在混凝土中氯鹽對硫酸根離子擴散性能的影響

陳小琴CHEN Xiao-qin；鄭海彬ZHENG Hai-bin

（①義烏工商職業技術學院，義烏322000；②義烏市城市規劃設計研究院，義烏322000）

0 引言

我國東部有著綿長的海岸線、西北部也存在著大量的鹽漬地及鹽湖地區，這些海洋環境、鹽湖、鹽漬地環境中往往富含多種對混凝土結構能夠產生侵蝕的離子，如SO42-及Cl-1。這些地區的混凝土結構也就容易產生病害，影響建筑使用壽命。綜合國內外研究現狀可以發現，國內外對SO42-、Cl-共同腐蝕效應下的混凝土復合損傷的研究較少，例如在擴散性能方面，對于在硫酸鹽單獨侵蝕下的混凝土硫酸根離子擴散性能研究比較多[2]-[5]。但對SO42-、Cl-共同腐蝕環境中Cl-的存在及其濃度變化對硫酸根離子在混凝土內部擴散性能影響的機理和規律研究的比較少，尚需作進一步的研究。因此，本文通過試驗測試了不同腐蝕環境中硫酸根離子含量隨齡期和Cl-濃度變化而變化的規律，研究腐蝕環境中Cl-的存在及其濃度變化對硫酸根離子在混凝土內部擴散性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料 水泥采用福建省煉石牌42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑小于10mm的連續級配碎石，細骨料為閩江河砂，細度模數為2.4。

硫酸鈉粉末由天津科貿化學試劑有限公司產，分子式為Na2SO4；氯化鈉粉末由上海錦悅化工有限公司生產，分子式為NaCl。

1.2 試驗設計

1.2.1 混凝土試件 混凝土試件的成型尺寸為40mm×40mm×160mm，配合比見表1。

按照表1所示混凝土配合比制作混凝土試塊24塊，24小時后脫模，放至標準養護室（溫度20℃、濕度90%左右）養護28天。之后對試塊兩個端面進行面封蠟處理。

1.2.2 腐蝕溶液制備 按照硫酸鈉粉末、氯化鈉粉末所占質量分數的不同，配制四種腐蝕溶液（見表2），S1為SO42-單獨腐蝕環境，S2、S3、S4 為 SO42-、Cl-共同腐蝕環境。

表1 混凝土配合比

表2 腐蝕溶液

1.3 腐蝕作用下混凝土擴散性能評定指標 對進行過表面封蠟處理過的24個試塊平均分為4組，每組6塊，分別置入已配制的腐蝕機制S1～S4中，在腐蝕齡期的30d、60d、90d、120d、150d、180d，從各腐蝕機制中各取出一個混凝土試塊作為樣品以進行SO42-濃度的測定。

本次擴散試驗采用的評定混凝土擴散性能的指標為混凝土各齡期各位置SO42-濃度W(x,y,t)。

1.4 離子含量測定

離子含量的測定采用分層取樣的方法。按照圖1進行切割、編號，由于試件的對稱性，只需取樣品的 A1～A4、B2～B4、C3～C4、D4 號粉末進行離子濃度測定。SO42-離子含量（以占單位漿體的質量百分比表示）測定參照中華人民共和國國家標準《制鹽工業通用試驗方法硫酸根離子的測定》[5]（GB/T 13025.8-91）中容量法（EDTA絡合滴定法）。

圖1 樣品編號示意

2 試驗結果分析與討論

擴散試驗中各個腐蝕機制中混凝土試驗設計腐蝕齡期（180d）結束時各個位置的SO42-含量測定結果可見表3。通過對腐蝕前混凝土試塊進行取樣滴定可知試塊中SO42-初始含量為0.57%。

表3 180d時混凝土各個位置SO42-離子含量（%）

D4為擴散試驗中混凝土試塊的中心位置編號，D4處SO42-含量經時變化可以反映SO42-對混凝土的侵蝕程度，圖2對比了不同腐蝕機制中試件D4處各個腐蝕齡期的SO42-含量。

