混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗研究

謝智剛，王起才，代金鵬，王振宇，梁柯鑫，田祥富

(1. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)(2. 蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實驗室，甘肅 蘭州 730070)

1 前 言

混凝土硫酸鹽侵蝕(sulfate attack)，是指水化硅酸鹽水泥漿體中的礦物與來自環(huán)境中的硫酸鹽離子之間的物理-化學(xué)作用引起的混凝土破壞[1]。

混凝土硫酸鹽侵蝕破壞過程是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)力學(xué)變化過程，影響因素多，危害性大，是混凝土耐久性研究的重要內(nèi)容之一。土壤、地下水、海水、腐爛的有機(jī)物及工業(yè)廢水中都含有一定量硫酸根離子，它們通過多種途徑傳輸?shù)交炷羶?nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)或者直接結(jié)晶析出，使混凝土產(chǎn)生膨脹、開裂、剝落等現(xiàn)象，最終喪失強(qiáng)度和整體性。水利、房屋建筑、道路、海港以及機(jī)場等工程中都存在硫酸鹽侵蝕問題，嚴(yán)重的會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在較短時間內(nèi)發(fā)生破壞[2]。

因此，盡管混凝土硫酸鹽侵蝕相關(guān)報道已經(jīng)有100余年歷史[3]，并且每年都有大量試驗研究和文獻(xiàn)報道。但由于混凝土硫酸鹽侵蝕的復(fù)雜性，對其并沒有一個清晰而深入的認(rèn)識，所做的研究并沒有真正起到提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的效果，使得在實際工程中，不僅存在大量己被硫酸鹽侵蝕破壞的老建筑物，另外還有很多新建混凝土建筑物也正在受到硫酸鹽的不斷侵蝕破壞[4]。

早在1923年，美國學(xué)者米勒開始了混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗研究[5]，我國對混凝土受硫酸鹽侵蝕試驗和理論等相關(guān)研究與國外相比起步較晚，與混凝土的抗凍性、堿骨料反應(yīng)等耐久性中的其他方面的研究相比而言，當(dāng)前針對混凝土硫酸鹽侵蝕的相關(guān)研究還有所欠缺。因此，展開對混凝土受硫酸鹽侵蝕劣化試驗研究將是完善混凝土耐久性研究的一個重要方面，同時更將有利于對在役和待建結(jié)構(gòu)的混凝土硫酸鹽侵蝕的使用壽命評估和使用壽命設(shè)計與再設(shè)計提供參考依據(jù)[6]。

綜上所述，積極開展混凝土硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理研究是很有意義的。首先，研究混凝土硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理，特別是研究與實際相符的復(fù)合因素作用下的情況，有利于對在役結(jié)構(gòu)的混凝土硫酸鹽侵蝕的耐久性評估和所建結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計提供參考。另外，混凝土硫酸鹽侵蝕和混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞等問題共同構(gòu)成了混凝土耐久性的研究體系，但混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融破壞等問題研究的相對系統(tǒng)和深入[7-10]，而混凝土硫酸鹽侵蝕的研究有所欠缺。因此，開展這方面的研究也有助于完善混凝土耐久性研究體系[2]。

本文分析了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20 ℃)混凝土試件在全浸泡硫酸鹽侵蝕下，結(jié)合硫酸鹽侵蝕機(jī)理，通過研究混凝土耐久性-硫酸鹽侵蝕的評價指標(biāo)、混凝土抗壓侵蝕系數(shù)和相對動彈性模量，分析了混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，以期通過本研究為我國混凝土耐久性-硫酸鹽侵蝕評判提供理論依據(jù)。

2 混凝土受硫酸鈉溶液侵蝕劣化機(jī)理

混凝土硫酸鹽腐蝕機(jī)理的經(jīng)典解釋[1]是，硫酸鹽存在條件下在混凝土硬化體中形成鈣礬石，膨脹導(dǎo)致混凝土開裂。需要說明的是，硫酸鹽對混凝土的侵蝕機(jī)理除生成鈣礬石造成膨脹開裂外，近幾年的研究表明鹽在混凝土孔隙中結(jié)晶導(dǎo)致的膨脹也是導(dǎo)致混凝土開裂的重要原因之一。

