在混凝土中氯鹽對硫酸根離子擴(kuò)散性能的影響

陳小琴CHEN Xiao-qin；鄭海彬ZHENG Hai-bin

（①義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，義烏322000；②義烏市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，義烏322000）

0 引言

我國東部有著綿長的海岸線、西北部也存在著大量的鹽漬地及鹽湖地區(qū)，這些海洋環(huán)境、鹽湖、鹽漬地環(huán)境中往往富含多種對混凝土結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生侵蝕的離子，如SO42-及Cl-1。這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)也就容易產(chǎn)生病害，影響建筑使用壽命。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對SO42-、Cl-共同腐蝕效應(yīng)下的混凝土復(fù)合損傷的研究較少，例如在擴(kuò)散性能方面，對于在硫酸鹽單獨(dú)侵蝕下的混凝土硫酸根離子擴(kuò)散性能研究比較多[2]-[5]。但對SO42-、Cl-共同腐蝕環(huán)境中Cl-的存在及其濃度變化對硫酸根離子在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散性能影響的機(jī)理和規(guī)律研究的比較少，尚需作進(jìn)一步的研究。因此，本文通過試驗(yàn)測試了不同腐蝕環(huán)境中硫酸根離子含量隨齡期和Cl-濃度變化而變化的規(guī)律，研究腐蝕環(huán)境中Cl-的存在及其濃度變化對硫酸根離子在混凝土內(nèi)部擴(kuò)散性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料 水泥采用福建省煉石牌42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑小于10mm的連續(xù)級配碎石，細(xì)骨料為閩江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.4。

硫酸鈉粉末由天津科貿(mào)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)，分子式為Na2SO4；氯化鈉粉末由上海錦悅化工有限公司生產(chǎn)，分子式為NaCl。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 混凝土試件 混凝土試件的成型尺寸為40mm×40mm×160mm，配合比見表1。

按照表1所示混凝土配合比制作混凝土試塊24塊，24小時(shí)后脫模，放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度20℃、濕度90%左右）養(yǎng)護(hù)28天。之后對試塊兩個(gè)端面進(jìn)行面封蠟處理。

1.2.2 腐蝕溶液制備 按照硫酸鈉粉末、氯化鈉粉末所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，配制四種腐蝕溶液（見表2），S1為SO42-單獨(dú)腐蝕環(huán)境，S2、S3、S4 為 SO42-、Cl-共同腐蝕環(huán)境。

表1 混凝土配合比

表2 腐蝕溶液

1.3 腐蝕作用下混凝土擴(kuò)散性能評定指標(biāo) 對進(jìn)行過表面封蠟處理過的24個(gè)試塊平均分為4組，每組6塊，分別置入已配制的腐蝕機(jī)制S1～S4中，在腐蝕齡期的30d、60d、90d、120d、150d、180d，從各腐蝕機(jī)制中各取出一個(gè)混凝土試塊作為樣品以進(jìn)行SO42-濃度的測定。

本次擴(kuò)散試驗(yàn)采用的評定混凝土擴(kuò)散性能的指標(biāo)為混凝土各齡期各位置SO42-濃度W(x,y,t)。

1.4 離子含量測定

離子含量的測定采用分層取樣的方法。按照圖1進(jìn)行切割、編號，由于試件的對稱性，只需取樣品的 A1～A4、B2～B4、C3～C4、D4 號粉末進(jìn)行離子濃度測定。SO42-離子含量（以占單位漿體的質(zhì)量百分比表示）測定參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法硫酸根離子的測定》[5]（GB/T 13025.8-91）中容量法（EDTA絡(luò)合滴定法）。

圖1 樣品編號示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

擴(kuò)散試驗(yàn)中各個(gè)腐蝕機(jī)制中混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)腐蝕齡期（180d）結(jié)束時(shí)各個(gè)位置的SO42-含量測定結(jié)果可見表3。通過對腐蝕前混凝土試塊進(jìn)行取樣滴定可知試塊中SO42-初始含量為0.57%。

表3 180d時(shí)混凝土各個(gè)位置SO42-離子含量（%）

D4為擴(kuò)散試驗(yàn)中混凝土試塊的中心位置編號，D4處SO42-含量經(jīng)時(shí)變化可以反映SO42-對混凝土的侵蝕程度，圖2對比了不同腐蝕機(jī)制中試件D4處各個(gè)腐蝕齡期的SO42-含量。

