强碱溶液环境下混凝土力学性能试验研究

范向前，朱海堂，胡少伟，张启明

(1.河海大学 力学与材料学院，江苏南京210024;2.郑州大学水利与环境学院，河南 郑州450001;3.南京水利科学研究院，江苏南京210029)

碱性环境对混凝土具有一定的保护作用，但是，对于氧化铝厂混凝土建筑物、碱回收站车间地面等一些特殊环境，混凝土长期与强碱性溶液或者强碱性蒸汽接触，其破坏程度依然相当严重［1－2］.迄今为止，提高强碱环境下混凝土耐久性的试验研究成果极为少见［2－4］.随着高效混凝土外加剂技术的快速发展，耐碱剂应运而生，为混凝土的抗碱腐蚀提供了有利条件，但耐碱剂对混凝土抗碱腐蚀能力的改善研究还远滞后于工程应用.笔者在进行耐碱剂对混凝土力学性能影响研究［5］的基础上，研究强碱环境下耐碱剂对普通混凝土和钢纤维混凝土抗压、抗折强度的影响，分析耐碱剂对强碱腐蚀的抵抗机理，为耐碱混凝土在强碱环境中的应用提供依据.

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥:强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥;粗骨料:粒径为5～10 mm的碎石，级配合格;细骨料:细度模数为2.52的河砂，级配合格;钢纤维:采用冷轧带钢剪切型钢纤维，纤维长度为14 mm，长径比为49.6;添加剂:微硅高效水泥砂浆和混凝土耐碱剂，其主要成分由多种有机和无机材料复合而成，主要为CaO/SiO2/Al2O3复合矿粉，少量的活性二氧化硅粉和含沸石粉等.

1.2 碱性腐蚀溶液的配制

根据溶液pH值的计算公式，取1 kg NaOH并将其溶解于25 kg生活饮用水中，即可配制出试验所需要的pH=14的强碱溶液.

1.3 试件设计与制作

共设计4组试件，每组3个，混凝土强度为35 MPa.混凝土配合比见表1.表1中试件编号的含义为:C35表示普通混凝土，FC35I表示纤维体积分数为1.0%的钢纤维混凝土，C35A表示普通混凝土中添加耐碱剂，FC35AI表示钢纤维混凝土中添加耐碱剂.其中耐碱剂掺量为水泥用量的7%.

为便于进行快速腐蚀试验，参考文献［6］的方法，采用尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件，并按照表1所示的设计配合比进行人工浇筑成型，置于室温环境下的清水中养护28 d.其后，将试件分别浸泡于清水中(作为对比组)和强碱溶液中(pH=14).到达设定的试验龄期时取出试件进行 抗折强度和折后抗压强度测试.

2 试验结果与分析

2.1 主要试验结果

以1个月为1个腐蚀龄期，共设计6个龄期，总腐蚀期为6个月.每个龄期结束次日，测试强碱溶液和对比组溶液中试件的混凝土抗折强度和折后抗压强度.抗折强度按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009)［7］进行测试与计算，对于每组试件，结果取不偏离均值15%的3个试件的平均值;折断后，按照《聚合物改性水泥砂浆试验规程》(DL/T 5126—2001)［8］中的试验方法测试折断后试件的抗压强度，每个试件测试2个抗压强度值，并参考该规范，去掉6个数据中偏离平均值最远的2个数值，将剩余4个数据求平均值，作为该组试件最终试验结果，具体结果见表2.

考虑到试验龄期内，试件混凝土的抗压强度值和抗折强度值均会随着时间的延长逐渐增加［9］.为了消除试验过程中这一增量对试验分析结果的影响，在强碱溶液下进行腐蚀试验的同时，以清水环境作为对比组进行同龄期试验，并将各试验龄期下强碱溶液腐蚀环境混凝土抗压强度和抗折强度测定值除以同龄期下对比组试件混凝土的抗压强度和抗折强度值，即以抗压强度腐蚀系数和抗折强度腐蚀系数的形式表述强碱溶液对混凝土的腐蚀劣化作用，具体计算结果列于表2.

