混凝土井壁受盐害侵蚀后的强度损伤试验研究

李旭绒 纪洪广 王 军 宋承霖

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.山东理工大学建筑工程学院 山东 淄博 255049)

混凝土井壁受盐害侵蚀后的强度损伤试验研究

李旭绒1纪洪广1王 军2宋承霖1

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.山东理工大学建筑工程学院 山东 淄博 255049)

井壁混凝土结构在地下复杂环境中易受复合盐害侵蚀。为了研究混凝土受盐害溶液侵蚀后的抗压强度和抗折强度的变化规律，设计制作了C70标号的高强混凝土试块，配置了3种不同浓度的复合盐害溶液，测定试块经过多次复合盐害溶液浸泡后的抗压强度和抗折强度。试验结果表明：高强井壁混凝土在清水和复合盐害溶液浸泡后，抗压强度和和抗折强度的变化趋势不一样。在清水环境中，两者基本都是上升的趋势，抗压强度在初期其强度上升比较快，到后期逐渐趋于稳定，抗折强度在第6个月到第7个月之间有突变。 在复合盐害溶液中，抗压强度和抗折强度整体上符合先增大后减小的变化趋势。腐蚀溶液浓度越大，后期下降的趋势越快。抗折强度的变化规律比抗压强度的变化规律复杂。

高强混凝土 复合盐害 损伤

混凝土耐久性一直是科研工作者重视的研究课题，而硫酸盐及其复杂盐害侵蚀混凝土又是混凝土耐久性研究的一项重要内容，其影响因素是最复杂、危害性也是最大的一种环境因素的腐蚀。井壁混凝土结构长期处于地下水及土壤的腐蚀环境，接触到对混凝土具有腐蚀作用的硫酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子等，一些矿区的腐蚀性离子超过国家标准几倍甚至数十倍，这些盐害离子势必对井壁混凝土的强度造成不同程度的下降。地下结构衬砌的混凝土在受到硫酸盐腐蚀后，会发生一系列的物理化学反应，生成的钙矾石和石膏等反应产物在混凝土内部随着时间的推移积聚膨胀，致使混凝土的内部结构发生变化，从而力学性能产生劣化，甚至导致结构破坏[1-5]。目前这类对硫酸盐侵蚀混凝土的研究比较多，对混凝土在硫酸盐、氯盐等单一因素或硫酸盐与氯盐两种复合盐害溶液侵蚀下性能规律的研究也比较多[6-9]，而对三类及以上复合盐害环境下混凝土抗侵蚀规律研究较少。然而井壁混凝土所处的实际服役环境中复合盐害占绝大多数，我国的西北、黄淮等地区的水质分析表明地下水中含有硫酸盐、氯盐、碳酸盐等多种对混凝土极具侵蚀性的离子，且盐离子含量均比较高[10]。所以，本研究针对某矿区的高强井壁混凝土受多种盐害离子的侵蚀进行了长期的试验研究，设计了与实际井壁混凝土相同标号的高强混凝土，配制了3种盐害离子混合的3种浓度的溶液，对长期浸泡在盐害溶液的高强混凝土的抗压强度和抗折强度规律变化进行了研究，并探讨了盐害腐蚀混凝土机理，建立了强度与腐蚀时间的数学模型。

1 试验设计与过程

1.1 试验设计

本试验采取了加速腐蚀的试验方法，确定试验中腐蚀溶液的浓度为实际地下水腐蚀性离子的20倍、40倍和60倍，溶液分别表示为S1、S2和S3。

主要原材料：①水泥，矿物掺合料粉煤灰、矿渣、硅粉；②中砂，细度模数2.6，密度2.64 g/cm3；③石子，碎石，最大粒径10 mm；④自来水；⑤高效减水剂；⑥硫酸钠，碳酸氢钠，氯化钠分析纯。

