不同濃度硫酸鹽環境下橋臺水泥混凝土劣化機理研究

摘要：文章以路橋工程中橋臺混凝土為主要研究對象，在硫酸鹽環境下對其劣化機理及防護措施進行了深入探討。通過將試件置不同濃度的Na2SO4溶液中，進行干濕循環試驗模擬自然環境中硫酸鹽對水泥混凝土的劣化，測試試件的質量損失率以及抗壓強度變化，評價不同濃度Na2SO4溶液下混凝土試件的破壞情況。試驗結果表明，隨著硫酸鹽濃度增加，水泥混凝土的質量損失率上升，力學性能大幅下降。

關鍵詞：硫酸鹽環境；劣化機理；橋臺混凝土；干濕循環

U443.21A411283

0 引言

我國幅員遼闊，地理環境復雜。尤其在西部地區，由于地層富含硫酸鹽，使得此處的路橋工程面臨著極大的挑戰［1-2］。此外，海濱地區的橋臺混凝土同樣需要面對海水中的硫酸鹽侵蝕問題［3］。相比普通鋼筋混凝土工程，處于硫酸鹽環境下的混凝土工程在耐久性和安全性方面面臨著更為嚴苛的考驗。在硫酸鹽環境下，橋臺混凝土常常會遭受劣化，這不僅影響了橋梁的使用壽命，也對其安全性構成了威脅。由于硫酸鹽會在橋臺混凝土內部形成鈣礬石或石膏晶體，從而引發微觀裂縫并在長期過程中逐漸擴展，從而降低混凝土的抗滲性能，加速混凝土結構的老化過程，甚至可能導致無法逆轉的損壞［4-6］。因此，針對此類環境下的橋臺混凝土，亟須進行深入的研究和探索以找出有效的防護策略，確保其長久的安全運行。

國內外學者進行了大量試驗以探究驗證硫酸鹽在橋臺水泥混凝土中的傳輸以及劣化機理。劉大慶、余振新、周銘如等研究了水泥混凝土在硫酸鹽中的耐久性［7-9］，表明硫酸鹽會縮短混凝土工程結構的使用壽命。竇曉崢、施峰、楊正云等研究了水泥混凝土在硫酸鹽中的抗壓強度變化規律，結果表明硫酸鹽會劣化水泥混凝土內部結構，隨著硫酸鹽作用水泥混凝土的抗壓強度降低［10-12］。但是這些研究大多集中于同一濃度硫酸鹽對水泥混凝土的侵蝕破壞。海洋以及不同地區土壤中所含離子種類多樣復雜，不同地區硫酸鹽濃度相差大。為了更貼切工程實際，需對不同硫酸鹽濃度下水泥混凝土的劣化機理進行深入研究。

為了探究橋臺混凝土在特殊鹽環境下的受損情況，本文制作了水泥混凝土試件，并將其置于不同濃度的Na2SO4溶液中，模擬自然環境中硫酸鹽對水泥混凝土的影響。采用干濕循環試驗，研究了水泥混凝土試件在硫酸鹽含量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時混凝土試件外觀以及抗壓強度的下降情況，對不同濃度硫酸鹽環境中混凝土試件的劣化機理進行了深入分析。

1 原材料及樣品制備

1.1 原材料

試驗所用材料包括水、水泥、骨料、標準砂、Na2SO4分析純、減水劑。水為去離子水；水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5；骨料采用玄武巖。

1.2 Na2SO4溶液配制

用燒杯量取8份10 L蒸餾水，在蒸餾水中分別加入0 g、50.3 g、101.0 g、152.3 g、204.1 g、256.4 g、309.3 g、362.7 g Na2SO4分析純并用玻璃棒攪拌均勻，完成硫酸鹽含量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的溶液配制。

1.3 混凝土試件成型過程

將試驗所需水泥、骨料以及標準砂按一定配合比進行拌和，之后將加入高效減水劑的水加入并拌和均勻，裝入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具，將模具連同混凝土放在振動臺上，振動密實。試件分為9組，每組包含5個混凝土試件。將制作完成的混凝土試件放入混凝土恒溫恒濕養護箱中養護28 d，之后對試件進行脫模，完成混凝土試件的制作。混凝土試件配合比如表1所示。

2 試驗方案設計

用不同濃度的硫酸鈉溶液對混凝土試件進行干濕循環處理180 d后，模擬濱海環境下橋臺水泥混凝土受到離子侵蝕，測試混凝土試件的質量損失率以及抗壓強度值。試驗流程如圖1所示。

2.1 干濕循環試驗

將混凝土試件放入不同濃度的Na2SO4溶液中，浸泡14 h，取出再放入溫度為50 ℃的烘箱內干燥處理8 h，之后自然冷卻2 h為一個循環，干濕循環180次。

2.2 混凝土質量損失率測試

先測量硫酸鹽干濕循環之前混凝土試件的質量m0，將不同濃度Na2SO4溶液處理后的混凝土試件取出，測量其質量并記作m1。定義混凝土試件的質量損失率=m0-m1m0×100%。