圖2 各腐蝕齡期混凝土D4處SO42-含量

①腐蝕機(jī)制S1、S2、S3、S4中混凝土試塊D4處出現(xiàn)SO42-離子的時(shí)間都不相同，其中S1中試塊在D4處出現(xiàn)SO42-的時(shí)間最早，而此時(shí)共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊在D4處的SO42-含量仍為SO42-初始濃度，說明外界的SO42-尚未侵入試塊中心。腐蝕進(jìn)行的第二、第三和第五個(gè)月，共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊中心D4處分別出現(xiàn)了外界侵入的SO42-，且出現(xiàn)時(shí)SO42-離子的含量分別為0.66、0.62和0.6。在設(shè)計(jì)腐蝕齡期（180d）結(jié)束時(shí)S1中試塊在D4處SO42-含量為1.07%，均大于共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊D4處的SO42-離子含量。此時(shí)共同腐蝕機(jī)制S1、S2、S3中試塊D4處SO42-含量分別為0.74%、0.7%、0.61%。產(chǎn)生這些變化的主要原因是Cl-在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度比SO42-要快得多。這就使得在共同腐蝕環(huán)境下Cl-比SO42-能先侵入混凝土并率先與水化鋁酸三鈣反應(yīng)生成膨脹性腐蝕產(chǎn)物水化氯鋁酸鈣填充孔隙，增大了混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性，使得SO42-進(jìn)入混凝土的難度加大。其次，SO42-、Cl-間的離子交互作用也會影響SO42-在混凝土內(nèi)部的遷移和沉積[5]。

②無論是SO42-單獨(dú)腐蝕機(jī)制S1，還是SO42-、Cl-共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊D4處SO42-含量的經(jīng)時(shí)變化趨勢均為在出現(xiàn)外界侵蝕的SO42-后，SO42-含量隨著時(shí)間逐漸增大，只是增大的幅度不同。例如，腐蝕機(jī)制S1中試塊D4處SO42-含量在腐蝕齡期的第90d后出現(xiàn)突然增大的趨勢，而出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于SO42-侵蝕與水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸三鈣生成的鈣礬石已經(jīng)充滿孔隙，產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力，使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋加速了SO42-的侵入。然而，設(shè)計(jì)腐蝕齡期內(nèi)共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊D4處SO42-含量的增長幅度卻是隨著腐蝕齡期的進(jìn)行而逐漸平穩(wěn)下降，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)腐蝕齡期內(nèi)，共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中試塊孔隙尚未被腐蝕產(chǎn)物填滿，尚未產(chǎn)生拉應(yīng)力，反而由于腐蝕產(chǎn)物對孔隙的填充增加了混凝土的密實(shí)度，從而增加了混凝土的抗?jié)B性，使得SO42-離子侵入至混凝土試塊中心處D4的難度增大。

因?yàn)閿U(kuò)散試驗(yàn)采用的試塊的對稱性，加之離子侵入方式也是對稱的，所以在腐蝕齡期結(jié)束時(shí)腐蝕機(jī)制S1、S2、S3、S4中試塊在XOZ平面表層（0～5mm）沿X方向的SO42-含量變化趨勢與在YOZ平面表層（0～5mm）沿Y方向的SO42-含量變化趨勢相同，均可用圖3表示。

從圖3可看出在設(shè)計(jì)腐蝕齡期結(jié)束時(shí)，腐蝕機(jī)制S1、S2、S3、S4 中試塊在XOZ平面表層（0～5mm）沿 X方向的 SO42-含量變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為SO42-含量隨著沿X方向深度的增加而逐漸減少。與SO42-單因素腐蝕機(jī)制S1中試塊表層沿X方向的SO42-含量相比，共同腐蝕機(jī)制S2、S3、S4中相同深度處SO42-離子含量均來得小些，分別為S1中相同深度處SO42-離子含量的68%～70%、63%～65%以及55%～57%。

圖3 SO42-含量隨深度變化趨勢

3 結(jié)論

①Cl-存在并沒有改變SO42-在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，SO42-含量仍是隨著混凝土深度的增大而減小。但是在腐蝕早期，Cl-的存在能夠減緩SO42-侵入混凝土的速度，并推遲了SO42-進(jìn)入混凝土內(nèi)部中心區(qū)的時(shí)間。所以，SO42-、Cl-共同腐蝕環(huán)境有利于減緩SO42-在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散。

②同一深度，隨著時(shí)間的發(fā)展，SO42-含量逐漸增大。同樣，Cl-的存在能夠降低SO42-含量隨時(shí)間增長的幅度，且Cl-濃度越大，這種降低作用越顯著。

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[6]中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 13025.8-91，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)——制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法硫酸根離子的測定[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991-07-03.