长期浸泡下混凝土受硫酸盐侵蚀试验研究

杨 凯

(商丘师范学院建筑与土木工程学院，河南 商丘 467000)

硫酸盐侵蚀是混凝土化学侵蚀中最广泛和最普通的形式，我国具有漫长的海岸线、众多的盐湖以及大面积的沼泽地，这些地区的土壤以及地下水里含有大量的硫酸盐，其浓度超过一定限值时就会对混凝土产生腐蚀作用。尤其在上述地区的污水处理厂、化纤工业、制盐、制皂业等厂房附近的地下水中，由于硫酸盐浓度较高，经常发现混凝土结构物的硫酸盐侵蚀破坏现象，对于暴露在大气环境中的烟囱、散热塔以及埋置于土壤中的排污管道、地下埋管、暗渠等构筑物，在遭受酸雨或处于酸性土壤中以及富含酸性无机物侵蚀环境时，硫酸盐侵蚀问题也比较突出，这越来越引起工程界以及有关方面的广泛关注，因此，研究混凝土在长期浸泡作用下耐硫酸钠溶液腐蚀性能，对这些结构物的耐久性设计具有重要意义。

1 试验概况

试验用材料采用郑州市金龙水泥股份有限公司生产的龙源牌42.5级普通硅酸盐水泥，郑州市巨源混凝土外加剂有限公司生产的JHY－6000型高效减水剂，细集料选用信阳河砂，粗集料由两种级配的石灰岩质碎石混合，粒径为5～10的碎石占40%，粒径为10～20的碎石占60%，试验用材料的各项物理力学性能指标依次列入表1～表4。混凝土的水灰比为 0.57、0.44、0.35、0.28 等四种，分别用S1、S2、S3、S4表示，混凝土配合比见表5。

表1 水泥的物理力学性能

表2 减水剂的减水率及化学组成

表3 河砂的物理性能

表4 碎石的物理性能

表5 混凝土配合比

试验采用100mm×100mm×100mm的标准试件，浇筑成型后标准养护28d，然后放置于硫酸钠溶液中进行长期浸泡侵蚀试验，硫酸钠溶液浓度分别为［］=0(清水中)、800mg/L、6000mg/L、50000mg/L等四种(四种溶液浓度分别用A、B、C、D表示)，为保持硫酸钠溶液浓度的相对稳定，采用塑料薄膜对容器进行密封，并且定期更换溶液，在侵蚀龄期为0、30、90、180、270、360d 时进行试块表观现象观察、质量变化测量及强度测试。

2 试验结果分析

2.1 表观现象分析

经过360d浸泡，A溶液中，试块侵蚀面没有发生明显的表观变化;B溶液中，S1试块的侵蚀面呈白色，见图1，低水灰比S3和S4试块的侵蚀面呈灰色，在收缩形成的细微裂缝处有少量白色聚集物，见图2;C溶液中，试块浸泡270d时，在侵蚀面出现了不太明显的细裂纹，在边角部位出现白色聚集物，见图3，其原因在于边角处的石蜡密封相对比较薄弱，在长期浸泡过程中，硫酸盐交叉多向侵蚀，加速了硫酸根的侵入速度;D溶液中，试块浸泡270d时，在边角部位和侵蚀面的缺陷处均出现了白色聚集物，且易出现于半封闭气泡处，其原因在于半封闭气泡处的表面积较大，便于硫酸根聚集，同时，在侵蚀面的部分区域还出现了绒毛状的白色聚集物，已经连成一片，存在轻微鼓泡和凸起现象，个别试块的边角部位出现脱落现象，见图4。

图1 B溶液中S1侵蚀面

图2 B溶液中S4侵蚀面

图3 C溶液中S2侵蚀面

图4 D溶液中S3侵蚀面

2.2 质量变化分析

经过360d浸泡，各试块在B、C、D溶液中的质量变化趋势大致相同，均呈现先下降、后上升、再下降的趋势。即在30d内下降，30～90d内基本保持不变，90～270d内增加，270～360d内再次下降。其原因在于浸泡30d时，混凝土表面的氢氧化钙等水化产物溶出量大于硫酸根侵入量;30～90d时，混凝土表面的氢氧化钙等水化产物溶出量与硫酸根侵入量大致相等;90～270d时，混凝土表面的氢氧化钙等水化产物溶出量小于硫酸根侵入量;270d后由于侵入的硫酸根与水化产物反应生成膨胀性侵蚀产物，从而引起试块侵蚀面的表层和边角部位出现剥落。图5、图6分别为B、D溶液中的试块质量变化规律。

