基于酸雨和碳化耦合作用的混凝土耐蚀性能分析＊*

尹 健，龚胜辉，张贤超，庞绮玲，宋卫民

(中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

高速铁路客运专线双块式或板式无砟轨道结构的混凝土底座板是无砟轨道结构中的重要组成部分，随着我国酸雨污染的日趋加剧，双块式或板式无砟轨道结构的混凝土底座板要经受酸雨和碳化的共同作用，导致该混凝土结构耐久性不足而提前大修。目前，国内外研究较多的是以酸雨和碳化单因素作用下混凝土结构性能劣化的试验研究，得出的结论和评价模型仅在各因素单独作用的条件下适用，对酸雨和碳化双因素耦合作用下混凝土的性能研究开展得还较少［1］，基于此，通过试验分析优选双块式或板式无砟轨道结构的混凝土底座板C40混凝土配合比设计参数，并掺入大量的活性矿物掺合料旨在提高混凝土的性能并作为对比组，探讨其在酸雨和碳化耦合作用下的性能劣化规律，为我国高速铁路客运专线双块式或板式无砟轨道结构的混凝土底座板的性能优化设计及施工技术提供支持。

1 试验

1.1 原材料

水泥(C):42.5级普通硅酸盐水泥，水泥性能指标见表1;细骨料(S):湘江河砂，细度模数2.6，符合Ⅱ区级配要求;粗骨料(G):湘江河卵石，5～26.5 mm连续级配，压碎指标为5.0%;减水剂:WSN－30型缓凝高效减水剂，减水剂22.8%;粉煤灰(FA):黄埔电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，主要物理性能见表2;矿渣(SG):产地山东恒润，主要物理性能见表2;化学试剂:硫酸(浓度95% ～98%)，硝酸(浓度65% ～68%)，硫酸镁，硫酸铵，硫酸钙(均为分析纯 analytically pure AP级，市售);水:自来水。

表1 水泥性能指标Table 1 Cement properties index

表2 粉煤灰及矿渣物理性能Table 2 Fly ash and slag physical properties

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

表4 混凝土耐蚀试验配合比Table 4 Mix proportion of concrete for corrosion resistant test kg/m3

1.2 试验方案

1.2.1 混凝土配合比的确定

综合考察混凝土和易性、均匀性、28 d和56 d抗压强度、28 d和56 d劈裂抗拉强度、56 d抗氯离子渗透能力(6 h库仑电量)等评价指标，优选混凝土配合比参数。固定胶凝材料总用量为370 kg/m3、砂率 44%不变，变化水胶比为 0.35，0.45和0.55，骨料最大粒径≤26.5 mm，由减水剂控制坍落度为140±20 mm，不同掺量(0，40%，50%，60%和70%)FASG复合粉体以优选出的掺量比例(FA:SG=1:4)等量取代水泥配制出C40混凝土，以期获得和易性及均匀性良好、满足C40强度等级要求及抗氯离子渗透能力良好的C40混凝土，试验结果见表3，根据试验结果选取的配合比见表4。

1.2.2 试验方法

混凝土受酸雨侵蚀及碳化作用后，由于其腐蚀机理不同，腐蚀后混凝土表层结构的产物也不同，为了探明酸雨侵蚀及碳化作用先后腐蚀顺序对C40高性能化混凝土性能的影响规律，研究分4种模式，其中酸雨侵蚀采用模拟酸雨喷淋的方式，而碳化作用采用快速碳化方式进行，具体实施方案如下。

S模式:模拟酸雨侵蚀试验，侵蚀制度:1次循环为喷淋16 h+自然放置8 h进行，分别进行20，40，60，80，100 和 120 次循环，以进一步说明单因素对混凝土耐久性能的影响规律。

T 模式:快速碳化试验，分别进行7，14，21，28，35和42 d试验，以进一步说明单因素对混凝土耐久性能的影响。

ST模式:先酸雨侵蚀再快速碳化模式。即:酸雨侵蚀试验20次循环+7 d碳化试验，记为1周期，共进行6个周期;其中酸雨侵蚀试验时1次循环为喷淋16 h+自然放置8 h进行。

TS模式:先快速碳化再酸雨侵蚀模式。即:7 d碳化试验+酸雨侵蚀试验20次循环，记为1周期，共进行6个周期;其中酸雨侵蚀试验时1次循环为喷淋16 h+自然放置8 h进行。