圖2 各腐蝕齡期混凝土D4處SO42-含量

①腐蝕機制S1、S2、S3、S4中混凝土試塊D4處出現SO42-離子的時間都不相同，其中S1中試塊在D4處出現SO42-的時間最早，而此時共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊在D4處的SO42-含量仍為SO42-初始濃度，說明外界的SO42-尚未侵入試塊中心。腐蝕進行的第二、第三和第五個月，共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊中心D4處分別出現了外界侵入的SO42-，且出現時SO42-離子的含量分別為0.66、0.62和0.6。在設計腐蝕齡期（180d）結束時S1中試塊在D4處SO42-含量為1.07%，均大于共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊D4處的SO42-離子含量。此時共同腐蝕機制S1、S2、S3中試塊D4處SO42-含量分別為0.74%、0.7%、0.61%。產生這些變化的主要原因是Cl-在混凝土內部的擴散速度比SO42-要快得多。這就使得在共同腐蝕環境下Cl-比SO42-能先侵入混凝土并率先與水化鋁酸三鈣反應生成膨脹性腐蝕產物水化氯鋁酸鈣填充孔隙，增大了混凝土的密實度和抗滲性，使得SO42-進入混凝土的難度加大。其次，SO42-、Cl-間的離子交互作用也會影響SO42-在混凝土內部的遷移和沉積[5]。

②無論是SO42-單獨腐蝕機制S1，還是SO42-、Cl-共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊D4處SO42-含量的經時變化趨勢均為在出現外界侵蝕的SO42-后，SO42-含量隨著時間逐漸增大，只是增大的幅度不同。例如，腐蝕機制S1中試塊D4處SO42-含量在腐蝕齡期的第90d后出現突然增大的趨勢，而出現該現象的原因在于SO42-侵蝕與水泥水化產物水化鋁酸三鈣生成的鈣礬石已經充滿孔隙，產生膨脹拉應力，使得混凝土內部出現了微裂紋加速了SO42-的侵入。然而，設計腐蝕齡期內共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊D4處SO42-含量的增長幅度卻是隨著腐蝕齡期的進行而逐漸平穩下降，這是因為在設計腐蝕齡期內，共同腐蝕機制S2、S3、S4中試塊孔隙尚未被腐蝕產物填滿，尚未產生拉應力，反而由于腐蝕產物對孔隙的填充增加了混凝土的密實度，從而增加了混凝土的抗滲性，使得SO42-離子侵入至混凝土試塊中心處D4的難度增大。

因為擴散試驗采用的試塊的對稱性，加之離子侵入方式也是對稱的，所以在腐蝕齡期結束時腐蝕機制S1、S2、S3、S4中試塊在XOZ平面表層（0～5mm）沿X方向的SO42-含量變化趨勢與在YOZ平面表層（0～5mm）沿Y方向的SO42-含量變化趨勢相同，均可用圖3表示。

從圖3可看出在設計腐蝕齡期結束時，腐蝕機制S1、S2、S3、S4 中試塊在XOZ平面表層（0～5mm）沿 X方向的 SO42-含量變化趨勢大致相同，均表現為SO42-含量隨著沿X方向深度的增加而逐漸減少。與SO42-單因素腐蝕機制S1中試塊表層沿X方向的SO42-含量相比，共同腐蝕機制S2、S3、S4中相同深度處SO42-離子含量均來得小些，分別為S1中相同深度處SO42-離子含量的68%～70%、63%～65%以及55%～57%。

圖3 SO42-含量隨深度變化趨勢

3 結論

①Cl-存在并沒有改變SO42-在混凝土內的擴散規律，SO42-含量仍是隨著混凝土深度的增大而減小。但是在腐蝕早期，Cl-的存在能夠減緩SO42-侵入混凝土的速度，并推遲了SO42-進入混凝土內部中心區的時間。所以，SO42-、Cl-共同腐蝕環境有利于減緩SO42-在混凝土內部的擴散。

②同一深度，隨著時間的發展，SO42-含量逐漸增大。同樣，Cl-的存在能夠降低SO42-含量隨時間增長的幅度，且Cl-濃度越大，這種降低作用越顯著。

[1]盧木.混凝土耐久性研究現狀和研究方向[J].工業建筑，1997(5).

[2]N.J.Crammond..The thaumasite form of sulfate attack in the UK[J].Cement and Concrete Composite,2003,25（8）:809-818.

[3]湯海昌.硫酸鹽侵蝕下混凝土的耐久性分析[D].南京:南京理工大學,2008：6.

[4]趙順波,楊曉明.受侵蝕混凝土內硫酸根離子擴散及分布規律試驗研究[J].中國港灣建設,2009,3.

[5]董必欽,羅帥,刑鋒.多因素作用對混凝土硫酸鹽腐蝕的影響研究[J].混凝土,2007,3:33-36.

[6]中華人民共和國國家技術監督局.GB/T 13025.8-91，中華人民共和國國家標準——制鹽工業通用試驗方法硫酸根離子的測定[S].中國標準出版社，1991-07-03.