图5 B溶液试块质量

图6 D溶液试块质量

2.3 强度分析

按照标准GB/T50081—2002进行强度测试。抗压强度试验时，S1、S2试块的侵蚀面出现部分起皮掉渣现象，且多出现于骨料与水泥砂浆的交界面处，如图7所示，右侧为侵蚀面。其原因在于骨料与水泥砂浆交界面处存在较多的空隙，为硫酸根的侵入提供了通道，使硫酸根易于聚集，同时，由于它也是混凝土的薄弱部位，所以容易受硫酸根侵蚀而破坏;S3、S4试块的强度较高，在破坏时侵蚀面大面积脱落或附着于混凝土表面，附着部分用手轻轻可以剥落，如图8所示。

图7 S1抗压破坏图

图8 S4抗压破坏图

2.3.1 抗压强度分析

试验结果表明，S1、S2试块基本上呈现先上升后下降的规律，S3试块呈现先下降、后上升、再下降的规律，S4试块呈现下降的规律。在B、C、D溶液中，试块强度均低于同龄期A溶液中的试块强度;随着水灰比的减小，各测试龄期试块强度与相应基准强度的差值逐渐增大，在C、D溶液中，S3、S4试块强度呈现阶梯型变化，其原因在于低水灰比混凝土较为密实，硫酸根侵入缓慢，侵蚀产物在混凝土表层聚集，当膨胀应力超过混凝土极限应力时，在混凝土内部形成微裂缝，硫酸根继续侵入从而再次引起混凝土强度降低。对比各试块的抗压强度变化规律，低水灰比试块对硫酸钠溶液侵蚀较为敏感。S1、S2试块受侵蚀180d后强度开始降低，而S3、S4在30d或90d时就已经开始降低。其原因在于高水灰比混凝土较不密实，易于硫酸根的侵入，但较大的孔隙率使得侵蚀产物难以迅速聚集填满孔隙，从而延迟了膨胀应力的产生;而低水灰比混凝土虽较密实，但由于收缩形成的微裂缝便于硫酸根侵入及侵蚀产物聚集，从而较早产生膨胀应力，降低强度。图9、图10分别为B、D溶液中试块的抗压强度变化规律。

图9 B溶液中试块抗压强度

图10 D溶液中试块抗压强度

2.3.2 劈裂抗拉强度分析

试验结果表明，各试块均呈现30～180d强度降低且低于相应基准强度，180～360d上升趋势，其原因在于侵蚀初期，硫酸根主要沿混凝土表层孔隙或微裂缝进入混凝土内部引起强度降低;而侵蚀后期，侵蚀产物的生成和聚集阻碍了硫酸根的进一步侵入，使混凝土更加密实，强度得到加强。比较各试块劈裂抗拉强度变化规律，30～180d强度损失率随水灰比的减小而增大，表明在侵蚀初期，低水灰比混凝土劈裂抗拉强度对侵蚀较为敏感，其原因在于低水灰比混凝土密实，由于收缩形成的微裂缝易于硫酸根侵入及侵蚀产物聚集，所以较早产生膨胀应力，而且硫酸根主要是通过混凝土表面的缺陷进入内部从而引起强度损失，所以混凝土越密实，膨胀应力产生的越早，强度损失率也越大。图11、图12分别为B、D溶液中试块的劈裂抗拉强度变化规律。

图11 B溶液中试件劈裂抗拉强度

图12 D溶液中试件劈裂抗拉强度

3 结语

在长期浸泡条件下，受硫酸钠溶液侵蚀的混凝土表面鼓包凸起或出现雪花状白色物质，而且这些物质易于在混凝土表面半封闭孔处聚集。试块质量变化均呈现了先下降、后上升、再下降的总趋势。

混凝土抗压和劈裂抗拉强度离散性均较大，但总体上仍呈现先升后降的趋势，水灰比对抗压强度有一定影响，低水灰比混凝土的强度对硫酸钠溶液侵蚀较为敏感，侵蚀溶液浓度对混凝土劈裂抗拉强度的影响不显著。

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