不同腐蝕環境對海工混凝土性能影響研究

封 鑫 郝雨杭

（北京科技大學 土木與環境工程學院，北京 100083）

我國幅員遼闊，有著漫長的海岸線，海岸線上有著眾多的碼頭和港口建筑，在這些建筑物中使用量最大和最基本的工程材料就是鋼筋混凝土材料。P.K.Metha教授[1]總結世界50年混凝土耐久性狀況時認為，如果把影響混凝土耐久性的因素按重要性遞減的順序排列的話，分別是鋼筋腐蝕、凍融破壞、侵蝕環境的物理化學作用、堿集料反應等。特別是沿海及近海地區的混凝土結構，由于海洋環境對混凝土的腐蝕，導致鋼筋銹蝕而使結構發生早期損壞，喪失了結構的耐久性能，這已成為實際工程中的重要問題[2-4]。

本文研究了氯離子、硫酸根離子和凍融對大坍落度海工混凝土的影響。采用不同腐蝕環境對標準養護28d后的大坍落度海工混凝土進行腐蝕試驗，對比在不同腐蝕條件下海工混凝土的抗壓強度、氯離子含量和氯離子擴散系數。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

P.O42.5R型水泥，主要性能見表1；II級粉煤灰，需水量比99%，細度（45μm篩余）28%；萘系減水劑，含固量32.2%等。

1.2 試驗方法

表1 水泥的主要性能

采用200t萬能試驗機測定28d齡期的混凝土抗壓強度；采用CLCONT-U型氯離子含量快速測定儀測定混凝土不同部位的氯離子含量，然后根據不同腐蝕條件下混凝土對應部位的氯離子含量，確定各自的氯離子擴散系數。

1.3 混凝土配合比

表2為本試驗設計的兩種等級的大坍落度海工混凝土（坍落度為240mm）。

2 試驗結果及分析

2.1 不同腐蝕環境對海工混凝土抗壓強度的影響

圖1表示C40和C50兩種大坍落度海工混凝土在標準養護28d后經不同腐蝕環境腐蝕后強度變化的情況。可以看出，對于不同等級的大坍落度海工混凝土，單純的氯離子對其抗壓強度影響不大，氯離子是一種極強的鋼筋腐蝕因子，擴散能力很強，氯離子從混凝土表面擴散到鋼筋表面并積累到臨界含量，使鋼筋表面的鈍化膜遭受破壞，導致鋼筋腐蝕。而有硫酸根離子存在時，兩種等級的海工混凝土強度都明顯下降。混凝土在含有氯離子和硫酸根離子的復合溶液中，Cl-和SO42-是共同向混凝土內部擴散，二者都與混凝土中的鋁相反應，分別生成Frield鹽和AFt鹽[5]。當SO42-進入混凝土內部時，會與水泥石的某些組分發生化學反應，生成一些難溶的鹽類礦物，從而產生體積膨脹，當膨脹達到一定程度時，使混凝土表層開裂或軟化，最終導致構件的破壞。凍融則會再加劇Cl-和SO42-對混凝土強度的影響。

表2 混凝土配合比（kg/m 3）

圖1 海工混凝土在養護28d后經不同腐蝕環境腐蝕后的強度變化情況

圖2 不同腐蝕環境下C 50混凝土氯離子含量的對比

2.2 不同腐蝕環境對海工混凝土內部氯離子含量的影響

測定了C50這種大坍落度海工混凝土試塊在不同腐蝕模式下的氯離子含量，從腐蝕后的試塊中隨機取出一塊，敲開后在0~10mm、25mm~35mm和40mm~50mm這三個范圍段內取混凝土碎塊，挑出石子后將漿體碎塊手工研磨成粉末，然后測定對應的氯離子含量。圖2表示不同腐蝕環境下C50混凝土氯離子含量的對比。可以看出：同一試塊中由表及里的氯離子含量呈逐漸減小的趨勢，且減小的速度逐漸降低，氯離子含量在混凝土中的分布類似于指數圖像；外界氯離子濃度值越大，相應部位的氯離子含量就越大，說明外界氯離子濃度對混凝土內的氯離子含量有著正向的影響；在腐蝕初期，隨著SO42-離子的加入，相應部位的氯離子含量減小，由于模式③中相對于模式②僅多了SO42-，因此筆者認為可能是由于SO42-的存在使混凝土內部生成了膨脹性產物（產生的膨脹性產物還不足以使混凝土結構開裂破壞），填充于混凝土孔隙中，從而阻礙了氯離子在混凝土中的擴散，氯離子含量也就隨之降低。

2.3 不同腐蝕環境對海工混凝土氯離子擴散系數的影響

根據氯離子含量分布，利用Matlab程序計算氯離子擴散系數，并進行最小二乘法擬合，得到表觀氯離子擴散系數擬合值。圖3表示不同腐蝕環境下C50海工混凝土氯離子擴散系數的對比。可以看出，氯離子擴散系數的變化規律與氯離子含量一致。外界氯離子濃度值越大，氯離子擴散系數就越大，根據Fick第二定律可知，擴散速度與氯離子濃度差是成正比的，因此外界氯離子濃度值越大，混凝土內外氯離子濃度差越大，氯離子擴散進入混凝土中量就越多，擴散系數值就越大。隨著SO42-離子的加入，氯離子擴散系數減小，SO42-的存在使混凝土內部生成了膨脹性產物，填充于混凝土孔隙中，阻礙了氯離子在混凝土中進一步擴散，擴散系數也就隨之降低。

圖3 不同腐蝕環境下C 50海工混凝土氯離子擴散系數的對比

結論

（1）單純的氯離子對海工混凝土本身的抗壓強度影響不大，而有硫酸根離子存在時，混凝土強度明顯下降。

（2）試塊中由表及里的氯離子含量呈逐漸減小的趨勢，且減小的速度逐漸降低，氯離子含量在混凝土中的分布類似于指數圖像。

（3）外界氯離子濃度值越大，海工混凝土相應部位的氯離子含量和氯離子擴散系數都更大，說明外界氯離子濃度對混凝土內的氯離子含量有著正向的影響。

（4）在腐蝕初期，硫酸根離子的存在使海工混凝土內部生成了膨脹性產物，有助于減小海工混凝土相應部位的氯離子含量和氯離子擴散系數。

[1] Mehta P K. Durability of Concrete-Fifty Years of Progress? [C].//2nd International Conference on Durability. Montreal Canada,1991:1-31. (ACI SP-126).

[2] Rakesh Kumara, B. Bhattacharjee. Assessment of Permeation Quality of Concrete through Mercury Intrusion Porosimetry[J].Cement and Concrete Research. 2004, (34):321-328.

[3] 趙霄龍.寒冷地區高性能混凝土耐久性及其評價方法研究.哈爾濱工業大學博士學位論文.2001：32-37.

[4] 李淑進，趙鐵軍.混凝土的滲透性與壽命[J].海岸工程, 2001,20(2)：68-72.

[5] 金祖權，孫偉，張云升，等.氯鹽、硫酸鹽作用下高性能混凝土損傷研究[J].工業建筑，2005，35(1)：5-7.