试验每进行1周期，分别测试试件的抗压强度、中性化深度和内部pH值。

2 结果与讨论

2.1 不同侵蚀制度对混凝土抗压强度的影响

从图1试验结果可以看出，各侵蚀模式中，混凝土抗压强度变化呈现相似的规律:C40高性能化混凝土侵蚀后抗压强度均大于初始强度，但其抗压强度曲线皆落在基准混凝土抗压强度曲线下方;C40高性能化混凝土抗压强度变化较基准混凝土更为敏感，在侵蚀前期抗压强度有所提高，在侵蚀6周时除快速碳化的B0试件外其抗压强度均有下降趋势。

图1 各侵蚀制度下混凝土抗压强度及其变化率Fig.1 Compressive strength and the changing rate under different erosion systems

在酸雨和碳化双重侵蚀作用下，不管是ST模式还是TS模式，在试验初期，混凝土试件抗压强度均逐步增长，主要是因为模拟酸雨溶液中的侵蚀离子H+和SO42－与Ca(OH)2作用生成CaSO4·2H2O，此阶段CaSO4·2H2O晶体仅仅起密实填充作用，使混凝土内部孔隙减小，混凝土试件强度有所增长;而碳化同样可使混凝土试块更加密实，提高其抗压强度。随着侵蚀周期的增加，H+和SO42－侵蚀进一步加剧，CO2也进一步消耗 Ca(OH)2，当混凝土试块内部pH值下降到一定程度时，碱性水化产物开始分解、溶出，造成溶蚀破坏，同时生成的CaSO4·2H2O也逐渐增多，干燥时在孔隙中结晶膨胀，产生的膨胀压将对混凝土强度带来不利影响，表现出在侵蚀6周期时混凝土抗压强度下降的趋势。

2.2 不同侵蚀制度对混凝土中性化深度的影响

由图2可知，在试验龄期内，S模式侵蚀制度下，基准混凝土中性化值基本无变化，而其他侵蚀制度条件下，混凝土中性化深度值均随侵蚀龄期的增加而增大，B7混凝土中性化深度曲线均落在B0混凝土中性化深度曲线上方;各侵蚀制度下混凝土试件的中性化深度值大小顺序为S模式＜ST模式＜TS模式＜T模式，侵蚀6周期时对应于上述侵蚀条件下的B0组混凝土中性化深度值为0 mm＜1.86 mm ＜2.20 mm ＜5.08 mm，而B7 混凝土则为1.48 mm ＜6.10 mm ＜9.74 mm ＜13.04 mm。

酸雨和碳化双重侵蚀制度下，即先酸雨后碳化(ST)或者先碳化后酸雨侵蚀(TS)后混凝土试件的中性化深度值一直小于2种因素单独作用下的中性化深度叠加值(S+T)，见图3，表明酸雨侵蚀对混凝土的中性化影响较小，混凝土的中性化问题主要由碳化引起，这与相关文献研究结果一致［2］:当混凝土先碳化时，CO2扩散到混凝土内部与水结合形成碳酸，并与混凝土内部产物Ca(OH)2、水化硅酸钙反应，混凝土中性化发展迅速，酸雨溶液中的侵蚀离子H+侵入混凝土后，进一步与Ca(OH)2发生反应，加速了混凝土中性化，所以先碳化后酸雨侵蚀的混凝土试件中性化深度大;而先酸雨后碳化的试件，Ca(OH)2与酸雨溶液中的SO42－反应生成石膏，干湿交替时结晶膨胀，填充混凝土孔隙通道，碳化时CO2很难扩散进入，且酸雨溶液使混凝土试件内部孔隙湿度增大，对CO2的扩散速度起阻碍作用，所以先酸雨后碳化的混凝土中性化深度较小。可见，由于酸雨侵蚀的参与，混凝土中性化问题减弱，相对于单独碳化作用，酸雨和碳化耦合作用对混凝土中性化起到一定的抑制效果［3］。

图2 各侵蚀制度下混凝土中性化深度变化情况Fig.2 The neutralization depth change of the concrete under different erosion systems

图3 不同混凝土在各侵蚀制度下的中性化深度值的对比Fig.3 The comparison of the neutralization depth under different erosion systems

2.3 不同侵蚀制度下对混凝土内部PH值的变化

混凝土的pH值一般大于12.5，在这种碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀，但当有酸性物质或二氧化碳从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部时，与混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土pH 值的降低［4－5］。混凝土在ST，TS，S 和T 模式下各进行6个周期循环侵蚀试验，其内部pH值试验结果见图4，图中图标表示为距试件表面的深度。