C70 配合比见表1[11]，溶液浓度及含量见表2。

表1 混凝土试件配合比Table 1 Mix proportion of concrete sample

表2 腐蚀溶液及浓度Table 2 Corrosion solutions and concentrations

注：S0为清水。

1.2 实验过程

依据上述提供的配合比，制作40 mm×40 mm×160 mm 的混凝土试件196 块，24 h后拆除模具，将4个试件放入养护箱中标准养护，其余试件在实验室中覆盖织物自然养护，28 d后取出，分别取标准养护和自然养护的试件各2块测试28 d的抗压强度和抗折强度，所得数值依次分别为81.2 MPa和9.84 MPa；73.51 MPa和7.16 MPa。剩余试件以48块为一组分别半浸泡于S0、S1、S2、S3 溶液中。每隔30 d从各组溶液取出3～4 块试件，晾干后测试其抗压强度和抗折强度，取其平均值作为最后数值。为保持溶液中盐离子数量的稳定，每30 d更换新溶液一次，溶液中各种腐蚀性离子浓度保持稳定，试验历时360 d。

2 高强混凝土抗压强度与抗折强度受盐害侵蚀后的强度损伤变化

2.1 抗压强度变化规律分析

由抗压强度曲线图1可以看出，在腐蚀的最初4个月内，无论是在清水中浸泡的试件还是在腐蚀溶液中浸泡的试件，混凝土强度都有不同程度的增长。其中清水中抗压强度增长幅度为9.07%，S1、S2和S3溶液中混凝土的抗压强度增长幅度分别为12.44%、13.32%和15.40%，增长幅度随着溶液浓度的升高而增加。究其原因为，在腐蚀的初期，外界腐蚀溶液的盐害离子进入混凝土不密实的孔隙内部，与水泥块的某些组成部分发生水化反应，生成钙矾石和石膏，生成的这些产物具有膨胀性，填充到混凝土原有的孔隙中，使混凝土在腐蚀的一定时间内内部变得更加密实，从而提高了混凝土的抗压强度。从以上增长幅度也可以看出，腐蚀溶液中试件的抗压强度增长幅度都比在清水中的抗压强度增长幅度高出3个百分点以上。

图1 试件在不同腐蚀时间的抗压强度Fig.1 Compressive strength of samples in different corrosion time◆—S0；■—S1；▲—S2×—S3

清水中的试件在第7个月时抗压强度值达到最大，其值为86.26 MPa，增长幅度为17.34%；S1和S2溶液中的试件在第5个月时抗压强度达到最大值，分别为85.69 MPa和84.16 MPa，抗压强度增长幅度分别为16.57%和14.49%。从总的趋势来看，4条曲线都有上升与下降的拐点，其中浸泡在腐蚀溶液浓度最大的试件抗压强度出现拐点的时间最早，其值为120 d，接着是S1和S2溶液的试件，经历了150 d，最后是清水中的试件，出现拐点的时间最晚，时间是210 d。随着溶液浓度的增大，拐点出现的时间不断提前。

从图1还可以看出，C70混凝土试件在盐害溶液中的强度变化与普通混凝土有所不同，分析其原因主要在于高强混凝土中掺有矿物质料例如粉煤灰和矿渣，由于矿物质具有的高活性，使混凝土内部比普通混凝土密实，孔隙小，这样就减少了盐害离子的侵入。另外粉煤灰的微骨料效应、活性效应及形态效应，降低了混凝土中Ca(OH)2的含量，有效改善了混凝土的微观结构，使混凝土能够有效的抵抗盐害溶液的侵蚀。在盐害溶液中，混凝土内部发生两种物理化学变化对强度产生影响，一是硫酸根离子与混凝土中凝胶体反应生成物填充内部孔隙，致使混凝土更加密实；二是氯离子和碳酸氢根离子与混凝土凝胶体产生溶蚀反应，导致混凝土孔隙率增大强度降低。在初期第一种反应占优势，起主导地位，混凝土强度增长，由于硫酸根离子的浓度高、数量大，随时间延长硫酸根离子反应生成的钙矾石和石膏逐渐增多，在混凝土内部膨胀产生拉应力，两种反应的结果都导致混凝土强度降低，此时混凝土强度表现为下降幅度变大。通过电镜扫描图片(见图2)分析认为在3种腐蚀盐离子溶液中侵蚀产物主要是钙矾石，表明硫酸盐侵蚀占主导地位；混凝土试件中出现明显的裂缝，证明盐害腐蚀导致混凝土膨胀开裂从而产生损伤劣化。

