硫酸鹽侵蝕下橋梁混凝土材料性能腐蝕研究

摘要：為探究硫酸鹽腐蝕混凝土機(jī)理，提高混凝土材料對硫酸鹽腐蝕的抵抗力，通過混凝土試塊浸泡硫酸鹽溶液試驗(yàn)，對硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用進(jìn)行研究，分析了不同離子濃度和浸泡時(shí)間對侵蝕結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：混凝土試塊最大蝕坑直徑以及蝕坑深度，均在30d有較大變化，說明腐蝕時(shí)間的影響較濃度對蝕坑直徑和深度影響更大。前期反應(yīng)逐漸破壞混凝土表面保護(hù)層，增大了反應(yīng)接觸面積，混凝土鈣離子與硫酸根離子反應(yīng)速率在15～30d達(dá)到最高值，混凝土試塊質(zhì)量變化率下降最快。離子反應(yīng)向四周擴(kuò)散的速率更大，縱向發(fā)展較為緩慢。經(jīng)過長時(shí)間腐蝕后，混凝土材料中的鈣離子與硫酸根離子的反應(yīng)不局限在表面，深入材料內(nèi)部，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽侵蝕混凝土；橋梁耐久性；浸泡試驗(yàn)；侵蝕作用

0 引言

混凝土建筑使用壽命受環(huán)境直接影響，尤其是硫酸鹽，相較于其他腐蝕離子，對混凝土材料的破壞力更為強(qiáng)大。硫酸鹽廣泛存在于土壤、地下水和工業(yè)廢水中，因此研究硫酸根離子對混凝土材料的腐蝕機(jī)理，對保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)減少腐蝕，延長使用壽命具有重要意義[1-3]。為進(jìn)一步探討其腐蝕機(jī)理，本文通過混凝土試塊浸泡硫酸鹽溶液試驗(yàn)，對硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用進(jìn)行研究，以提高混凝土材料耐久性和服役壽命提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土試塊采用C30混凝土澆筑，水灰比為0.4。本文試塊浸泡試驗(yàn)即將相同的試塊分組，浸泡在不同離子濃度的硫酸鹽溶液中。浸泡時(shí)間達(dá)到后，將不同分組的試塊取出，測量質(zhì)量變化，腐蝕深度，抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的變化，探究其變化趨勢，分析不同腐蝕濃度和腐蝕時(shí)間對混凝土試塊的具體影響。試塊制作過程如圖1所示。

按照以上流程，澆筑模塊，將其養(yǎng)護(hù)成型，得到混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊。將混凝土試塊進(jìn)行分組、編號。按照實(shí)驗(yàn)計(jì)算，將對照實(shí)驗(yàn)共分為12組。其中，硫酸鹽溶液濃度設(shè)計(jì)分別為4%，8%和12%，浸泡時(shí)間分別為7d、15d和30d。待浸泡完成后，將試塊取出，分別測量質(zhì)量、表面腐蝕情況、抗壓強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為探究不同硫鹽離子濃度和不同腐蝕時(shí)間，對混凝土材料腐蝕的具體影響，本文按照不同浸泡時(shí)間、溶液離子濃度對試塊進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。待達(dá)到計(jì)劃天數(shù)，即浸泡試驗(yàn)完成后，將不同實(shí)驗(yàn)組不同批次的浸泡后的試塊取出后烘干，分別測量各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)，包括質(zhì)量變化、表觀變化以及抗壓強(qiáng)度變化。

2.1 質(zhì)量變化狀況

2.1.1 質(zhì)量變化率計(jì)算

為測量試塊質(zhì)量變化，將各實(shí)驗(yàn)組的試塊取出后烘干，分別測量其質(zhì)量，與浸泡前的質(zhì)量對比，計(jì)算質(zhì)量的變化率，取其每組的平均值為其最終結(jié)果，質(zhì)量變化率計(jì)算公式如下所示[4-5]：

