硫酸鹽侵蝕凍融循環條件下混凝土性能研究

解學鵬

（青島中建偉業建材有限公司，山東 青島 266400）

1 引言

青島沿海岸地區混凝土結構受到鹽離子侵蝕和凍融循環損壞，結構的力學性能大幅下降，不利于結構的正常使用。為保障混凝土結構的穩定使用，需探討硫酸鹽侵蝕-凍融循環的具體特性，在明確機理后采取針對性的管控措施，最大限度減小外部環境對混凝土結構產生的不良影響。

2 混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及機理

受內外部化學作用，混凝土中構成水泥石的水化物變質分解，伴隨剝落、潰散等問題，即化學侵蝕，侵蝕的源頭包含酸類、堿類、鹽類等物質，其中以硫酸鹽侵蝕現象尤為嚴重。根據侵蝕方式的不同，分為物理侵蝕和化學侵蝕兩類；從生成產物的類型來看，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 硫酸鹽結晶型侵蝕

受干濕交替的影響，混凝土中的MgSO4和Na2SO4析出并結晶，產生MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O，體積較之于正常狀態膨脹4～5 倍，由于體積的急劇變化，混凝土出現開裂的形態變化和劣化的力學退化現象。

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孔由于石灰溶液的填充作用而呈飽和狀態，產生石膏晶體和鈣礬石晶體，體積增加1.24 倍，混凝土結構由于劇烈膨脹而受損；水泥水化期間產生CH，導致凝膠物質分解。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，關鍵原因在于出現硫鋁酸鈣型侵蝕；SO42-濃度＞1 000 mg/L，產物有硫鋁酸鈣和石膏，但石膏型侵蝕僅發生在SO42-濃度極高的條件下。需注意的是，由于干濕交替現象的存在，即便SO42-濃度相對較低，仍以石膏型侵蝕現象為主，原因在于水分持續蒸發，溶液含水量降低而濃度增加，逐步出現石膏結晶[1]。

2.3 鈣礬石型硫酸鹽侵蝕

水泥石中存在Ca（OH）2，Na2SO4或MgSO4與之接觸后發生反應，產生Ca2SO4，進而與CAH10產生鈣礬石，從溶液中析出，產生針狀的晶體，混凝土將由于晶體吸水而持續膨脹，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，產物為碳硫硅鈣石，無黏結特性，混凝土的強度因此而降低。同時，碳硫硅鈣石具有膨脹性，隨之影響混凝土的形態[2]。

3 混凝土凍融損傷的機理分析

混凝土凍融循環損壞的類型主要有如下3 類。

一是內部劣化：混凝土的水分凍結膨脹，內部產生微裂縫，且此現象在反復凍融作用下體現得更為明顯。

二是表面剝蝕：內部劣化裂隙逐步顯現，可見混凝土產生裂縫且數量增加、影響范圍擴大，最終引起剝離現象。

三是崩裂破壞：混凝土孔隙水飽和度較高，環境溫度較低時有凍結現象，導致混凝土的體積增加，出現崩裂破壞。

導致混凝土受凍破壞的原因錯綜復雜，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制不盡相同，其中以毛細孔尤為突出，原因在于其會對混凝土的抗凍性造成影響。水固結成冰后，體積膨脹9%，部分尚未固結的孔溶液發生向外遷移的移動路徑，在此過程中產生靜水壓力，若此部分力的作用超過混凝土抗拉強度，將導致結構破壞。氣泡間距、結冰時冷卻速度、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冰而升高，與周邊小孔隙的溶液存在濃度差，部分結冰的大孔中將有一定量小孔中的溶液匯聚于此，產生滲透壓。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，與此同時部分凍結的大孔溶液持續接收到源自小孔中的溶液，加劇滲透壓現象。待實際滲透壓超過混凝土抗拉強度時，混凝土結構將由于壓力作用而受損。

4 試驗方案

4.1 工程概況

某海水養殖工程，受高鹽侵蝕和凍融循環的影響，水工混凝土結構表面有開裂、剝落等問題，壩體開裂迫使工程結構的穩定性降低，部分水池結構損傷破壞、受力性能大幅減弱，多類病害的出現均嚴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對結構的影響，據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，細骨料采用白馬河河砂，5～20 mm碎石，適配HDK-9 型凍融循環機，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程》的規定進行試驗。

