濕熱環(huán)境下混凝土受酸雨腐蝕的試驗研究

謝 力，韓英俊，陳夢成

（1.華東交通大學建筑過程模擬與控制江西省重點實驗室，江西 南昌330013；2.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌330031）

混凝土結(jié)構的耐久性問題是當今土木工程界重點關注的對象，而酸雨是影響混凝土耐久性的重要因素之一。我國已成為繼歐、北美后第三大酸雨區(qū)，酸雨面積已超過國土面積的30%［1］。近年來，我國南方酸雨區(qū)域無明顯變化，北方在不斷擴展，酸度有所減弱，但全國酸雨形式依然嚴峻［2］。隨著建設步伐的加快，越來越多的橋梁和房屋結(jié)構遭受酸雨的侵蝕，目前，大型水利橋梁等基礎設施的環(huán)境評價也涉及到了酸雨的影響［3］。因此，開展酸雨環(huán)境下混凝土的侵蝕試驗研究對實際工程具有重要的理論指導意義。

關于酸雨對混凝土性能影響方面國內(nèi)外學者進行了一系列的試驗研究，眾多學者［4-10］采用浸泡加速腐蝕的方法以及部分學者［3，11-14］采用噴淋的方法，對酸雨單因素以及多因素耦合作用下混凝土的質(zhì)量、中性化、抗壓強度等進行試驗研究。然而像江西、貴州、重慶等省市在中國屬于酸雨重災區(qū)，濕熱也非常嚴重，但在上述模擬試驗中鮮有將酸雨噴淋和溫度這兩者結(jié)合起來進行研究。擬配制pH1.5，pH2.5和pH3.5的3種酸雨溶液，在酸雨噴淋-濕熱裝置中進行實驗室快速腐蝕試驗，討論不同腐蝕齡期混凝土在質(zhì)量、外觀、中性化、抗壓強度4個方面的劣化規(guī)律，為后期研究混凝土構件和結(jié)構試驗提供試驗依據(jù)和理論基礎。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及配合比

試驗采用C40普通硅酸鹽混凝土，坍落度為180 mm；水泥為洋房牌P·O 42.5級普通水泥；砂子為贛江中沙；石子采用粒徑為10～15 mm的青碎石；水采用自來水；粉煤灰等級為Ⅰ級；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；各材料參數(shù)及配合比見表1。

1.2 試件制作

根據(jù)試驗需求，制備100 個立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm）測量混凝土質(zhì)量、抗壓強度變化，6個長方體試件（100 mm×100 mm×400 mm）測量中性化深度變化。試驗混凝土設計強度為40 MPa，試件成型24 h后脫模，標準養(yǎng)護28 d后進行噴淋試驗，測得立方體抗壓強度為42.2 MPa。中性化試件用環(huán)氧樹脂密封相鄰的兩個面。

表1 混凝土配合比設計Tab.1 Mix proportion of the concrete

1.3 試驗模擬及方法

參照江西地區(qū)酸雨的酸度和離子濃度配制模擬溶液，采用噴淋的方式模擬酸雨的溶蝕和沖刷，通風加熱的方式對試件進行干燥。運用噴淋-加熱的循環(huán)方式模擬自然條件下酸雨對混凝土的侵蝕。

1.3.1 溶液模擬及裝置

模擬酸雨溶液各離子濃度分別為：SO42-為0.01 mol·L-1，NH4-為0.002 mol·L-1，Mg2+為0.002 mol·L-1。溶液pH值分別為1.5，2.5和3.5，試驗過程中采用日島pSH-25數(shù)顯酸度計測量并用稀硝酸調(diào)節(jié)溶液pH，每天3次，每5天更換1次溶液。

試驗裝置是集噴淋與通風加熱于一體的封閉裝置，通風加熱同時工作，并且由時間和溫度控制器自動控制。選用抽水量為60 L·min-1、揚程為7 m的磁力驅(qū)動耐腐蝕泵，溶液經(jīng)傾角為60°的管道微孔斜向上噴至擋板后自由下落，自由下落高度為1 550 mm。