混凝土硫酸鹽侵蝕劣化涉及到侵蝕離子在混凝土孔隙系統(tǒng)中的傳輸、侵蝕離子與水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)或侵蝕物質(zhì)的結(jié)晶析出、膨脹性侵蝕產(chǎn)物對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞(表現(xiàn)為膨脹、開裂、剝落以及強(qiáng)度損失等)3個相互聯(lián)系的過程，是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)力學(xué)變化過程[11]。

當(dāng)外界硫酸鹽侵入到混凝土的內(nèi)部時，高濃度硫酸鹽會結(jié)晶析出來填充毛細(xì)孔，產(chǎn)生結(jié)晶壓力；硫酸根離子會與混凝土中的水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性鈣礬石和石膏，導(dǎo)致混凝土受到膨脹應(yīng)力而破壞，另一方面由于水泥主要水化產(chǎn)物氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠等的消耗或溶出，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度及漿體與骨料間的粘結(jié)性能降低，致使混凝土工作失效[6]?；炷恋牧蛩猁}腐蝕破壞可總結(jié)為物理(結(jié)晶)破壞和化學(xué)破壞。

(1)物理破壞機(jī)理

目前關(guān)于硫酸鈉對混凝土的結(jié)晶破壞機(jī)理主要有3種理論[12]，固相體積理論、結(jié)晶水壓力理論和鹽結(jié)晶壓力理論。固相體積理論指混凝土中無水硫酸鈉(Na2SO4)轉(zhuǎn)換成十水硫酸鈉晶體(Na2SO4·10H2O)后，由于體積增大導(dǎo)致混凝土破壞，文獻(xiàn)[3,13,14]也表明混凝土受硫酸鹽破壞主要是因為無水硫酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)槭蛩徕c時所產(chǎn)生的結(jié)晶壓力造成的。結(jié)晶水壓力理論，和上面的固體體積變化理論相似，此理論也只能適用于無水硫酸鈉晶體和十水硫酸鈉晶體之間的轉(zhuǎn)換。鹽結(jié)晶理論[15]表明根據(jù)環(huán)境掃描電鏡觀察結(jié)果[16-19]，在無水硫酸鈉加水溶解過程中，并不會產(chǎn)生無水硫酸鈉直接結(jié)合結(jié)晶水產(chǎn)生膨脹的劣化現(xiàn)象，整個過程是先溶解然后重新結(jié)晶，外界相對濕度上升，無水硫酸鈉溶解產(chǎn)生相對于十水硫酸鈉過飽和的硫酸鹽溶液，如果外界環(huán)境中的相對濕度或者溫度下降，就會在溶液中結(jié)晶產(chǎn)生十水硫酸鈉或者無水硫酸鈉。

(2)化學(xué)侵蝕機(jī)理

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+

3Ca(OH)2

(1)

2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+

Ca(OH)2

(2)

(3)

(4)

從式(3)可以看出，C3A在水化過程中主要產(chǎn)生3種水化產(chǎn)物，即CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O(AFm)、CaO·Al2O3·6H2O、CaO·Al2O3·13H2O。

當(dāng)混凝土受到外部Na2SO4溶液侵蝕時，硫酸根離子(SO42-)通過混凝土孔隙系統(tǒng)傳輸?shù)交炷羶?nèi)部，首先與水泥石中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4·2H2O+2NaOH

(5)

特別指出，水泥水化反應(yīng)時涉及到的CaSO4·2H2O是水泥的組分之一，而上式中的CaSO4·2H2O是混凝土受到Na2SO4溶液侵蝕時新生成的產(chǎn)物，它將進(jìn)一步與水泥石中的含鋁相發(fā)生如式(6)的反應(yīng)，生成鈣礬石(AFt相)[20, 21]：

(6)

從式(6)可知，CaSO4·2H2O與水泥石反應(yīng)生成的主要化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物有鈣礬石，在一定條件下，鈣礬石會分解形成石膏，因此主要反應(yīng)產(chǎn)物有石膏和鈣礬石兩種。

其中石膏是硫酸根離子濃度比較高時的侵蝕產(chǎn)物，硫酸根離子濃度比較高時所形成的低堿環(huán)境下鈣礬石是不穩(wěn)定的，它可以分解形成石膏。水泥水化產(chǎn)物中的CH和C—S—H和硫酸鹽反應(yīng)都會生成石膏。