5 試驗結果與分析

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和硫酸鹽侵蝕作用時的影響機制，試驗結果及分析如下。

5.1 水膠比產生的影響

粉煤灰摻量30%，引氣劑摻量0.02%，調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25 次、50 次，浸泡試驗10 d、20 d，按前述方法反復試驗，直至達到250 次凍融循環試驗或100 d 硫酸鹽侵蝕為止。試驗期間加強對試塊的質量檢測，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據，如圖1 所示。

圖1 不同水膠比時混凝土受復合作用的力學性能變化

分析發現：B1 組試塊在復合作用次數達到100 次、200 次、300 次后，試塊抗壓強度分別下降5.8%、15.2%、22.8%；B2、B3 組試塊，在300 次復合作用下，抗壓強度分別下降28.4%、32.2%。

根據試驗結果可知，受凍融循環和硫酸鹽侵蝕的影響，混凝土的抗壓強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性能。考慮到青島沿海地區凍融、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度的要求，確保建設成型的混凝土結構在外部環境的影響下具有可靠性。

5.2 引氣劑摻量產生的影響

粉煤灰摻量20%，水膠比0.45，調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度，結果如圖2 所示。

圖2 不同引氣劑摻量時混凝土受復合作用的力學性能變化

分析發現：不摻引氣劑的A4 試塊的抗壓強度下降量最大，以300 次復合作用為例，下降28.4%，且強度最低；摻加引氣劑的3 組試塊中，A1 試塊的抗壓強度下降幅度最大，例如100 次、200 次、300 次的抗壓強度分別降低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次復合作用下的抗壓強度分別下降21.5%、20.7%，相較于A1試塊在300 次的抗壓強度降幅均更小，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度在凍融循環和硫酸鹽侵蝕的復合作用下有明顯的下降，隨著引氣劑摻量的變化，混凝土的力學性能呈現出獨特性，引氣劑摻量增加時性能更優。考慮到青島沿海地區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 粉煤灰摻量產生的影響

引氣劑摻量取0.02%，水膠比0.45，調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度，結果如圖3 所示。

圖3 不同粉煤灰摻量時混凝土受復合作用的力學性能變化

分析發現：C3 組試塊的抗壓強度下降幅度最大，此現象的出現與粉煤灰摻量偏多有關，經過100 次、200 次作用后，C3試塊的抗壓強度分別降低19.3%、38.6%，次數達到300 次時抗壓強度由于異常降低而低于標準值（強度降低量達到50%以上）；對于C1、C2 組試塊，各自在300 次復合作用后的抗壓強度分別降低29.5%、31.4%；C4 試塊未摻入任何粉煤灰時，抗壓強度降幅最小，在300 次時下降28.4%。

可見，混凝土試塊的抗壓強度在凍融循環和硫酸鹽侵蝕的復合作用下有明顯的下降，隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土的力學性能呈現出獨特性，粉煤灰摻量增加時性能快速下降。考慮到青島沿海地區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，用于優化混凝土的力學性能，但用量的控制尤為關鍵，不宜超過30%。

6 結論

1）受凍融循環和硫酸鹽侵蝕的影響，混凝土的力學性能發生改變，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試驗的方法，經各組試塊力學性能的對比分析后，認為引氣劑摻量對混凝土結構的力學性能有顯著的影響，排于次位的是粉煤灰摻量，相較之下水膠比雖然對其產生影響但程度有限。

2）在凍融循環與硫酸鹽侵蝕的作用下，粉煤灰摻量對混凝土的力學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混凝土力學性能的提升，但需嚴格控制粉煤灰的用量，不宜超過30%，否則混凝土的力學性能反而有下降的變化趨勢，出現適得其反的局面。

3）不同工程的施工條件、質量要求存在差異，需遵循因地制宜的原則，根據具體情況做好試驗與分析工作，確定對混凝土力學性能造成影響的關鍵因素，有的放矢地采取管控措施，經過材料的合理選擇和用量的精細調節后，制備高性能的混凝土，使施工成型的結構穩定可靠。