由图4可知，混凝土试件在各侵蚀制度中，其内部pH值随不同深度呈现相似规律，即试件侵蚀后内部pH值中间大，两端小，离试件表面越近，pH值越小，试件中部附近，pH值相差不大;同一深度其pH值随侵蚀周期的增加而逐渐减小。在试验龄期内，混凝土表面一直受到酸雨和碳化侵蚀作用，并随侵蚀龄期增加试件中性化由表及里逐渐加重，Ca(OH)2不断被消耗，导致pH值下降;对于B7混凝土，大量矿物掺合料等量取代水泥，一方面使产物Ca(OH)2直接减少，另一方面矿渣和粉煤灰随着时间的增加发挥其二次活性，均以消耗Ca(OH)2为代价，因此混凝土试件表层pH值随着侵蚀龄期的增加值较基准混凝土的下降值更大;而混凝土试件内部深度20～80 mm范围内，各侵蚀制度下其pH值在整个试验龄期内最小为 11.41，最大为 13.47。［6］

图4 各侵蚀制度下混凝土试件内部pH值变化规律对比图Fig.4 The comparison of the law of the pH value change within specimen under different erosion systems

图5为不同侵蚀周期时分别在距试件表面5 mm处的pH值变化规律，研究结果表明:在试验龄期内，各侵蚀制度下，B7混凝土和B0混凝土试件表层pH值变化呈现相似的规律，即均随侵蚀周期的增加而逐渐降低，且同侵蚀周期时，pH值总是S模式＞ST模式＞TS模式＞T模式，单独酸雨侵蚀(S)的混凝土表层pH值最大，先酸雨后碳化侵蚀(ST)试件大于先碳化后酸雨侵蚀(TS)后的pH值，且均大于单独碳化(T)试件表层的pH值，这与中性化深度试验结果相吻合，中性化深度越大，混凝土试件受侵蚀越严重，内部pH值越小［7－8］。其中，B7混凝土在单独酸雨(S)侵蚀制度下其表层pH值变化平缓，侵蚀6个周期后达到最低值12.49，先酸雨后碳化(ST)和先碳化后酸雨(TS)侵蚀制度在试验前期混凝土试件表层pH相差不大，后期TS模式显著下降，侵蚀6周期后ST模式pH值为 10.09，TS 模式 pH 值为 9.42，而单独碳化(T)侵蚀制度在整个试验龄期内显著下降，侵蚀第1周期混凝土表层pH值为10.91，侵蚀六周期后降为8.91，因此，碳化带来的混凝土中性化问题不容忽视［9］;B0混凝土相对B7混凝土已充分水化，内部结构已达到一定密实程度，更能有效阻止酸液侵蚀离子和二氧化碳的侵入，即使单独碳化(T)侵蚀制度下，侵蚀6周期后混凝土表层pH值仅降到12.27，水泥石各水化产物本身能稳定存在［10］。

图5 各侵蚀制度下混凝土试件表层pH值变化规律Fig.5 The law of the pH value change on the surface of the specimen under different erosion sysems

3 结论

综上所述，酸雨和碳化耦合作用下，高速铁路客运专线双块式或板式无砟轨道结构的混凝土底座板混凝土及掺矿物活性掺合料混凝土B7性能有着如下变化规律:

(1)酸雨和碳化侵蚀后混凝土抗压强度均大于初始强度，B7混凝土抗压强度曲线均落在B0混凝土抗压强度曲线下方;抗压强度变化较BO混凝土更为敏感，在侵蚀前期强度值逐步上升，侵蚀后期则呈下降趋势;

(2)B7混凝土的中性化深度均随龄期增加而增大，且中性化深度曲线均落在B0混凝土中性化深度曲线上方，先酸雨后碳化侵蚀试件(ST)的中性化深度小于先碳化后酸雨侵蚀(TS)后的中性化深度，且均小于单独碳化试件(T)的中性化深度，ST或TS模式侵蚀后混凝土试件的中性化深度值均小于2种因素单独作用下的中性化深度迭加值(S+T)，酸雨侵蚀对混凝土的中性化贡献较小，混凝土的中性化问题主要是由碳化引起的，由于酸雨侵蚀的参与，混凝土中性化问题减弱，相对于单独碳化作用，酸雨和碳化耦合作用对混凝土中性化起到一定的抑制效果;

(3)混凝土侵蚀各龄期试件内部pH值中间大，两端小，离试件表面越近，pH值越小，离试件中部越近，pH值则相差不大，同一深度其pH值随侵蚀周期的增加而逐渐减小。

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