西北地区侵蚀环境对混凝土耐久性的影响

吴声宏（新疆生产建设兵团建筑工程科学技术研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐830054）

2009年11月，作为基础设施的世界最长的高铁—兰新铁路正式开工。甘肃、新疆地处内陆地区，长期以来受到自然地理环境影响，地表广泛分布着盐渍土，使混凝土构筑物不同程度上受到氯盐和化学侵蚀，这些侵蚀的发生严重的影响混凝土构筑物的使用寿命，也就是说降低了混凝土构筑物的耐久性。有效的保护和延长混凝土构筑物的使用寿命，提高混凝土抵抗环境侵蚀能力已成为一个新课题。

1 侵蚀的种类

1.1 化学侵蚀环境

化学侵蚀主要是硫酸盐侵蚀、盐类结晶侵蚀、酸性侵蚀、二氧化碳侵蚀、镁盐侵蚀。新疆的化学侵蚀主要是在盐渍土壤环境中存在大量的Ca2+、Mg2+、SO42-等离子形成碱式盐。主要的侵蚀物是硫酸盐对混凝土的破坏，硫酸盐对硬化水泥的腐蚀属于膨胀性腐蚀，在侵蚀过程的初始阶段，由于硫酸盐在混凝土空隙中逐渐形成积聚，从而使混凝土的相对密度和强度有所增加，当混凝土中的孔隙和毛细孔中的结晶体继续增长而明显膨胀的时候，如石膏（2H2o.CaSO4）的结晶,特别是含有32个结晶水的水化硫铝酸钙生成时体积迅速膨胀，随时间的增长在混凝土中的孔隙形成膨胀破坏，混凝土构造物的强度随之迅速下降，就是俗称的“盐胀破坏”。 如奎屯河电站老龙口附近的一座盖板涵（已废弃），始建于上世纪70年代中期，周围环境水中SO42-含量高达6800mg/L，受环境介质的影响，侵蚀程度严重，其中侵蚀最严重的地方是自地面起向上380mm的“吸附区”，涵洞混凝土表面水泥砂浆严重剥蚀，粗骨料外露。周边预制混凝土涵管同样侵蚀程度严重，侵蚀剥离深度深及保护层，部分吸附区保护层已不见，钢筋明显外露锈蚀严重。其次受腐蚀严重的是“土壤区”，涵洞进出口混凝土能够明显可见粗骨料周围的白色盐类结晶体，涵洞管节有大量顺筋裂缝，受腐蚀相对较轻的是“大气区”，混凝土表面未见有剥落现象。侵蚀破坏过程就是一个典型的盐胀破坏，混凝土构造物与含硫酸盐的土壤接触，通过毛细作用，地下水携溶液沿毛细管上升至混凝土迎风面，水分蒸发，溶液达到饱和在毛细管中结晶析出，一方面溶液浓度变大，达到饱和加速化学侵蚀反应；另一方面，因结晶盐析出产生结晶压力，特别是某些含结晶水较多的盐类，由于环境温度变化溶解度也随之改变，由溶液向晶体变化过程中体积显著增大，而产生巨大的膨胀力量，在物理与化学双重作用下加速了混凝土构筑物的破坏。

表1 化学侵蚀环境作用等级的划分

1.2 氯盐环境的侵蚀

试验表明：当混凝土中的CaO含量损失30%时混凝土的强度将丧失，混凝土结构也就被破坏。混凝土保持稳定的碱性环境使得钢筋表面形成一层钝化膜，这层致密的钝化膜有效地保护了钢筋免受腐蚀。CL-是极强的去钝化剂，当CL-进入混凝土中并达到钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，使该处的PH值迅速降低。当PH值＜11.5时，钝化膜就开始不稳定，当PH值＜9.88时，钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐被破坏。CL-的局部酸化作用，可使钢筋表面PH值降低到4以下（酸性），于是该处的钝化膜就被破坏了，使钢筋暴露于腐蚀环境中。若严重的腐蚀现象发展到整个构件之后，混凝土就会出现顺筋开裂保护层剥落的破坏现象。

2 侵蚀的防护

2.1 构造措施

1）混凝土结构的构造应有利于减轻环境对结构的作用，有利于避免水、水汽和有害物质在混凝土表面的积聚，便于施工时混凝土的捣固和养护。

2）混凝土结构表面应设置可靠的防、排水等构造措施，必要时可采用换填土、降低地下水位及设防护层等工程措施，防止水和有害物质接触混凝土表面。结构的各种接缝应尽量避开最不利环境作用的部位。

3）对于侵蚀环境较严重的混凝土结构部位，应考虑暴露面上混凝土的可能剥蚀对构建（特别是薄壁构件）承载力的损害，设计时应适当增加混凝土的厚度。

4）钢筋混凝土保护层厚度应满足国家现行各行业有关标准规定。

5）桥梁端部应采取有效的构造措施防止污水回流污染支座和梁端表面。封锚混凝土应采用水泥基聚合物混凝土，混凝土的水胶比应不大于本体混凝土的相应值，并采取可靠的防护措施，以防止环境水和其它有害介质渗入接缝。

