硫酸盐侵蚀下混凝土强度损伤机理分析

李立君 苏笮斌 李胜龙

四川铁科新型建材有限公司 四川 成都 610404

1 引言

进入21世纪以来，中国经济得到快速发展，一批重要基础设施工程项目正在兴建或计划中。在这些地方，混凝土结构经常会受到周围环境中大气、土壤和水中等有害介质的影响而形成劣化现象，在以上情况下，混凝土会在水化硬化之前就产生初始损伤，且初始损伤的强度较大，具体的初始损伤形式包括孔隙、孔径以及裂缝等的增大，侵蚀环境与混凝土的接触面在损伤其表面后迅速渗入至内部[1]，并引起化学反应，从而造成体积扩大、混凝土裂缝数量和传递系数增加。探讨各种损伤程度水泥在海洋与西部恶劣自然环境下的腐蚀损伤情况，对于探讨长寿命水泥的设计研究方法及其调控机理有着非常重大的理论意义。

本文制备混凝土试件并将其置入模拟硫酸盐侵蚀环境内，对硫酸盐侵蚀条件下的混凝土强度损伤情况进行全方面研究。

2 试验设计与方法

2.1 原材料与配合比

水泥选用四川筠连西南水泥有限责任公司生产的的P.O.42.5级硅酸盐水泥，其满足GB175-2007规范约束；采用的天然河沙以及碎石的细度模数和最高粒径分别是2.5和小于20mm；从四川某化工公司采用硫酸钠（Na2SO4）试剂，其浓度是99.6%，硫酸镁（MgSO4）试剂，其浓度是99.5%[2]。

2.2 测定防腐剂主要指标

分别采购四川某公司水剂防腐剂（样品编号F1）、粉剂防腐剂（样品编号F2）各一份，云南某公司水剂防腐剂（样品编号F3）、粉剂防腐剂（样品编号F4）各一份，贵州某公司水剂防腐剂（样品编号F5）、粉剂防腐剂（样品编号F6）各一份。

经对外观和材质书的确认，样品质量状态见表1。

表1 试验防腐剂表观

2.3 试验配合比

混凝土适配配合比采用参考G4216线屏山新市至金阳段高速公路XJ20合同段1#拌合站C30普通混凝土配合比[3]，配合比参数见表2。

表2 混凝土配合比

防腐剂类别 粉剂 液体胶材总量 372g 372g水胶比 0.45 0.45砂率 43% 43%配合比参数设计容重 2400 2400减水剂掺量 1% 1%防腐剂掺量 6% 8%

2.4 试验方法

为研究硫酸盐侵蚀下混凝土强度损伤机理，选择侵蚀溶液的质量浓度是1%（S1）、10%（S10）的Na2SO4溶液。为描述Na2SO4溶液侵蚀变化过程，应用双面侵蚀，剩余面通过E-26B型漆密封[4,5]，将完成密封的试件置入Na2SO4溶液展开干湿循环。以防止高温烘干混凝土过程中可能出现的物理破坏与侵蚀，循环策略是浸泡7d后擦干，常温下静置8d，维持浸泡时的溶液的质量分数[6-8]。侵蚀混凝土试件不同时间后展开测试，利用剖面磨削机于试件表面取样，依据GB/T 8077-2012、GB8076-2008、GB/T50080-2016、GB/T50081-2019、GBT50082-2009、GB/T17671-1999等标准多角度测试加入抗硫酸盐防腐剂混凝土的性能[9]。并选取MgSO4溶液为对比侵蚀溶液，测试两种溶液对试件的抗折强度的影响，处理方法同上。

2.5 硫酸盐介质在混凝土中的渗透扩散

硫酸盐会对混凝土产生渗透扩散的侵蚀效应，使得水泥出现软化等情况[10]。整体扩散流程满足扩散反应公式，表示为：

MDA-MB-231细胞在高糖DMEM培养基(含10%小牛血清及100 U/L青霉素和100 μg/L链霉素)，37 ℃，5% CO2饱和湿度培养箱中培养，每2天更换培养液，0.25%胰蛋白酶消化传代。取对数生长的细胞用于后续试验。

离子迁移速率表示为：

Na2SO4溶液的流速满足达西定律，表示为：

在Na2SO4溶液温度、浓度确定的情况下，的影响因素表示为：

3 试验结果与分析

试验采用1#拌合站材料，并参考1#拌合站C30普通混凝土配合比，对比市场上常见的防腐剂性能（F0即不加防腐剂的混凝土、F1（液体）、F2（粉体）、F3（液体）、F4（粉体）、F5（液体）、F6（粉体）。

