硫酸盐侵蚀冻融循环条件下混凝土性能研究

解学鹏

（青岛中建伟业建材有限公司，山东 青岛 266400）

1 引言

青岛沿海岸地区混凝土结构受到盐离子侵蚀和冻融循环损坏，结构的力学性能大幅下降，不利于结构的正常使用。为保障混凝土结构的稳定使用，需探讨硫酸盐侵蚀-冻融循环的具体特性，在明确机理后采取针对性的管控措施，最大限度减小外部环境对混凝土结构产生的不良影响。

2 混凝土硫酸盐侵蚀的类型及机理

受内外部化学作用，混凝土中构成水泥石的水化物变质分解，伴随剥落、溃散等问题，即化学侵蚀，侵蚀的源头包含酸类、碱类、盐类等物质，其中以硫酸盐侵蚀现象尤为严重。根据侵蚀方式的不同，分为物理侵蚀和化学侵蚀两类；从生成产物的类型来看，则有石膏型硫酸盐侵蚀、碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀等类型。

2.1 硫酸盐结晶型侵蚀

受干湿交替的影响，混凝土中的MgSO4和Na2SO4析出并结晶，产生MgSO4·7H2O、Na2SO4·10H2O，体积较之于正常状态膨胀4～5 倍，由于体积的急剧变化，混凝土出现开裂的形态变化和劣化的力学退化现象。

2.2 石膏型硫酸盐侵蚀

侵蚀溶液的SO42-超出特定范围后，原本存在于水泥石中的毛细孔由于石灰溶液的填充作用而呈饱和状态，产生石膏晶体和钙矾石晶体，体积增加1.24 倍，混凝土结构由于剧烈膨胀而受损；水泥水化期间产生CH，导致凝胶物质分解。侵蚀溶液中SO42-浓度不同所带来的影响也不尽相同，例如，SO42-浓度＜1 000 mg/L，试块有少量的粗大裂纹，关键原因在于出现硫铝酸钙型侵蚀；SO42-浓度＞1 000 mg/L，产物有硫铝酸钙和石膏，但石膏型侵蚀仅发生在SO42-浓度极高的条件下。需注意的是，由于干湿交替现象的存在，即便SO42-浓度相对较低，仍以石膏型侵蚀现象为主，原因在于水分持续蒸发，溶液含水量降低而浓度增加，逐步出现石膏结晶[1]。

2.3 钙矾石型硫酸盐侵蚀

水泥石中存在Ca（OH）2，Na2SO4或MgSO4与之接触后发生反应，产生Ca2SO4，进而与CAH10产生钙矾石，从溶液中析出，产生针状的晶体，混凝土将由于晶体吸水而持续膨胀，超过某极限值时有开裂破坏的可能。

2.4 碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀

硫酸盐溶液的温度＜15 ℃时，硫酸根与C-S-H 凝胶反应，产物为碳硫硅钙石，无黏结特性，混凝土的强度因此而降低。同时，碳硫硅钙石具有膨胀性，随之影响混凝土的形态[2]。

3 混凝土冻融损伤的机理分析

混凝土冻融循环损坏的类型主要有如下3 类。

一是内部劣化：混凝土的水分冻结膨胀，内部产生微裂缝，且此现象在反复冻融作用下体现得更为明显。

二是表面剥蚀：内部劣化裂隙逐步显现，可见混凝土产生裂缝且数量增加、影响范围扩大，最终引起剥离现象。

三是崩裂破坏：混凝土孔隙水饱和度较高，环境温度较低时有冻结现象，导致混凝土的体积增加，出现崩裂破坏。

导致混凝土受冻破坏的原因错综复杂，其中颇具代表性的是静水压假说和渗透压假说。

静水压假说：混凝土中存在丰富的孔隙，各自的孔径存在差异，但不同类型孔隙带来的影响机制不尽相同，其中以毛细孔尤为突出，原因在于其会对混凝土的抗冻性造成影响。水固结成冰后，体积膨胀9%，部分尚未固结的孔溶液发生向外迁移的移动路径，在此过程中产生静水压力，若此部分力的作用超过混凝土抗拉强度，将导致结构破坏。气泡间距、结冰时冷却速度、可冻水含量均会影响静水压力[3]。

渗透压假说：未冻溶液中盐的浓度由于大孔中部分溶液结冰而升高，与周边小孔隙的溶液存在浓度差，部分结冰的大孔中将有一定量小孔中的溶液汇聚于此，产生渗透压。部分孔溶液的浓度为零，相比冰的饱和蒸汽压而言，水的饱和蒸汽压更高，与此同时部分冻结的大孔溶液持续接收到源自小孔中的溶液，加剧渗透压现象。待实际渗透压超过混凝土抗拉强度时，混凝土结构将由于压力作用而受损。

4 试验方案

4.1 工程概况

某海水养殖工程，受高盐侵蚀和冻融循环的影响，水工混凝土结构表面有开裂、剥落等问题，坝体开裂迫使工程结构的稳定性降低，部分水池结构损伤破坏、受力性能大幅减弱，多类病害的出现均严重威胁到工程的正常运行。为保证工程的可靠性，需探明硫酸盐侵蚀和冻融循环对结构的影响，据此采取针对性的控制措施。

4.2 试验材料的选取

水泥采用P·O42.5 级水泥，细骨料采用白马河河砂，5～20 mm碎石，适配HDK-9 型冻融循环机，按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期耐久性能及耐久性能试验规程》的规定进行试验。