ζ=（m'-m0）/m0×100% （1）

式中：ζ為試塊質(zhì)量變化率，m'為測量質(zhì)量，m0為浸泡前原始質(zhì)量。為便于比較，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)組的質(zhì)量變化率匯總。

2.1.2 質(zhì)量變化機(jī)理分析

硫酸鹽與混凝土材料反應(yīng)，將生成硫酸鈣等化合物?；袭a(chǎn)物會附著在混凝土材料表面，將導(dǎo)致混凝土試塊質(zhì)量增加總體，因此試塊質(zhì)量增加速率體現(xiàn)了化合反應(yīng)進(jìn)行的程度?；戏磻?yīng)發(fā)生后，一方面由于混凝土材料發(fā)生反應(yīng)，將導(dǎo)致試塊邊緣孔隙增大。另一方面，其附著在混凝土表面，將對混凝土內(nèi)部材料起到屏障作用，減少其與硫酸鹽接觸，從而降低反應(yīng)速率。

2.1.3 質(zhì)量變化規(guī)律分析

試塊質(zhì)量變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可以看出，就試塊質(zhì)量變化而言，腐蝕7d的混凝土試塊組中，質(zhì)量變化率為0～0.15%。腐蝕15d的實(shí)驗(yàn)組，質(zhì)量變化率為0～0.25%。而腐蝕30d的實(shí)驗(yàn)組，質(zhì)量變化率為0～0.58%。

由此說明，相較于腐蝕時(shí)間，離子濃度對質(zhì)量變化率的影響更大。離子濃度越大，溶液中更多離子與混凝土表面材料發(fā)生中和反應(yīng)，生成鈣離子化合物，沉淀至溶液中，即離子濃度較時(shí)間提高反應(yīng)速率與反應(yīng)程度更明顯。

2.2 表觀變化狀況

2.2.1 表面腐蝕狀況

通過對各個(gè)實(shí)驗(yàn)組的試塊進(jìn)行表觀分析，將各個(gè)試塊表面清理干凈，進(jìn)行觀察。為觀察混凝土試塊表觀變化情況，尤其是試塊表面缺損情況，包括蝕坑數(shù)量，蝕坑最大寬度、深度等，本文借助電鏡對不同實(shí)驗(yàn)組的試塊進(jìn)行觀察，取腐蝕30d的試塊的表面腐蝕圖。腐蝕30d的表面腐蝕狀況如圖3所示。

2.2.2 變化趨勢分析

由圖3可見，腐蝕30d的混凝土試塊變化趨勢如下：在無硫酸鹽的溶液浸泡后，混凝土試塊表面無明顯損壞，整體完整，無明顯脫落。在硫酸鹽溶液濃度為4%的環(huán)境下，由于濃度不高，腐蝕性較差，試塊表面出現(xiàn)些許脫落，有細(xì)微裂縫產(chǎn)生。在硫酸鹽溶液濃度8%下，試塊會產(chǎn)生較多孔洞。由于孔洞增加腐蝕離子接觸面積，不斷發(fā)展，最大直徑達(dá)5mm，最大深度約為1mm。在硫酸鹽溶液濃度12%的腐蝕下，混凝土試塊表面腐蝕嚴(yán)重，有大面積孔洞出現(xiàn)，最大直徑達(dá)3cm，最大深度約0.5cm。無論是最大蝕坑直徑亦或是最大蝕坑深度，均在30d有較大變化，說明腐蝕時(shí)間的影響較濃度對蝕坑直徑和深度影響更大。

2.3 其他參數(shù)狀況

2.3.1 抗壓強(qiáng)度變化率計(jì)算

除表觀分析外，本文就抗壓強(qiáng)度對浸泡后的試塊進(jìn)行力學(xué)分析。為分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度，本文通過萬能試驗(yàn)機(jī)，對不同分組的混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，測量結(jié)果用以計(jì)算抗壓強(qiáng)度變化值，抗壓強(qiáng)度變化率計(jì)算方法如下[6]：

K=（K'-K0）/K0×100% （2）

式中：K為抗壓強(qiáng)度變化率，K'為浸泡后試塊的抗壓強(qiáng)度，K0為標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度變化率分析