试验结果显示，F0-F6共7组试验中，混凝土工作性能基本相同。添加粉剂防腐剂后，抗蚀系数均有增长，但混凝土的抗压强度不够明显，这可能与粉剂防腐剂的化学体系有关；添加水剂防腐剂后，混凝土抗压强度略有增加，但部分抗蚀系数不满足《混凝土抗侵蚀防腐剂》JC/T1011-2021标准（应大于0.9），这可能与水剂防腐剂中抗蚀成分溶解度有关，其中样品编号为F1的水剂防腐剂抗蚀系数为0.9，满足《混凝土抗侵蚀防腐剂》JC/T1011-2021标准，所以以下试验均采用有F1防腐剂的混凝土试件展开。

硫酸盐侵蚀下，试件的质量出现变化，主要原因包括：（1）硫酸根接触试件出现水化，导致试件孔隙被反应生成的产物填充，从而质量提升；（2）试件表层受到侵蚀发生分解破坏，质量因剥落而降低。试件的质量经时变化情况可清晰描述出其强度损伤机理，在Na2SO4溶液分别为S1、S10的质量浓度下展开试验。

Na2SO4质量浓度为S1时，试件的质量跟随侵蚀时间的增长呈快速上升、缓慢变化、快速降低三个阶段，Na2SO4质量浓度为S10时，试件的质量跟随侵蚀时间的增长呈快速上升、振荡变化、快速降低三个阶段。在60d之前，硫酸盐侵蚀试件导致其孔隙被填充，S1、S10质量浓度下的试件质量均快速提升；60-180d之间，S1浓度下的试件质量在2.40-2.45kg的区间内极小幅度的先上升后下降，S10浓度下的试件质量则是从2.45kg下降至2.40kg后又上升至2.47kg，后又在180d时两种Na2SO4质量浓度的试件质量影响程度差异相似；180d之后，S1、S10质量浓度下的两个试件因侵蚀试件过长导致出现砂化、剥落等情况，试件质量快速降低。

对比标养情况下与硫酸盐侵蚀并干湿循环情况下的试件强度变化。

标养情况下试件的强度不断上升，其主要是因为试件内存在大量水泥，其能够与水不断产生水化反应，试件的水泥量越大则对应水化持续时间越长，试件强度不断提升，在水泥水化结束后，试件强度也随之结束。侵蚀干湿循环情况下，试件强度呈先升高后下降的趋势，60d之前，试件强度呈上升趋势，原因是试件损伤机理无法与强度正常变化相抵，60d之后试件强度呈下降趋势，原因是试件自身强度提升较小，在硫酸盐侵蚀环境下又受干湿循环影响损伤严重，所以试件强度下降。

硫酸盐介质在试件中的渗透扩散受其浓度影响，浓度越高则渗透扩散的动力随之提升，在Na2SO4溶液分别为S1、S10的质量浓度下测试试件的抗折强度。

Na2SO4质量浓度为S1时，试件的抗折强度损失率跟随侵蚀时间的增长缓慢上升，Na2SO4质量浓度为S10时，试件的抗折强度损失率跟随侵蚀时间的增长快速上升。由此可见，Na2SO4溶液浓度越高，试件强度的损伤趋势越明显。

侵蚀介质的类型也会直接影响试件的强度损伤机理，尤其是在干湿循环情况下，试件内部的硫酸盐介质存在循环溶解结晶情况，为此对比侵蚀溶液分别为Na2SO4与MgSO4情况下试件的抗折强度。

60d之前，试件在两种溶液中的抗折强度损失率几乎完全重合，且变化不大，但在60d之后，两种溶液中的试件抗折强度损失率均快速上升，并且Na2SO4溶液中的抗折强度损失率大于MgSO4溶液，原因是Na2SO4与MgSO4结晶分别析出Na2SO4·10H2O、MgSO4·7H2O，但是前者为直接，后者则是间接，可知Na2SO4溶液的损伤能力较高，该溶液侵蚀下试件具有较高的抗折强度损失率。

4 结论

添加防腐剂的混凝土可有效屈服于各项混凝土指标，在当前阶段，由于混凝土应用的广泛性，其强度的损伤必不可免，文章研究硫酸盐侵蚀下混凝土强度的损伤机理，得出结论如下：

（1）结合硫酸盐环境与干湿循环情况可以看出，混凝土的强度呈先提升后下降的变化趋势，主要原因是混凝土本身的强度变化以及周围环境恶化的共同作用；

（2）即使添加防腐剂可以提升混凝土抗蚀系数，但相对MgSO4溶液，富含钠介质硫酸盐引起混凝土强度损伤更严重。