硫酸盐侵蚀下不同强度等级混凝土力学性能研究

李娟，张述雄，张海娇，王栋民

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

硫酸盐侵蚀下不同强度等级混凝土力学性能研究

李娟，张述雄，张海娇，王栋民

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

本文研究制备了强度等级为 C20、C30、C40、C50 以及 C60 的混凝土试件，通过干湿循环—硫酸盐浸泡耦合加速硫酸盐侵蚀速率，测试各个试件抗压强度的变化规律。结果表明：通过干湿循环，各强度等级试件在 30d 内强度比同龄期清水养护试件提高 4%～10%，30d 以后，随着龄期的增加，强度开始降低，至 120d 时 C20、C30、C40 分别下降 16.3%、23.1% 和18.9%， C50 和 C60 下降 7% 左右，强度等级越高，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能越好。

干湿循环；硫酸盐；耦合；抗压强度

0　前言

混凝土长期处于硫酸盐环境下，硫酸根离子会由外界渗入混凝土内部，混凝土某些成分与硫酸根硫离子发生物理化学反应，从而引起混凝土表面剥落、膨胀、开裂、质量损失以及强度降低等现象，导致混凝土耐久性不足[1，2]。这是一个复杂的物理化学过程，主要受两方面因素的影响：一是材料因素，包括混凝土的水灰比、孔隙率、水泥品种等；二是环境因素，包括溶液中阳离子类型、硫酸根的浓度、干湿循环以及冻融循环等。处于沿海地区、酸雨地区以及盐渍土环境中的混凝土受硫酸盐侵蚀尤为严重，既受可溶性盐对混凝土产生化学腐蚀，又可能受到干湿交替、冻融循环等环境条件的加速破坏作用。干湿循环加快了有害介质向混凝土内部侵蚀的速率，是导致混凝土性能结构衰退最为严酷的环境条件之一，因而干湿循环环境下混凝土性能的变化也是目前的研究热点[3-7]。本论文基于干湿循环—硫酸盐侵蚀耦合下 C20 至C60 混凝土在 0d、30d、45d、60d、90d 及 120d 抗压强度变化规律，探讨混凝土在硫酸盐环境下性能劣化的影响因素。

1　实验

1.1原料

水泥：基准水泥（北京水泥厂），其化学成分见表 1；细骨料为人工砂；粗骨料采用连续级配碎石；减水剂为西卡聚羧酸减水剂。粉煤灰（Fly ash，FA）和矿渣（Blast Furnace Slag，BFS）是由山西某公司提供，其化学成分见表 2 和表3。

表1　基准水泥的化学成分分析 %

表2　粉煤灰的化学成分分析 %

表3　矿渣的化学成分分析 %

1.2实验方法

按配合比做成 100mm×100mm×100mm 的立方体混凝土试块用于抗压强度测试，C20～C60 混凝土配合比见表 2。试件成型标养 24h 后脱模，然后所有试块恒温湿养护 28d后，一部分继续留在清水中恒温湿养护，另一部分浸泡于硫酸钠溶液中进行干湿循环侵蚀试验，侵蚀溶液采用质量分数为 5% 的硫酸钠溶液。干湿循环采用全自动混凝土硫酸盐干湿循环实验箱，程序设定为：浸泡时间 16h，溶液排空 0.5h，晾干时间 0.5h，烘干时间 6h，冷却时间 1h，24h 为一个循环。通过 0 次、30 次、60 次、90 次、120 次循环后测试试件抗压强度。

表4　各等级强度混凝土配合比 kg/m3

1.3评价指标

用强度变化率来衡量试件抗硫酸盐腐蚀性能，其定义如下：

其中：

K1—— 试件液浸泡试件抗压强度与其标养 28d 抗压强度之比；

K2—— 试件液浸泡试件抗压强度与同龄期清水养护试件抗压强度之比；

FR，i——试件在侵蚀液中养护至 i 龄期的抗压强度，MPa；

FQ，i——试件在清水中养护至 i 龄期的抗压强度，MPa；

F28—— 试件养护至 28d 龄期时的抗压强度，MPa；

2　结果与分析

2.1抗压强度变化规律

图 1 至图 5 分别为恒温湿养护试件和干湿循环侵蚀试件的抗压强度变化规律。综合各图可知，30d 以内，干湿循环—硫酸盐浸泡试件强度有所提高，综合各图可知，30d 以后，各试件在清水中浸泡的强度均高于同循环周期经过干湿循环的试件，并且伴随干湿循环周期的增加，强度差异越明显，表明试件劣化的程度随着干湿循环周期的增长而加深。但随着强度等级的增加，同龄期清水养护和干湿循环试件强度差异逐渐降低，这表示强度等级高的混凝土抗硫酸盐侵蚀性能较好，强度低的混凝土随着侵蚀龄期的增长，劣化速率加快。