2.2 原材料的选择

1）水泥

试验证明：早强水泥在混凝土成型后14天后强度几乎不再增长，后期强度还有可能倒缩。其中水泥中的C3A在3天的水化热是C3S的3.7倍，C2S的17.7倍；C3A在3天的收缩率是C3S和C2S的3倍，而环境中化学侵蚀介质对混凝土的侵蚀对象主要是C3A和硅酸盐矿物水化物中的Ca(OH)2。为控制碱-骨料反应，应采用低碱水泥，既水泥中的碱含量不应超过0.6%。根据侵蚀的类别及侵蚀程度，若侵蚀环境为硫酸盐化学侵蚀环境，可用抗硫酸盐水泥。

2）骨料

对混凝土强度及耐久性而言，骨料本身质量的好坏起着决定性的作用。骨料除自身强度外还有含泥量、粒形、级配等因素。吸水率大的骨料拌制的混凝土会有较大的收缩，影响混凝土的抗裂性。与卵石相比，碎石、碎卵石混凝土的骨料与浆体的界面结合得较好，抗裂性也就好。试验表明，粗骨料最大粒径较小时混凝土的抗渗性也相应提高。

⑴细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂，也可选用专门机组生产的人工砂，不得使用海砂。细骨料的碱活性应采用砂浆棒法进行检验，且细骨料的砂浆棒膨胀率应小于0.10%，否则应按要求采取抑制碱—骨料反应的技术措施。

⑵粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石或碎卵石，最大公称粒径不宜超过钢筋的混凝土保护层厚度的2/3，在严重侵蚀环境下不宜超过钢筋的混凝土保护层厚度的1/2，且不得超过钢筋最小间距的3/4。同时配制混凝土时应采用二级或多级级配，其松散堆积密度应大于1500kg/m3，紧密空隙率应小于40%。其碱活性检验应首先用岩相法检验，若含有碱—硅酸盐反应活性矿物，那么砂浆棒膨胀率应小于0.10%，否则应按要求采取抑制碱—骨料反应的技术措施，不得使用具有碱—碳酸盐反应活性的骨料。

3）掺合料

粉煤灰、矿渣微粉、硅粉作为胶凝材料掺入，不仅提高了混凝土的密实性和抗裂性，减少了混凝土的孔隙率，有效阻止了氯离子、硫酸根离子等有害物质侵入混凝土内部。需水量低的矿物掺合料如：粉煤灰能改善混凝土工作性能、降低水化热作用，有效地减少了温度裂缝。掺用大量的矿物掺和料，减小了混凝土中的总碱含量，对抑制混凝土碱-骨料反应和抵抗硫酸盐侵蚀有着明显的作用。

硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥不宜单独作为胶凝材料，用来配制暴露于环境PH 值小于5.5有氯盐侵蚀环境的混凝土，应该考虑大量掺用矿物掺和料。试验显示：对于氯盐侵蚀环境在L3环境下，单掺粉煤灰掺量不宜小于30%，单掺矿渣微粉的掺量不宜小于50%，且双参效果更佳，如粉煤灰加硅粉或粉煤灰加矿渣微粉。

4）外加剂

由于聚羧酸减水剂碱含量、CL-含量较小，减水效果较好，又可根据混凝土所处部位适当调整外加剂中的引起成分，是一种减水、引气效果较佳的复合型外加剂。聚羧酸减水剂含有一定的引气成份，能在混凝土中产生大量的有效密闭微小气泡，均布于混凝土中，有效阻断了混凝土中连通的毛细通路，降低了毛细水的渗透作用，并起到吸收缓冲因内部化学侵蚀及冻融引起的膨胀压力作用，显示出了优异的抗侵蚀性能，但同时也会影响到混凝土抗压强度，试验表明：含气量每增加1%抗压强度损失3%~5%，但是抗折强度却有所提高。混凝土含气量为4%~5%时的折压比，比没有掺聚羧酸减水剂的普通混凝土提高约10%~20%。折压比反映了混凝土的韧性，同时也能反映出混凝土的耐久性。

聚羧酸减水剂有效的降低了混凝土拌和用水量，减小了水胶比，也就是减少了混凝土中未参加水化的自由水的数量，相应的就减少了自由水留在混凝土中的孔隙数量，同时也提高了混凝土的强度，弥补了因引气作用而带来的强度损失。由此可见聚羧酸减水剂在混凝土工程中使用将会大大提高混凝土的抗侵蚀能力，提高混凝土的耐久性。

3 结语

随着对混凝土耐久性要求的提高，强度已不仅仅是判定混凝土合格与否的唯一性指标，如何提高混凝土的耐久性，提高混凝土抵抗环境侵蚀能力已成为一个新课题，而环境侵蚀是一个多方面作用的结果，因此抵抗环境侵蚀也是一个系统的工程，应该从设计、原材料、配合比及施工工艺各方面入手才能有效地抵抗环境侵蚀，提高混凝土的耐久性。

[1]混凝土结构耐久性设计与施工指南

[2]铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定