1.3.2 試驗方法

采用干濕交替的腐蝕試驗方法，每噴淋3 h-靜置2 h-通風加熱2 h-靜置1 h為1個循環(huán)，每天3個循環(huán)，每10 d對試件進行拍照以及質(zhì)量、強度和中性化深度測量，每次噴淋開始前調(diào)節(jié)溶液pH，加熱時溫度控制在（40±1）℃。立方體抗壓及抗拉試驗每組分別3個試塊，每到預定的腐蝕齡期將試件自然干燥5 d后進行試驗。強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）規(guī)定進行。每隔10 d在試件上切下50 mm的厚度，用清水清洗并干燥后用裂縫測寬儀測量中性化深度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土外觀

隨著試驗的進行，經(jīng)3種溶液腐蝕后的混凝土試件外觀發(fā)生了不同程度的變化。置于pH3.5的溶液中腐蝕30 d 過程中，混凝土顏色從最初的淺灰色變成淺黃色，腐蝕到40 d 時混凝土表面局部有輕微麻面現(xiàn)象，在之后的腐蝕過程中，試件表面黃色逐步加深并且有砂礫脫落現(xiàn)象。經(jīng)pH2.5的溶液腐蝕10 d，試件表面呈淺黃色，腐蝕30 d 表面砂漿輕微脫落，腐蝕50 d后，局部有坑蝕現(xiàn)象，60 d 時粗骨料外露，此后，隨著腐蝕時間延長坑蝕數(shù)量增多，總面積增大。受pH1.5的酸雨溶液腐蝕10 d 時試件表面就有坑蝕現(xiàn)象，隨后，坑蝕逐漸嚴重。后期粗骨料在酸雨的沖刷腐蝕作用下也被溶蝕且深度逐步增大。這是因為隨著腐蝕時間的延長混凝土硫酸根離子濃度增大，使得試件表面黃色加深，溶液溶蝕作用使得細骨料松動脫落，加上沖刷作用最終使得試件表面產(chǎn)生不同程度的坑蝕現(xiàn)象。試驗現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 腐蝕后試件外觀Fig.1 Specimen appearance after corrosion

2.2 試件質(zhì)量

混凝土質(zhì)量變化與腐蝕時間的關系如圖2所示。由圖2（a）可知，試件在pH1.5的酸雨溶液中經(jīng)過30個干濕循環(huán)后就有質(zhì)量損失，整個試驗過程中損失量和腐蝕時間大致呈線性關系，試驗進行到90 d時，試件最終質(zhì)量損失達到1.435 kg。由圖2（b）可知，在pH2.5和pH3.5兩種酸雨溶液中，混凝土質(zhì)量在前10 d有所增加之后逐漸減小，增加量分別為0.039 kg和0.023 kg，最后質(zhì)量損失總量分別為0.136 kg和0.067 kg。試件質(zhì)量損失速率為pH1.5＞pH2.5＞pH3.5。

這些試驗現(xiàn)象是因為酸雨對混凝土的腐蝕包括H+的溶蝕、雨滴的沖刷作用和硫酸鹽的侵蝕，H+的溶蝕和雨滴的沖刷都會促使混凝土質(zhì)量損失，而硫酸鹽的侵蝕是有新物質(zhì)的生成使得混凝土的質(zhì)量增大，混凝土質(zhì)量在pH1.5的條件下以及pH2.5和pH3.5的下降段說明H+的溶蝕和雨滴的沖刷作用要大于硫酸鹽的侵蝕作用，而在pH2.5和pH3.5的上升段則剛好相反。溶液酸度越大，溶蝕沖刷作用越明顯。