鈣礬石為溶解度極小的礦物，本身呈針狀結(jié)晶，當(dāng)鈣礬石吸收了大量水分子，在含鋁的固相表面呈針狀析出，形成膨脹內(nèi)應(yīng)力而造成固相體積膨脹，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時就會導(dǎo)致混凝土的開裂、破壞[22-24]。硫酸根離子濃度越高，水泥中的C3A含量越多，鈣礬石產(chǎn)生的機(jī)會越高。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試 驗

試驗所需材料如下：普通水泥采用甘肅祁連山集團(tuán)生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，比表面積326 m2·kg-1；抗硫酸鹽水泥采用白明高速公路項目現(xiàn)場生產(chǎn)的高抗硫水泥；細(xì)骨料采用天然河沙，細(xì)度模數(shù)2.7，II區(qū)中砂，表觀密度2640 kg·m-3，堆積密度1630 kg·m-3；礦物摻合料的礦粉采用青海青瑞集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的S75級礦粉、硅灰采用青海青瑞集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的硅灰(28 d活性指數(shù)97%)；粗骨料采用5～26.5 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)6.7%，表觀密度2800 kg·m-3，堆積密度1650 kg·m-3；減水劑采用山西康特爾精細(xì)化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%?；炷僚浜媳热绫?所示，該研究以白明高速路段的硫酸鹽侵蝕為背景進(jìn)行研究，白明高速路段路基混凝土主要以水膠比為0.32和0.36的水泥為主，因此混凝土選擇0.32和0.36水膠比更符合工程實際，配比種類如下：

A.普通硅酸鹽水泥+0%硅灰+0%礦粉；

B.高抗硫水泥+0%硅灰+0%礦粉；

C.普通硅酸鹽水泥+1%硅灰+15%礦粉；

D.普通硅酸鹽水泥+3%硅灰+15%礦粉；

E.普通硅酸鹽水泥+2%硅灰+15%礦粉。

3.1.1 混凝土抗壓侵蝕系數(shù)

混凝土強(qiáng)度試驗為0.36-A、0.36-B、0.36-E、0.32-A、0.32-B、0.32-E 6組(0.32和0.36表示水膠比，A、B、E表示配比種類)，所有組混凝土在持續(xù)(20±2)℃的養(yǎng)護(hù)溫度下養(yǎng)護(hù)，所有的試件養(yǎng)護(hù)濕度均控制在(95±2)%?；炷敛捎脭嚢铏C(jī)一次攪拌完成，混凝土入模振動后成型，抗壓強(qiáng)度試件尺寸采用100 mm×100 mm×100 mm，混凝土試件首先室內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)24 h，接著脫模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。試件養(yǎng)護(hù)28 d后分成兩組，一組放入20 ℃養(yǎng)護(hù)箱中裝有(20±2)℃水的容器中養(yǎng)護(hù)，另一組放入裝有(20±2)℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%(21 g/L)Na2SO4溶液的容器中養(yǎng)護(hù)，液面至少高出試件頂面10 mm，每28 d換一次水和Na2SO4溶液。混凝土試件采用全浸泡侵蝕，每隔28 d測定一次Na2SO4溶液及水中試件的抗壓強(qiáng)度，以對各組混凝土試件的抗蝕性能進(jìn)行檢驗評價。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能采用抗蝕系數(shù)K進(jìn)行評價，K值計算方法如式(7)所示：

K=f1/f2

(7)

式中，f1是試件在(20±2)℃ Na2SO4侵蝕溶液中養(yǎng)護(hù)x天的抗壓強(qiáng)度，單位MPa；f2是試件在(20±2)℃水中養(yǎng)護(hù)x天的抗壓強(qiáng)度，單位MPa。

3.1.2 混凝土相對動彈性模量

混凝土動彈性模量的檢測是利用超聲波對混凝土進(jìn)行無損檢測，超聲波檢測對混凝土內(nèi)部的裂紋敏感性較高，因此能有效反應(yīng)混凝土內(nèi)部的損傷情況。試件尺寸采用100 mm×100 mm×300 mm，試件養(yǎng)護(hù)28 d后分成兩組，一組放入裝有(20±2)℃水的容器中浸泡，另一組放入裝有(20±2)℃、3%(21 g/L)Na2SO4溶液的容器中浸泡，液面至少高出試件頂面10 mm，每隔28 d換一次水和Na2SO4溶液。每隔28 d測定一次Na2SO4溶液及水中的試件的質(zhì)量和縱向動彈性模量，以對各組混凝土試件的縱向相對動彈性模量進(jìn)行檢驗評價。試件的動彈性模量值和試件的重量、基準(zhǔn)頻率，以及試件的尺寸相關(guān)，其計算方法如式(8)所示：