图1　清水养护和干湿循环对 C20 混凝土强度的影响

图2　清水养护和干湿循环对 C30 混凝土强度的影响

图3　清水养护和干湿循环对 C40 混凝土强度的影响

图4　清水养护和干湿循环对 C50 混凝土强度的影响

图5　清水养护和干湿循环对 C60 混凝土强度的影响

图 6、7 分别为清水养护试件和干湿循环试件强度随龄期的变化规律。图 6 表明，各试件强度在清水中稳定上升，在60d 后强度趋于稳定，相比于标养 28d 强度均有所提高。图 7表明，各强度等级试件经历干湿循环后，抗压强度的变化趋势相近，在 30d 以内，经历一定循环后，到达各自强度的最高值，这是由于硫酸根离子与试件内部产物发生反应而起到密实填充作用，所以强度提高。30d 以外，强度开始下降，但强度等级低的混凝土下降速率要大于等级高的混凝土，这也说明强度等级越低，试件抗硫酸盐侵蚀能力差。从不同强度等级混凝土配合比可知，混凝土从 C20 至 C60，水灰比由58% 下降至 31%，强度等级越低的混凝土水胶比就越大，混凝土硬化后孔隙率越高，孔隙联通的几率越大，有害离子如硫酸根侵入内部阻力越小，因而侵蚀更容易。

图6　清水养护对 C20～C60 混凝土强度的影响

图7　干湿循环对 C20～C60 混凝土强度的影响

2.2K值分析

图8　K1随龄期的变化关系

图9　K2随龄期的变化关系

图 8、9 分别为 K1、K2随龄期的变化关系。由图 8 可以看出，各试件强度在腐蚀初期强度均有所上升，30d 内上升最快，部分试件强度继续增加至 60d。但在 60d 以后，C20、 C30 及 C40 试件迅速下降，C20 及 C30 下降尤为显著，而C50、C60 试件强度不但没有损失反而缓慢增长。对比图 8、图 9 可知，在腐蚀 30d 以内，各个试件强度不论是相比于标养 28d 强度（K1）还是同龄期清水养护强度（K2）均有所上升，在 30d 以后，腐蚀试件相比于清水养护试件强度迅速下降，随着龄期的增长，强度 C40 及以下试件下降趋势比C50 及 C60 更明显。这表明水灰比是影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的重要因素之一，水灰比越大，则混凝土有较高的孔隙率，有害离子侵入混凝土内部越容易，试件受到侵蚀的可能性也越大。结果还证实了硫酸盐侵蚀下混凝土损伤过程包括密实填充和膨胀劣化两个阶段，腐蚀前期硫酸盐由外部扩散到混凝土内部与水化产物反应生成钙矾石和石膏，填充孔隙过程中混凝土得到了一定程度的密实，因而有利于强度增长；之后生l成的产物生长空间受阻，当其膨胀应力达到混凝土极限应力时，产生裂缝，导致混凝土劣化。

3　结论

（1）在干湿交替—硫酸盐耦合作用下，60d 以内各试件强度有所提高，相比于标养 28d 强度基本无损失；在 60d 后强度开始下降，C40 及其以下，强度等级越低，下降趋势越明显，C50 及 C60 混凝土强度基本维持稳定。

（2）相比于同龄期清水浸泡试件，干湿交替—硫酸盐耦合浸泡试件在 30d 内强度提高 4%～10%。30d 以后开始明显下降，龄期至 120d 时，C20、C30、C40 分别下降 16.3%、23.1% 和 18.9%， C50 和 C60 下降 7% 左右。

（3）随着混凝土试件强度等级的提高，水胶比逐渐降低，孔隙率减小，其抗硫酸盐侵蚀性能增强。

（4）硫酸盐侵蚀下混凝土损伤过程包括密实填充和膨胀劣化两个阶段，前一阶段有利于混凝土强度发展，后一阶段导致混凝土劣化损伤。

[1] 杜健民，梁咏宁，张风杰．地下混凝土结构硫酸盐腐蚀机理及性能退化[M]．北京：中国铁道出版社，2011：1-3．

[2] 梁咏宁，袁迎曙．硫酸盐侵蚀环境因素对混凝土性能退化的影响[J]．中国矿业大学学报，2005，34(4):453-457．

[3] 余振新，高建明，宋鲁光，等．荷载-干湿交替-硫酸盐耦合作用下混凝土损伤过程[J]．东南大学学报（自然科学版），2012，42(3)：487-491．

[4] 王复生，孙瑞莲，朱元娜．大掺量矿渣水泥抗硫酸盐侵蚀性能测试方法研究[J]．建筑材料学报，2009，12(4)：466-469.

[5] 户田和敏．混合剂的种类、性质的变化和将来展望[J]．高性能减水剂工学，1999(1)；57-60．

[6] 袁晓露，李北星，崔巩，等．干湿循环-硫酸盐侵蚀下混凝土损伤机理的分析[J]．公路，2009( 2)：163-166．

[7] 曹征良， 褒雄洲，邢蜂，等．美国混凝土硫酸盐侵蚀试验方法评析[J]．深圳大学学报，2006，23(3)：201-210．

［通讯地址］北京市海淀区学院路丁 11 号宝源公寓 B（100083）

Study on mechanical properties of different strength grade concrete under sulfate attack

Li Juan, Zhang Shuxiong, Zhang Haijiao, Wang Dongmin
(China University of Mining &Technology, Beijing 100083)

The concrete samples were prepared from C20 to C60, drying-wetting cycle was used to accelerate the rate of sulfate attack, compressive strength of each sample was tested. The results showed that, compared to the same age of water curing specimens, the strength of the drying-wetting cycle specimens increased 4%～10% within 30 days. After 30 days, with the age increased, strength began to decrease. In 120 days, C20 decreased 16.3%, C30 decreased 23.1% and C40 decreased 18.9%, C50 and C60 decreased about 7%. The higher strength grade of concrete is, the better the performance of concrete in sulphate erosion.

dry wet cycle; sulfate; coupling; compressive strength

李娟（1990-），女，硕士生，研究方向：聚羧酸减水剂及水泥基材料。