將各分組的計(jì)算結(jié)果繪制圖形，如圖4所示。由圖4可見，腐蝕30d的試塊抗壓強(qiáng)度下降速率明顯高于其他兩組實(shí)驗(yàn)。腐蝕7d的實(shí)驗(yàn)組，抗壓強(qiáng)度變化最大為2倍。腐蝕15d后，抗壓強(qiáng)度變化率變化為4倍。而腐蝕30d后，抗壓強(qiáng)度變化率達(dá)到12倍。另外，在相同離子濃度下，每組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異仍較大，說明腐蝕時(shí)間對于混凝土試塊抗壓強(qiáng)度變化的影響率更大。

2.3.3 腐蝕后試塊主要參數(shù)分析

將腐蝕后試塊主要參數(shù)匯總于表1。綜合分析表1可知，混凝土試塊質(zhì)量變化率下降最快的時(shí)間在15～30d內(nèi)，說明在這段時(shí)間內(nèi)，混凝土鈣離子與硫酸根離子反應(yīng)速率達(dá)到最高值。分析認(rèn)為，這是由于前期反應(yīng)逐漸破壞混凝土表面保護(hù)層，增大了反應(yīng)接觸面積。

相較于離子濃度，混凝土表面蝕坑最大直徑受反應(yīng)時(shí)間影響更大，而蝕坑深度變化較小。離子反應(yīng)向四周擴(kuò)散的速率更大，縱向發(fā)展較為緩慢?？箟簭?qiáng)度受腐蝕時(shí)間影響更大。經(jīng)過長時(shí)間腐蝕后，混凝土材料中的鈣離子與硫酸根離子的反應(yīng)不局限在表面，深入材料內(nèi)部，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降。

3 結(jié)束語

為探究硫酸鹽腐蝕混凝土機(jī)理，提高混凝土材料對硫酸鹽腐蝕的抵抗力，本文通過混凝土試塊浸泡硫酸鹽溶液試驗(yàn)，對硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用進(jìn)行研究，分析了不同離子濃度和浸泡時(shí)間對侵蝕結(jié)果的影響，得到以下結(jié)論：

混凝土試塊最大蝕坑直徑以及蝕坑深度，均在30d有較大變化，說明腐蝕時(shí)間的影響較濃度對蝕坑直徑和深度影響更大。

前期反應(yīng)逐漸破壞混凝土表面保護(hù)層，增大了反應(yīng)接觸面積，混凝土鈣離子與硫酸根離子反應(yīng)速率在15～30d達(dá)到最高值，混凝土試塊質(zhì)量變化率下降最快。

離子反應(yīng)向四周擴(kuò)散的速率更大，縱向發(fā)展較為緩慢。經(jīng)過長時(shí)間腐蝕后，混凝土材料中的鈣離子與硫酸根離子的反應(yīng)不局限在表面，深入材料內(nèi)部，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊江朋.摻加碳納米纖維提高橋梁混凝土抗凍防腐性能的研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（4）：108-110.

[2] 李慶濤，張?jiān)骑w，王霄，等.受硫酸鹽侵蝕混凝土性能的改善研究[J].混凝土，2016（1）：34-37+42.

[3] 曹健，王元豐.硫酸鹽侵蝕混凝土軸心受壓構(gòu)件徐變分析[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（4）：459-464+477.

[4] 潘慧敏，王樹偉，趙慶新.早期受擾混凝土受硫酸鹽侵蝕后的受荷損傷模型[J].中國鐵道科學(xué)，2018， 39（1）：23-30.

[5] 仵江濤，何銳，王笑風(fēng)，等. 硫酸鹽侵蝕混凝土內(nèi)外影響因素及影響機(jī)理研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2019， 38（1）：110-117.

[6] 王家濱，牛荻濤，馬蕊.硫酸鹽侵蝕噴射混凝土損傷層及微觀結(jié)構(gòu)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（10）：105-112.