Ed=40.75×10-4×mLf2/bh

(8)

式中：Ed為混凝土縱向動彈性模量，單位MPa；m為試件質(zhì)量，單位kg；f為試件的自振頻率，單位Hz；L、b、h分別為試件的長、寬、高，單位mm。

混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能采用縱向相對動彈性模量Er進(jìn)行評價，Er值計算方法如下式(9)所示：

Er=E1/E2

(9)

式中：E1是試件在(20±2)℃ Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)x天的動彈性模量，單位MPa；E2是試件在(20±2)℃水中養(yǎng)護(hù)同齡期x天的動彈性模量，單位MPa。

3.1.3 混凝土的連通孔隙率

混凝土的連通孔隙率采用“飽水-烘干”法測定[25]，制備10 cm ×10 cm ×2 cm的混凝土薄片，采用排水法測定試件的體積V，測定試件真空飽水后的質(zhì)量m1，將試件在80 ℃的烘箱內(nèi)烘干14 d，測定烘干后的質(zhì)量m2，連通孔隙率P=(m1-m2)/ρV，其中ρ為水的密度。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 抗壓侵蝕系數(shù)K

圖1為(20±2)℃下不同水膠比試件在3%的Na2SO4溶液中抗壓抗蝕系數(shù)隨全浸泡侵蝕時間的變化情況。由圖1可知，混凝土抗壓侵蝕系數(shù)隨著侵蝕齡期呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，在侵蝕30 d后，抗壓侵蝕系數(shù)達(dá)到峰值。在侵蝕210 d之前，抗壓侵蝕系數(shù)A>E>B；在侵蝕240 d之后，抗壓侵蝕系數(shù)E>A>B。在3%的Na2SO4溶液中，高抗硫水泥抗壓侵蝕系數(shù)最低，高抗硫水泥是通過控制C3A的含量，進(jìn)而限制生成鈣礬石的含量來提高混凝土的抗侵蝕性能，可能在較高濃度的Na2SO4溶液中，生成鈣礬石較少，主要生成石膏等膨脹物，因此高抗硫水泥在這種條件下，沒有起到很好的作用。在侵蝕前期配比A抗壓侵蝕系數(shù)較高，在侵蝕后期配比E抗壓侵蝕系數(shù)較高，礦物摻合料主要是通過其微集料效應(yīng)改善混凝土界面過渡區(qū)，從而提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。這說明可能在侵蝕前期，礦物摻合料火山灰反應(yīng)不完全，因此其抗蝕系數(shù)較低，到侵蝕后期，火山灰反應(yīng)較完全，混凝土孔徑細(xì)化，微裂縫數(shù)量明顯減少，而裂縫和孔隙尺寸的減小，使得礦物摻合料的微集料效應(yīng)對混凝土界面過渡區(qū)的改善效果明顯加強(qiáng)，因此配合比E抗蝕系數(shù)高于配合比A。

圖1 不同水膠比混凝土抗蝕系數(shù)隨侵蝕齡期變化曲線:(a) 0.36, (b) 0.32Fig.1 Variation curves of K of the concrete samples with different water cement ratios with erosion of ages:(a) 0.36, (b) 0.32

在侵蝕前期，水膠比對抗壓強(qiáng)度侵蝕系數(shù)影響不是很明顯，在全浸泡侵蝕240 d后，0.32水膠比混凝土抗蝕系數(shù)明顯高于0.36水膠比混凝土。這可能是由于水膠比的降低使混凝土的孔徑明顯細(xì)化，閉合孔增多，減少Na2SO4進(jìn)入混凝土的通道，最終導(dǎo)致低水膠比混凝土抗蝕系數(shù)較高。

綜上所述，從混凝土抗壓侵蝕系數(shù)的變化趨勢來看，20 ℃全浸泡侵蝕條件下，低水膠比、復(fù)摻礦粉和硅灰能有效提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，高抗硫水泥沒有起到明顯的作用。