圖2 質(zhì)量變化與腐蝕時間關系Fig.2 Relationship between mass loss and corrosion time

2.3 試件中性化深度

在3種腐蝕環(huán)境下混凝土中性化深度與腐蝕時間的關系如圖3所示。從圖中可以看出，混凝土的中性化深度隨著時間不斷增大，中性化增大速率隨著酸度的增大而減小。腐蝕時間相同時，pH值越小中性化深度越大。在pH2.5和pH3.5酸雨侵蝕下，混凝土中性化發(fā)展較為緩慢而且數(shù)值較為接近，試驗末期中性化深度僅有1.991 mm和1.625 mm。經(jīng)pH1.5的酸雨侵蝕后混凝土中性化深度增大較快，腐蝕30 d時，中性化深度為1.117 mm，到60 d時增加了69.1%，到90 d時又增加73.4%，說明酸度和腐蝕時間都是影響中性化的重要因素。在pH3.5溶液中濕熱循環(huán)腐蝕后混凝土中性化深度的測試結(jié)果要比文獻［14］的結(jié)果大得多，說明干濕循環(huán)會促使中性化的加深。中性化深度越深，鋼筋的保護層就越小，鋼筋越易發(fā)生銹蝕。酸雨溶液中的H+與混凝土中水泥水化產(chǎn)物發(fā)生中和反應是中性化深度增大的最主要因素，同時在濕熱循環(huán)加速腐蝕條件下，硫酸鹽侵蝕會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細小裂紋從而加速溶液的滲透速率，因此，試件的中性化深度隨著腐蝕時間在不斷增大。

2.4 抗壓強度

不同腐蝕環(huán)境下混凝土立方體抗壓強度變化如圖4所示。從圖上可以看出，腐蝕環(huán)境不同混凝土抗壓強度的變化規(guī)律不盡相同。在pH3.5酸雨溶液條件下前40 d濕熱循環(huán)腐蝕過程中，混凝土抗壓強度呈上升趨勢，之后緩慢下降，最大值為47.0 MPa，比試驗初期增大了9.8%，腐蝕末期最小值為42.1 MPa，比腐蝕前僅降低了0.7 MPa。在pH2.5條件下前30 d抗壓強度在不斷增大，但增大速率要略小于pH3.5的情況，下降段速率明顯快于前者。腐蝕循環(huán)第70 d時強度已低于混凝土設計值，試驗末期抗壓強度最小值為36.3 MPa，比試驗初降低了15.2%。對于pH1.5酸雨溶液中的試件，其抗壓強度隨腐蝕時間一直下降，后期的下降速率要大于前期。腐蝕90 d時混凝土抗壓強度為27.5 MPa，比試驗初降低了35.7%，已經(jīng)遠小于試件的設計強度。

圖3 中性化深度與時間關系Fig.3 Concrete neutralization depth versus time

圖4 立方體抗壓強度與腐蝕時間的關系Fig.4 Relationship between cube compressive strength and corrosion time

在自然環(huán)境中，pH＜3.5 的酸性降雨極其少見，酸度較小的酸沉降對混凝土的腐蝕是一個緩慢的過程。在本試驗干濕循環(huán)的條件下硫酸鹽侵蝕機理多為結(jié)晶型侵蝕，當晶體膨脹應力較小時，結(jié)晶產(chǎn)物可以填充混凝土內(nèi)部空隙，從而使得抗壓強度有所增大，隨著膨脹應力的增大內(nèi)部裂紋不斷增多，以及酸性介質(zhì)的沖刷、溶蝕作用三者共同作用又使強度降低。在酸度較大的情況下，溶液的溶蝕、沖刷作用占主導地位，使得混凝土強度一直下降。

3 結(jié)論

1）在濕熱酸雨環(huán)境中，不同pH的模擬酸雨溶液對混凝土的腐蝕情況不同。pH2.5和pH3.5的酸雨溶液使混凝土試塊質(zhì)量先增大后減小，而pH1.5的模擬酸雨溶液對試塊的腐蝕能力更強，其質(zhì)量損失始終增大。混凝土中性化深度隨著腐蝕時間不斷增大，溶液酸性越強中性化深度越大，在pH2.5和pH3.5兩種條件下中性化深度相差不大。

2）在濕熱酸雨環(huán)境中，混凝土抗壓強度損失隨著pH的減小而增大，其中在pH2.5和pH 3.5溶液中混凝土抗壓強度先短暫地增大后逐漸減小，而在pH1.5條件下則是一直遞減。

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