表2 主要试验结果

2.2 强度分析

2.2.1 抗压强度

图1给出了强碱溶液腐蚀环境下不同配合比试件在各试验龄期抗压强度的变化情况.由图1可知，对于普通混凝土C35和C35A，前4个腐蚀龄期内，添加耐碱剂混凝土的抗压强度值并没有明显提高，相反，C35A的抗压强度值还有低于C35的情况，而第4个龄期之后，掺入耐碱剂试件C35A的混凝土抗压强度则大于普通混凝土试件C35的抗压强度;强碱腐蚀环境下，C35A抗压强度值随着腐蚀龄期的增加而降低的速率小于普通混凝土试件C35，耐碱剂的加入可以减缓强碱溶液对混凝土的腐蚀程度;对于FC35I和FC35AI而言，在各腐蚀龄期内，掺加耐碱剂钢纤维混凝土试件FC35AI的抗压强度均大于普通钢纤维混凝土试件FC35I，表明在强碱溶液环境下，钢纤维可在一定程度上提高混凝土的抗压强度.

图1 试件的抗压强度

比较试件 C35A和 FC35I的试验结果可知，C35A和FC35I在各腐蚀龄期的抗压强度值基本相同，在腐蚀龄期的最后阶段，C35A抗压强度值大于FC35I.可以推测，强碱腐蚀环境下，添加水泥用量7%的抗碱剂的普通混凝土优于钢纤维体积分数为1%的钢纤维混凝土.

综合以上分析可以得出，在强碱溶液腐蚀环境下，试验所设计的4种配合比的混凝土，其抗压强度均随试验龄期呈现出不同程度的降低趋势.在其他条件基本一致的情况下，耐碱剂的添加可以提高普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度，且添加耐碱剂的普通混凝土抗压强度优于钢纤维混凝土，同时掺加耐碱剂和钢纤维的混凝土抵抗强碱溶液腐蚀的能力最强.另外，耐碱剂的添加可以减缓强碱溶液腐蚀环境下混凝土抗压强度的降低速率.

2.2.2 抗折强度

图2给出了强碱溶液侵蚀环境下不同配合比试件在各试验龄期抗折强度的变化情况.由图2可知，随着腐蚀龄期的增加，4种设计配合比的混凝土抗折强度均呈现出不同程度的增长趋势，且仅有同时掺加钢纤维和耐碱剂的FC35AI试件的抗折强度呈直线增长趋势，其他3种配合比混凝土的抗折强度均呈曲折增长.

图2 试件的抗折强度

对比耐碱剂添加前后的普通混凝土C35和C35A，在前2个腐蚀龄期内，耐碱剂的添加可以优化混凝土的抗折强度值;第3～6个腐蚀龄期内，C35A的抗折强度值小于C35的抗折强度值.就整个腐蚀龄期来看，耐碱剂的加入可以减小混凝土抗折强度值的波动，有利于保证混凝土抗折强度值的稳定.

对比添加耐碱剂的普通混凝土C35A和掺入钢纤维体积分数为1.0%的钢纤维混凝土FC35I，可以看出，C35A与FC35I的抗折强度均随试验龄期的增加呈现出微弱增加的趋势.经历2～5个龄期的强碱溶液腐蚀后，C35A的抗折强度低于FC35I，但其差值逐渐趋于减小，至第6个腐蚀龄期时，C35A与FC35I的抗折强度基本一致.

对比FC35I和FC35AI，可以明显看出，在钢纤维混凝土中加入耐碱剂之后，对处于强碱溶液腐蚀条件下的钢纤维混凝土抗折性能有显著改善，在整个试验周期，其抗折强度几乎仍呈线性增长.

通过对4种配合比的混凝土试件经历强碱溶液环境腐蚀后的抗压强度和抗折强度分析可知，在试验龄期范围内，抗碱剂的加入对普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度和抗折强度均有所提高，含有耐碱剂的普通混凝土抗压、抗折强度值稍高于钢纤维混凝土，而含有抗碱剂的钢纤维混凝土抗压、抗折强度值在整个试验龄期内均基本处于较大值，从而使得含耐碱剂的钢纤维混凝土具有较强的抵抗强碱腐蚀的能力.

2.3 强度腐蚀系数分析

抗压强度和抗折强度绝对值的变化虽能直观地反映出试件遭受强碱溶液腐蚀的变化情况，但在长达6个月的试验龄期内，试件充分水化强度逐渐增加这一因素不能消除，可能会给试验的分析结果造成一定的误差.在此，通过试件抗压强度腐蚀系数和抗折强度腐蚀系数进行试验结果分析，以消除试件强度随龄期增加这一不利因素的影响.