3.2.2 相對動彈性模量Er

圖2為不同水膠比混凝土試件在3%的Na2SO4溶液中的相對動彈性模量隨全浸泡侵蝕時間的變化情況。由圖2可以看出，混凝土的相對動彈性模量隨著侵蝕齡期的增長呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，在侵蝕30 d時，相對動彈性模量達(dá)到峰值。相對動彈性模量開始時的迅速上升是由于生成物和硫酸鹽結(jié)晶填充了混凝土內(nèi)部部分孔隙和微裂縫，使混凝土更密實；隨后相對動彈性模量值的下降，是由于硫酸鹽結(jié)晶膨脹導(dǎo)致混凝土表層產(chǎn)生新的裂縫，對混凝土造成損傷。全浸泡侵蝕后期，混凝土裂縫的發(fā)展和裂縫的被填充程度決定了相對動彈性模量的下降程度，若混凝土裂縫的發(fā)展與裂縫的填充程度越大，相對動彈性模量下降越快；若混凝土裂縫的發(fā)展與裂縫的填充程度平衡，相對動彈性模量處于平衡階段?；炷料鄬訌椥阅Ａ孔兓^程存在迅速上升、一定程度回落、相對穩(wěn)定、迅速下降4個階段。

圖2 不同水膠比混凝土相對動彈性模量隨侵蝕齡期變化曲線:(a) 0.36, (b) 0.32Fig.2 Variation curves of Er of the concrete samples with different w/c with erosion of ages:(a) 0.36, (b) 0.32

對比圖2a和2b可得，在(20±2)℃、3%Na2SO4全浸泡侵蝕條件下，侵蝕240 d后，兩個水膠比試件最終相對動彈性模量的順序是D>E>C>A>B，而且水膠比0.32的相對動彈性模量較高，說明水膠比的降低，減緩了硫酸鹽全浸泡條件下混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土試件的損傷度降低。侵蝕240 d后，同一個水膠比混凝土復(fù)摻礦粉和硅灰后，相對動彈性模量最高，而且硅灰摻量越大，相對動彈性模量越大，次之是普通硅酸鹽水泥，高抗硫水泥相對動彈性模量最小。這說明(20±2)℃全浸泡條件下，低水膠比混凝土復(fù)摻礦粉和硅灰后其抗硫酸鹽侵蝕性能得到提高。

3.2.3 連通孔隙率

各組混凝土試件在Na2SO4溶液中全浸泡侵蝕240 d后，測出連通孔隙率，如表2和圖3所示。

表2 混凝土試件的連通孔隙率Table 2 Connected porosity of concrete samples

圖3 不同水膠比混凝土連通孔隙率Fig.3 Connected porosity of concrete samples with different water cement ratios

連通孔隙率決定了侵蝕性離子侵入混凝土內(nèi)部的速率，降低混凝土的連通孔隙率對于提高混凝土遭受外界侵蝕性離子腐蝕的能力非常有效[25]。硫酸鹽全浸泡侵蝕240 d后，0.32-A的連通孔隙率為10.30%，0.36-A為11.77%，是0.32-A的1.14倍；0.32-B的連通孔隙率為10.82%，0.36-B為13.26%，是0.32-B的1.23倍；0.32-E的連通孔隙率為7.61%，0.36-E為10.18%，是0.32-E的1.34倍。兩個水膠比的混凝土全浸泡240 d后連通孔隙率E

4 結(jié) 論

(1)在(20±2) ℃、3%Na2SO4侵蝕溶液全浸泡時，0.32水膠比混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能比0.36水膠比混凝土要強(qiáng)，降低水膠比是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐硫酸鹽腐蝕的有效途徑。

(2)在(20±2) ℃、3%Na2SO4侵蝕溶液全浸泡時，混凝土復(fù)摻礦粉和硅灰后抗硫酸鹽侵蝕性能較好，混凝土適當(dāng)摻加礦物摻合料對提高全浸泡侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)耐硫酸鹽腐蝕有顯著效果，可代替抗硫水泥在工程中的應(yīng)用，降低成本。

(3)高抗硫水泥通過限制C3A的含量，進(jìn)而改善混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，不一定在任何環(huán)境下都適用。

(4)根據(jù)測定的混凝土連通孔隙率，從側(cè)面證實了低水膠比混凝土和復(fù)摻礦粉和硅灰混凝土抗壓侵蝕系數(shù)和相對動彈性模量較高，抗硫酸鹽侵蝕性能較好，從而說明低水膠比混凝土復(fù)摻礦粉和硅灰后，可以顯著提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。