图2 试件在S3溶液中1 a后的电镜扫描图Fig.2 Electron microscope scans of the samples in S3 solution after a year

2.2 抗折强度变化规律分析

从抗折强度曲线图3可以看出混凝土抗折强度在最初腐蚀的5个月内，S0、S1、S2和S3的抗折强度分别是9.2 MPa、9.51 MPa、10.82 MPa和10.16 MPa，其强度都在上升，增长的幅度为28.49%、32.82%、51.11%和41.89%，随着溶液浓度的增大，抗折强度增长的幅度不是随着浓度的增大而增大的，其中S2溶液的试件抗折幅度增长最大。总体上，腐蚀溶液的混凝土试件抗折强度的增长幅度都比在清水中的混凝土试件增长幅度高出14个百分点以上。从整个曲线图来看，4种溶液中的试件都有上升段和下降段，S2和S3溶液中的试件在腐蚀到第5个月时抗折强度都达到最大值。S1在第8个月时达到最大值，S0在第10个月时达到最大值，S0曲线在第7个月抗折强度有较大幅度的上升，接着缓慢上升，从第10个月以后，抗折强度开始缓慢下降，相比较其他3种腐蚀溶液而言，清水中的溶液在12个月内，拐点出现的最晚，下降段也比较缓慢，S1溶液次之，S2和S3溶液的拐点出现的最早，而且下降段变化也比较快，尤其是在第8个月至第10个月之间。从试验结果来看，S2腐蚀溶液对混凝土抗折强度变化影响比较大，但是对腐蚀后的强度影响不大，三种盐害溶液的抗折强度均大于腐蚀前的抗折强度。从图1和图3对比来看，抗折强度曲线明显比抗压强度曲线复杂，但总体上的趋势是一致的。

图3 试件不同腐蚀时间的抗折强度Fig.3 Flexural strength of the samples in different corrosion time◆—S0；■—S1；▲—S2；×—S3

3 结 论

(1)受盐害侵蚀的高强混凝土在初期的一定时间内抗压强度有所上升，随着侵蚀时间的延长，混凝土的强度在经过一个拐点后下降，且下降的趋势随着浓度的增大而增大。

(2)高强混凝土的在受盐害腐蚀后，抗折强度较抗压强度变化复杂，但总体趋势比较相似，都有上升段和下降段，随着浓度的增大，下降段变化趋势比较明显。

(3)通过长期浸泡试验研究发现，相对于试件最初无腐蚀的强度而言，除了S3溶液1 a后的抗压强度略有下降外，其余的溶液的抗压强度和抗折强度都比最初无腐蚀时的强度大。

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(责任编辑 石海林)

Test Research on Strength Damage of Concrete Shaft Lining under Salt Disaster Corrosion

Li Xurong1Ji Hongguang1Wang Jun2Song Chenglin1

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.SchoolofArchitectureEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China)

The structure of concrete shaft lining is easily corroded in underground complex environment.In order to study the change of the compressive strength and the flexural strength after suffering composite salt disaster solutions corrosion，C70 high strength concrete test specimens were prepared and composite salt disaster solutions with three different concentrations were compounded.The compressive strength and the flexural strength of the concrete test specimens were tested after dipping them into mixture solution and drying them for many times.The test results showed that the change laws of the compressive strength and the flexural strength of the high strength concrete are different after dipping them into water and mixture solution.The compressive strength and the flexural strength are increased in the water，and the compressive strength raises faster in the early time but gradually keeps stable in the later time，while the flexural strength changes suddenly from the sixth month to the seventh month.The compressive strength and the flexural strength of high strength concrete increase in corrosion solutions and then decline.The higher corrosion solution concentration is in the mixture solutions，the quicker the strength declines in the later.The change law of the flexural strength is more complex than that of the compressive strength.

High strength concrete，Composite salt disaster，Damage

2014-03-01

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2010CB226803)，国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：2008AA062104)，国家自然科学基金项目(编号：51034001)。

李旭绒(1979—)，女，博士研究生。

TD353

A

1001-1250(2014)-10-157-04