝土的孔隙率，削弱了材料內部結構，使混凝土遭受溶蝕破壞。由于混凝土強度主要取決于硅酸鈣的水化產物C-S-H凝膠和Ca(OH)2。故氯鹽的溶蝕破壞造成的混凝土強度損失要大于其他有害鹽類(這個結論可從圖4試驗數據初步推斷)。同時，氯離子也是引發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕、造成混凝土結構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反應生成不溶性鹽，可見氯鹽對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、水化速度和其對混凝土強度的貢獻等因素。C3A在水泥中的含量最少，其對混凝土強度的貢獻也最低。故在混凝土養(yǎng)護初期，大部分C3A已經水化完成。不具備與Cl-形成大量不溶鹽的條件。根據試驗結果及推斷，在氯鹽和硫酸鹽共同作用下，前期混凝土中Ca(OH)2與硫酸鹽反應發(fā)生脹裂破壞，與氯鹽發(fā)生溶蝕破壞，氯鹽溶蝕促進了硫酸鹽破壞，二者破壞效果疊加，直至水化產物鋁酸鈣耗盡，此時對于低強度混凝土可能已經完全破壞；后期主要是氯鹽溶蝕破壞。實際工程情況下，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

根據研究結果，由于柴達木盆地地區(qū)水土環(huán)境的強腐蝕特性，需在工程設計、施工、運營中充分考慮混凝土結構的耐久性。

6.1 原材料的選用

水泥材料宜加入磨細的礦物摻和料、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、膠凝材料用量應嚴格按照耐久性規(guī)范執(zhí)行；混凝土結構在地表以上、1～2 m以下的部分，采用的混凝土等級應為C50或以上；混凝土的各項耐久性指標應嚴格按相關規(guī)定進行檢測，合格后方可使用。

6.2 構造措施

應嚴格控制混凝土保護層厚度；外露及地下可能受雨淋或積水的混凝土結構物表面均設置排水坡；橋墩、承臺上下及四周各面均設置防水墊層，防水墊層外圍采用防水效果較好的土層回填，回填土層應高出原地表，并設置排水坡。

6.3 施工措施

混凝土各項耐久性指標滿足要求后方可進行應用；嚴禁在低溫下澆筑和養(yǎng)護混凝土；施工期間混凝土應攪拌均勻；鉆孔樁宜采用干鉆或鋼護筒防護進行施工，不宜采用泥漿護壁法施工；與腐蝕性水土接觸結構混凝土澆筑時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；對于墩臺、承臺等與腐蝕性水土接觸構件采用多層防滲設計應進行表面處理，內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)氧樹脂砂漿涂裝；采用陰極保護防止鋼筋銹蝕。

6.5 運營維護

設置同等自然條件下多批取樣檢查構件；混凝土結構耐久性設計理論使用年限一般為10年，在使用年限內需定期對結構物和取樣構件進行檢查和記錄，并進行適當養(yǎng)護和維修。

7 結論

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

(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與硫酸鹽反應發(fā)生脹裂破壞，與氯鹽發(fā)生溶蝕破壞，氯鹽溶蝕促進硫酸鹽破壞，二者破壞效果疊加，直至水化產物鋁酸鈣耗盡；后期主要為氯鹽溶蝕破壞。

(3)柴達木地區(qū)混凝土的腐蝕破壞主要表現為鹽類結晶、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水介質進行。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，并進行相應論證研究。

(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。故在耐久性設計時，應從原材料、外加劑、施工工藝、表面涂層處理、養(yǎng)護維修等多方面綜合考慮。