2.3 混凝土試件抗壓強度測試

利用液壓萬能試驗機測量硫酸鹽干濕循環之前混凝土試件的抗壓強度，之后將混凝土試件置于不同濃度Na2SO4溶液中干濕循環180次，測量不同濃度Na2SO4溶液干濕循環后混凝土試件的抗壓強度。

3 試驗結果與討論

3.1 混凝土質量損失率

測量8組混凝土試件干濕循環前后的質量損失情況，得到數據整理如表2所示。

由表2可知，8組混凝土試件干濕循環后質量均有損失，經過計算，整理數據得到8組試件的質量損失率如圖2所示。

由圖2可知，當Na2SO4溶液濃度在0.5%～3.5%范圍內變化時，試件的質量損失率一直在上升，分析原因認為，隨著Na2SO4溶液濃度上升，鹽溶液在混凝土試件中更容易結晶析出，使混凝土試件微裂紋擴展迅速，混凝土試件劣化更加嚴重；當Na2SO4溶液濃度為0%時，試件質量損失率為0.28%，分析原因認為，空氣中的CO2融入水使水溶液呈酸性，與水泥中的Ca2（OH）2發生中和反應生成Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2遇水易溶導致試件一部分溶解流出，此時混凝土破壞主要以軟水溶蝕為主；當Na2SO4溶液濃度為0.5%時，試件質量損失率小于Na2SO4溶液濃度為0時混凝土試件的質量損失率，分析原因認為當Na2SO4溶液濃度較低，Na2SO4晶體在孔隙中析出一部分，無法完全填充孔隙使混凝土試件劣化產生微裂縫。有關不同濃度試件干濕循環劣化機理如圖3所示。

3.2 橋臺混凝土抗壓強度

根據液壓萬能試驗機測試結果，得到不同濃度Na2SO4溶液干濕循環后混凝土試件的抗壓強度。用干濕循環前后混凝土試件抗壓強度變化值除以干濕循環前試件的抗壓強度，得到試件干濕循環前后抗壓強度變化率。數據整理后如圖4所示。

由圖4可知，干濕循環前混凝土試件的抗壓強度平均值為46.9 MPa，由于試件的邊長為100 mm，換算成標準立方體抗壓強度需乘以0.95系數，結果為44.6 MPa，仍然滿足強度要求；當Na2SO4溶液濃度為0時，試件干濕循環180次后抗壓強度有所上升，分析認為干濕循環過程中雖然有軟水溶蝕會造成試件抗壓強度下降，但是由于養護過程中混凝土水化反應的繼續進行，混凝土強度仍在不斷發展并提升。

當Na2SO4溶液濃度為0.5%，干濕循環后抗壓強度上升率比純水中抗壓強度上升幅度更大，為17.7%。分析原因認為，當Na2SO4溶液濃度低，并且干濕循環次數一定時，Na2SO4在混凝土中結晶能填充混凝土孔隙且不至于使孔隙劣化產生微裂紋，同時混凝土更加密實，因此能提升混凝土抗壓強度。但是在實際濱海工程中，Na2SO4濃度低時仍然可以觀察到水泥混凝土工程的劣化，歸結起來有兩點原因：（1）濱海中離子種類多，環境復雜，各種不利因素耦合導致混凝土劣化，與試驗中的單一鹽類破壞有所不同；（2）濱海工程服役年限長，結構的設計使用年限一般為100年以上，而試驗干濕循環次數為180次，當干濕循環次數的增多，結晶鹽填滿混凝土內部孔隙時仍然會造成抗壓強度的下降。

當Na2SO4溶液濃度gt;1.5%時，干濕循環后試件的抗壓強度下降，且隨著Na2SO4溶液濃度上升，試件的抗壓強度迅速降低。由此驗證了混凝土置于高濃度Na2SO4溶液中干濕循環條件下，內部會產生結晶鹽并使混凝土孔隙產生微裂紋的猜想。

4 結語

本文以涉海路橋工程中橋臺混凝土為主要研究對象，在硫酸鹽環境下對其劣化機理深入探討。通過試驗探究了混凝土試件在不同濃度Na2SO4溶液干濕循環后的質量以及抗壓強度的變化。通過對試驗結果進行歸納總結，可以得出以下結論：

（1）在干濕循環次數較少，Na2SO4溶液濃度較低的情況下，混凝土內部孔隙會被Na2SO4結晶鹽部分填充，但不會產生微裂縫使混凝土性能下降，相反還會使混凝土力學性能有一定上升。

（2）當Na2SO4溶液濃度較高時，混凝土干濕循環后內部會產生結晶鹽體積膨脹，導致混凝土質量減少，力學性能下降，并且鹽溶液濃度越高混凝土劣化越嚴重。

（3）混凝土試件在水中干濕循環后會導致質量下降，其原因為空氣中的CO2溶于水使水呈弱酸性，之后與水泥石中的Ca（OH）2發生中和反應并能被水溶解流出。

硫酸鹽環境下橋臺混凝土劣化機理的研究，對于提高橋梁的使用壽命和安全性具有重要意義。通過研究硫酸鹽環境下橋臺混凝土的劣化機理，可以為橋梁的設計、施工和維護提供科學依據，從而提高橋梁的使用壽命和安全性。

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