5 试验结果与分析

考虑水胶比、引气剂掺量、粉煤灰掺量3 项因素，探讨各自对混凝土受冻融循环和硫酸盐侵蚀作用时的影响机制，试验结果及分析如下。

5.1 水胶比产生的影响

粉煤灰掺量30%，引气剂掺量0.02%，调整混凝土用水量使水胶比分别为0.35、0.45、0.55，制备3 组试块（B1、B2、B3），安排试验。冻融循环25 次、50 次，浸泡试验10 d、20 d，按前述方法反复试验，直至达到250 次冻融循环试验或100 d 硫酸盐侵蚀为止。试验期间加强对试块的质量检测，损失量在5%以上时，随即停止试验[4]。不同水胶比试块的试验数据，如图1 所示。

图1 不同水胶比时混凝土受复合作用的力学性能变化

分析发现：B1 组试块在复合作用次数达到100 次、200 次、300 次后，试块抗压强度分别下降5.8%、15.2%、22.8%；B2、B3 组试块，在300 次复合作用下，抗压强度分别下降28.4%、32.2%。

根据试验结果可知，受冻融循环和硫酸盐侵蚀的影响，混凝土的抗压强度呈下降的变化趋势，且不同水胶比的试块其下降程度存在差异。相比之下，水胶比较小的混凝土具有更突出的力学性能。考虑到青岛沿海地区冻融、硫酸盐侵蚀的特殊性，在混凝土制备时宜考虑较小的水胶比和较高强度的要求，确保建设成型的混凝土结构在外部环境的影响下具有可靠性。

5.2 引气剂掺量产生的影响

粉煤灰掺量20%，水胶比0.45，调整引气剂掺量分别为0.01%、0.02%、0.03%、0。制备4 组试块（A1、A2、A3、A4）后，按照与上述一致的方法组织试验，测定各试块的抗压强度，结果如图2 所示。

图2 不同引气剂掺量时混凝土受复合作用的力学性能变化

分析发现：不掺引气剂的A4 试块的抗压强度下降量最大，以300 次复合作用为例，下降28.4%，且强度最低；掺加引气剂的3 组试块中，A1 试块的抗压强度下降幅度最大，例如100 次、200 次、300 次的抗压强度分别降低4.3%、15.4%、26.9%；A2 试块、A3 试块的引气剂掺量逐步增加，各自在300次复合作用下的抗压强度分别下降21.5%、20.7%，相较于A1试块在300 次的抗压强度降幅均更小，且随着引气剂用量的增加，降幅逐步缩小。

可见，混凝土试块的抗压强度在冻融循环和硫酸盐侵蚀的复合作用下有明显的下降，随着引气剂掺量的变化，混凝土的力学性能呈现出独特性，引气剂掺量增加时性能更优。考虑到青岛沿海地区冻融和硫酸盐侵蚀的特殊性，建议在混凝土制备阶段掺入适量引气剂，借助外加剂改善混凝土的性能，提升抗冻抗侵蚀能力。

5.3 粉煤灰掺量产生的影响

引气剂掺量取0.02%，水胶比0.45，调整粉煤灰掺量分别为10%、30%、50%、0。制备4 组试块（C1、C2、C3、C4）后，按照与上述一致的方法组织试验，测定各试块的抗压强度，结果如图3 所示。

图3 不同粉煤灰掺量时混凝土受复合作用的力学性能变化

分析发现：C3 组试块的抗压强度下降幅度最大，此现象的出现与粉煤灰掺量偏多有关，经过100 次、200 次作用后，C3试块的抗压强度分别降低19.3%、38.6%，次数达到300 次时抗压强度由于异常降低而低于标准值（强度降低量达到50%以上）；对于C1、C2 组试块，各自在300 次复合作用后的抗压强度分别降低29.5%、31.4%；C4 试块未掺入任何粉煤灰时，抗压强度降幅最小，在300 次时下降28.4%。

可见，混凝土试块的抗压强度在冻融循环和硫酸盐侵蚀的复合作用下有明显的下降，随着粉煤灰掺量的变化，混凝土的力学性能呈现出独特性，粉煤灰掺量增加时性能快速下降。考虑到青岛沿海地区冻融和硫酸盐侵蚀的特殊性，建议在混凝土制备阶段掺入适量粉煤灰，用于优化混凝土的力学性能，但用量的控制尤为关键，不宜超过30%。

6 结论

1）受冻融循环和硫酸盐侵蚀的影响，混凝土的力学性能发生改变，在本文的分析中，重点考虑水胶比、引气剂掺量、粉煤灰掺量对其的影响。试验采用快速冻融和硫酸盐侵蚀循环试验的方法，经各组试块力学性能的对比分析后，认为引气剂掺量对混凝土结构的力学性能有显著的影响，排于次位的是粉煤灰掺量，相较之下水胶比虽然对其产生影响但程度有限。

2）在冻融循环与硫酸盐侵蚀的作用下，粉煤灰掺量对混凝土的力学性能有尤为明显的影响。工程对混凝土有抗冻抗侵蚀要求时，掺入10%～30%的粉煤灰是可行的方式，借助适量粉煤灰促进混凝土力学性能的提升，但需严格控制粉煤灰的用量，不宜超过30%，否则混凝土的力学性能反而有下降的变化趋势，出现适得其反的局面。

3）不同工程的施工条件、质量要求存在差异，需遵循因地制宜的原则，根据具体情况做好试验与分析工作，确定对混凝土力学性能造成影响的关键因素，有的放矢地采取管控措施，经过材料的合理选择和用量的精细调节后，制备高性能的混凝土，使施工成型的结构稳定可靠。