2.3.1 抗压强度腐蚀系数

图3给出了强碱溶液腐蚀环境下不同配合比试件在各试验龄期抗压强度腐蚀系数的变化情况.由图3可知，C35和C35A，FC35I和FC35AI初始抗压强度腐蚀系数基本一致，添加耐碱剂的试件C35A和FC35AI的抗压强度腐蚀系数低于不添加耐碱剂的试件C35和FC35I的抗压强度腐蚀系数;最终，C35和FC35I的抗压强度腐蚀系数由增大到逐渐变小，而C35A和FC35AI的抗压强度腐蚀系数则先变小后变大.

图3 试件的抗压强度腐蚀系数

由对4种配合比混凝土的抗压强度试验结果的分析和图3可知，在整个试验龄期内，C35和FC35I的抗压强度腐蚀系数变化均较小，第3个试验龄期之前，C35和FC35I的抗压强度腐蚀系数呈现出增加趋势，说明强碱溶液对普通混凝土C35和钢纤维混凝土FC35I不仅没有腐蚀作用，相反对其还有较好的保护作用，从而使强碱溶液环境下的混凝土抗压强度值大于清水环境;在第3个试验龄期之后，C35和FC35I的抗压强度腐蚀系数开始逐渐减小，甚至多次出现小于1的情况，表明在试验后期强碱溶液对混凝土的保护作用开始减弱，最终对其产生了腐蚀作用.

对比耐碱剂添加前后的钢纤维混凝土FC35I和FC35AI两种构件，在整个试验龄期内，混凝土抗压强度腐蚀系数变化趋势基本一致，且FC35AI的抗压强度腐蚀系数略大于FC35I.在试验初期，FC35I和FC35AI的抗压强度腐蚀系数逐渐增大，随后逐渐减小，甚至低于同条件下不添加耐碱剂的试件，最终几个龄期内又逐渐增大而超过不添加耐碱剂的情况.该变化趋势表明，在强碱溶液环境作用下，耐碱剂耐碱效应的发挥有一个过程.在试验初期，耐碱剂尚未能发挥其效应，而碱溶液对混凝土的抗压强度有一定的增强效应;但随着试验龄期的逐渐延长，强碱溶液对混凝土的增强作用逐步减小，甚至开始对其产生腐蚀劣化的时候，耐碱剂也逐渐发挥其作用，从而使得混凝土掺加耐碱剂之后，抗压强度腐蚀系数逐步增加.

2.3.2 抗折强度腐蚀系数

图4给出了强碱溶液腐蚀环境下不同配合比试件在各试验龄期抗折强度腐蚀系数的变化情况.由图4可以看出，C35和C35A在整个试验龄期内的抗折强度腐蚀系数基本一致，且多数都大于1，但变化趋势稍有区别:试验前期，两者均增加，之后不添加耐碱剂的普通混凝土试件C35一直增加，直到第4个试验龄期开始降低，而添加耐碱剂的普通混凝土试件C35A则先降低后增加，并最终超过了C35.这一规律同C35和C35A的抗压强度腐蚀系数变化规律基本一致.

图4 试件的抗折强度腐蚀系数

对比各试件抗折强度腐蚀系数结果还可以看出，添加耐碱剂的普通混凝土试件C35A和不添加耐碱剂的钢纤维混凝土试件FC35I，其抗折强度腐蚀系数较为接近.FC35I在最初的几个试验龄期内，其抗折强度腐蚀系数与C35A和FC35AI的抗折强度腐蚀系数相当，随后FC35I的抗折强度腐蚀系数开始变大，最终又小于C35A和FC35AI的抗折强度腐蚀系数，且C35A，FC35I和FC35AI的抗折强度腐蚀系数多大于1.这一现象和抗压强度腐蚀系数的变化规律基本一致.从而进一步表明，强碱溶液对混凝土试件有一定的增强作用，但其增强效果随着试验龄期的延长逐渐变弱，最终开始对其产生腐蚀;耐碱剂的掺加对强碱溶液环境中的混凝土强度具有一定影响，甚至减弱其抗压和抗折强度，但当碱溶液对混凝土的增强作用变小甚至出现负效应时，耐碱剂开始发挥其功效，从而有效提高混凝土抵抗强碱溶液腐蚀的能力.

