氯离子对混凝土硫酸盐腐蚀程度的影响

张清旭，仲启珂

(1．昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明，650500;2．中交上航局航道建设有限公司，浙江宁波，315200)

我国存在广阔的盐害环境。北部地区天气严寒，降雪丰富，道路时常结冰，常用以氯盐为主的除冰盐，对混凝土容易造成剥蚀破坏。内陆地区遍布着很多盐渍地，除含有导致混凝土中钢筋锈蚀的氯离子外，还含有导致混凝土自身损伤破坏的硫酸根离子。在恶劣的气候条件下，盐渍土的盐类腐蚀非常严重，对这些地区建筑物的地下部分如桥梁、隧道以及房屋基础等造成显著的破坏作用。在造成混凝土腐蚀劣化的众多因素中，硫酸盐和氯盐占据重要地位［1］。

硫酸盐［2］通过与水泥的水化产物发生反应，生成的反应物具有膨胀作用，因此容易导致已硬化的混凝土发生开裂现象。外部的腐蚀性因素通过裂缝进入混凝土结构，对建筑物产生进一步的腐蚀，这会大大降低建筑物的承载能力。由于Cl－的渗透速度大于SO24－，因此当 Cl－和 SO24－共存时，不同浓度的Cl－对SO24－的腐蚀效果将会产生不同的影响。

1 试件

针对两种盐类复合腐蚀研究较少的现状，本文主要探究氯离子含量对硫酸盐腐蚀的影响程度。实验中，制备100mm×100mm×300mm的长方体试块12个，将试块浸泡在不同浓度的溶液中［3］。实验所用水泥为普通硅酸盐水泥，粗骨料为粒径5～20mm的碎石，细骨料为天然河沙，细度模数为2．7，实测浇筑28天养护后立方体抗压强度为fcu=34．5MPa。

2 腐蚀方法

实验采用增大溶液的浸泡量和浸泡浓度的方法。分别将试块浸泡于不同浓度的溶液中［4］，编号和浓度如下:

A溶液:10%Na2SO4溶液;D溶液:10%Na2SO4+5%NaCl溶液;

E溶液:10%Na2SO4+15%NaCl溶液;F溶液:10%Na2SO4+25%NaCl溶液。

试块采用四周蜡封，将试块完全浸泡在溶液中，并且溶液高出试块40mm左右。定期更换溶液以保证溶液的浓度保持恒定。

3 实验仪器

使用万能压力试验机进行立方体抗压强度实验。用德国制造的FEIQuantaTM250环境扫描电子显微镜和QUANTAX－10电制冷能谱仪进行实验分析。

4 结果分析

假定不同组溶液对于试块的腐蚀都是均匀的，腐蚀层的厚度在各个面上都相等，并且认为腐蚀后的混凝土面层丧失承载能力。腐蚀180天后各溶液中试块表面情况见图1。

图1 腐蚀180天各溶液中试块的表面示意图Fig．1 Schematic diagram of the surface of the test block in each solution of corrosion for 180 days

从图1中可以看到，A溶液中的混凝土试块在棱角处出现了脱落现象，试块边缘出现了大量的裂缝开展现象，试块表面也出现了腐蚀产生的凹洞，其受到腐蚀的效果非常明显，表层的混凝土由于腐蚀作用，也变得疏松，触碰时发生脱落现象。D溶液中混凝土试块棱角处由于腐蚀作用产生了轻微脱落，表面有经过腐蚀后的少量凹槽，但是腐蚀程度远小于A溶液中的效果。E溶液仅在表面产生了少量的腐蚀凹槽，试块棱角受到了轻微的腐蚀。F试块的表面比较完好，棱角保留比较完整［5］。

在相同的腐蚀时间内，纯硫酸钠溶液(A溶液)腐蚀作用下的混凝土产生了明显的缝隙和大量的腐蚀产物，混凝土的整体结构性能遭到破坏。而在其他复合溶液腐蚀作用下，混凝土的破坏程度较轻，内部结构仍然保持密实状态，表面裂缝开展也较少［6］。

这一现象表明，在含有 Cl－的环境中，Cl－对于 SO24－的腐蚀作用具有一定的减弱效果，并且阻碍钙钒石和石膏的生成，因此减轻了腐蚀效果［7］。

用硫酸钠做腐蚀混凝土实验，受硫酸钠腐蚀180天后混凝土内部结构情况见图2。

图2 受硫酸钠腐蚀180天后混凝土内部的结构形态Fig．2 Structure of the interior of concrete after being etched by sodium sulfate for 180 days

为了深入探究SO24－在Cl－存在时对于混凝土的腐蚀作用［8］，本次实验在腐蚀的过程中进行电镜扫描实验和能谱分析实验，以观察在SO24－腐蚀混凝土时，Cl－对于硫酸盐的影响程度。实验采用德国制造的FEIQuantaTM250环境扫描电子显微镜和QUANTAX－10电制冷能谱仪进行实验分析。实验选用的试块条件为A溶液(10%Na2SO4溶液)以及E溶液(10%Na2SO4+15%NaCl溶液)。对试块进行取样(表面垂直方向10mm)，通过电镜扫描实验得到元素能谱图见图3。

图3 受腐蚀作用后试样元素能谱图Fig．3 Spectrogram of sample element after corrosion

从图3中可以看出，由于Cl－的存在，混凝土内部的SO24－分布比较均匀。在硫酸钠溶液腐蚀作用下的SO24－存在一个高峰段，其内部的SO24－分布量比较低［9］。分析认为，SO24－高峰段是由于产生了大量腐蚀产物，使其中S元素以晶体形式存在。由于复合溶液中含有Cl－，SO24－的腐蚀效果得到减弱，阻碍了腐蚀产物的生成。

5 结论

将混凝土试块浸泡于不同工况的目标溶液中，浸泡时间达180天，试块发生明显变化，且不同工况差异显著。浸泡时间越长，混凝土试块受腐蚀程度越严重。本文对腐蚀后的混凝土试块进行微观分析，得到硫酸根和氯离子的渗透规律，归纳出以下结论。

1)在只受硫酸钠溶液腐蚀的混凝土试块内部存在一个SO24－分布高峰值，而在受氯化钠和硫酸钠复合溶液腐蚀的混凝土试块中，SO24－的分布比较均匀。由于Cl－的存在，SO24－的腐蚀效果被阻碍，腐蚀产物比较少，可见Cl－能够减轻混凝土结构在SO24－作用下的破坏程度。

2)相同强度的混凝土试块在硫酸钠溶液和复合溶液中受到的腐蚀情况不同。由于Cl－的存在，腐蚀初期SO24－的腐蚀效果被削弱，复合溶液中混凝土试块的强度损失比较小。

3)在整个腐蚀过程中，复合溶液的Cl－浓度越高，受腐蚀混凝土试块的腐蚀层厚度越小。氯离子渗透率大于硫酸根离子，能够率先渗透进混凝土试块内部与C3A反应生成一种不稳定络合物，减少了与硫酸盐反应的C3A的量，从而一定程度上阻碍了硫酸根离子对混凝土试块的侵蚀，减轻了混凝土受硫酸盐腐蚀的程度。

因此，氯离子含量越高，混凝土受硫酸盐的腐蚀破坏越轻微。