3 耐碱剂的工作机理

强碱溶液对混凝土的腐蚀主要包括物理作用和化学作用两个方面［10］:物理腐蚀是指碱性介质通过混凝土表面孔隙，渗到混凝土表层，并与空气中的CO2，H2O 反应生成 Na2CO3·10H2O，反应后体积相比反应前增加2.5倍，造成内部膨胀，产生很大内应力，从而破坏混凝土结构;化学腐蚀则是指水泥水化物 CaO·SiO2·nH2O，CaO·mAl2O3·xH2O 与强碱溶液中的NaOH反应，生成极易为碱性介质所溶解的化合物Na2SiO3，NaAlO2，这些反应破坏了水泥石结构，并导致混凝土解体.事实上，强碱溶液对混凝土的腐蚀，并不是单一的物理腐蚀或者化学腐蚀，而是这两种腐蚀同时进行.

耐碱剂掺入水泥砂浆或混凝土中，可以使其达到大流态、高密实、高抗渗、高耐久性，其耐碱溶液腐蚀性更强，是一种综合的高性能外加剂.耐碱剂的加入可抑制水泥砂浆和混凝土构件的碱－集料反应，确保其耐久性.通过添加超微细粉和防收缩物质，使硬化后的混凝土结构更加密实、稳定，增强了耐碱混凝土抗物理腐蚀的能力;通过添加耐碱物质，使混凝土内水化产物的化学环境更加合理，提高了耐碱混凝土的抗化学腐蚀能力.

4 结语

1)在试验周期初期，强碱溶液对普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度和抗折强度表现为一定的增强作用，其增强幅度随着试验周期的延长逐渐减弱，直至后来对混凝土产生腐蚀劣化.

2)在强碱溶液浸泡条件下，当浸泡周期较长，强碱溶液对混凝土的增强作用减弱甚至产生腐蚀时，耐碱剂可发挥其抗碱作用，从而提高混凝土的抗碱腐蚀能力.

3)在强碱溶液浸泡环境下，普通混凝土添加耐碱剂以后，其抗压、抗折强度值大于钢纤维体积分数为1.0%的钢纤维混凝土;掺加耐碱剂的钢纤维混凝土抗压、抗折强度值均最大，抵抗强碱腐蚀的能力较强;用抗压强度腐蚀系数和抗折强度腐蚀系数可以准确地分析强碱溶液对混凝土抗压和抗折强度的影响.

4)强碱溶液对混凝土的腐蚀是包括物理腐蚀和化学腐蚀在内的多种腐蚀因素的综合反映，耐碱剂的添加有利于混凝土工作性能的改善，从而有助于抵抗强碱溶液对混凝土的腐蚀.

［1］孙玉喜，田智祥.氧化铝厂混凝土建(构)筑物的碱腐蚀及防治［J］.轻金属，1999(12):58－60.

［2］马茜.氧化铝车间耐碱混凝土地面的试验研究［J］.采矿技术，2005，5(4):63 －64.

［3］ Glenn GM，Klamczynski AK，Chiou BS，et al.Lightweight concrete containing an alkaline resistant starch-based aquagel［J］.Journal of Polymers and the Environment，2004，12(3):189－196.

［4］ Pastore T，Cabrini M，Coppola L，et al.Evaluation of the corrosion inhibition of salts of organic acids in alkaline solutions and chloride contaminated concrete［J］.Materials and Corrosion，2011，62(2):187 －195.

［5］朱海堂，范向前，李金章.耐碱剂对钢纤维混凝土强度的影响研究［J］.郑州大学学报:工学版，2011，32(1):5－8

［6］张小伟，张雄.混凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法［J］.建筑材料学报，2006，9(1):52－59.

［7］大连理工大学.CECS 13∶2009纤维混凝土试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［8］中国水利水电研究院.DL/T 5126—2001聚合物改性水泥砂浆试验规程［S］.北京:中国电力出版社，2001.

［9］蒋林华.混凝土材料学(下册)［M］.南京:河海大学出版社，2006.

［10］张旭东，袁琳，何健，等.从某碱回收站厂房碱破坏谈抗碱混凝土［J］.河北煤炭，2002(6):39－40.