硫酸鹽腐蝕對混凝土強度的影響研究

楊冬鵬

(1. 東北大學，沈陽110004;2. 遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽110006)

我國正在進行大規模的混凝土工程建設中，對混凝土的安全性能和使用性能提出更高的要求。然而隨著混凝土結構使用環境的日益惡化，環境因素中溫度、濕度、水位變化和酸堿鹽等腐蝕介質的侵蝕，導致混凝土工程過早地出現老化危害問題，已逐漸引起土木工程界的普遍關注［1］。硫酸鹽通過地下水和空氣擴散到混凝土中，導致混凝土材料發生損傷、開裂。混凝土損傷后，抗壓強度會降低，嚴重影響混凝土的耐久性。因此如何預防和減輕硫酸鹽對混凝土的腐蝕破壞、提高混凝土的使用壽命將具有十分重要的意義。本文在試驗的基礎研究了腐蝕液的濃度、養護時間對混凝土抗壓強度影響。

1 試樣的制備

參照SL352—2006《水工混凝土試驗規程》，共制作試樣40 組，尺寸為150 mm ×150 mm ×150 mm，其中混凝土材料用量見表1。

表1 混凝土試件材料用量表

2 腐蝕方法

采用實驗室加速腐蝕的試驗方法，配制質量濃度分別為0%，5%，10%，15%的A、B、C、D 共4 組硫酸鈉溶液，將制備好的試樣在標準養護條件下養護7 d后，浸泡在配制好的溶液中，不同濃度硫酸鈉溶液中浸泡10 組試樣，之后放置在標準養護室中進行養護。

3 試驗方法

加載試驗在遼寧省水利水電勘測設計研究院的電液伺服壓力機上進行的，加載速率為0.5 MPa/s。

4 實驗結果

分別將在4 種不同濃度的硫酸鈉溶液中養護的試樣，在腐蝕0 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、240 d、270 d 后進行單軸抗壓試驗，結果如表2。

表2 不同濃度的硫酸鈉溶液腐蝕的試樣在不同腐蝕時間的抗壓強度

5 結果分析

5.1 混凝土單軸抗壓強度與養護時間以及硫酸鹽濃度的關系

不同濃度硫酸鈉溶液腐蝕的混凝土強度與齡期的關系如圖1，在硫酸鈉濃度為0 的溶液中養護的混凝土強度隨時間的推移，強度逐漸增加，在0 ～50 d內強度迅速增長，50 ～150 d內，混凝土強度增長緩慢，150 d以后混凝土強度又開始快速增長［2］。

圖1 在4 組不同濃度硫酸鹽溶液中腐蝕的混凝土強度與腐蝕時間的關系圖

從圖1 中可以發現，混凝土試樣的抗壓強度隨時間的變化趨勢分為3個階段，在硫酸鈉濃度為0的溶液中腐蝕的試樣，隨著養護時間的增加，抗壓強度呈增加趨勢，在第一階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而快速增長;在第二階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而緩慢增長;在第三階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而基本保持不變。在濃度為5%、10%、15%硫酸鈉溶液中腐蝕的混凝土試樣的抗壓強度與時間的關系為:在第一階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而快速增長;在第二階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而緩慢增長;在第三階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而逐漸減低。

在第一階段內，4 組溶液中腐蝕的混凝土試樣強度均隨時間增加而快速增長，這是因為水泥發生水化發生反應，強度增加，還可以發現混凝土試樣強度與硫酸鈉溶液濃度成正比，這是因為硫酸鹽腐蝕產物石膏和鈣礬石會填充混凝土的縫隙使得混凝土更加密實，強度增加。硫酸鹽濃度越高，腐蝕混凝土的縫隙中充填的產物越多，強度越高。

在第二階段內，混凝土試樣的抗壓強度隨時間增加而緩慢增長，一方面水泥水化反應繼續進行，增加混凝土的強度，這是強度增加的有利因素;另一方面隨著腐蝕的不斷進行，混凝土中生成的腐蝕產物體積開始膨脹，造成的晶體壓力超過混凝土的抗拉強度使之開裂，這會降低混凝土的強度，這是強度增加的不利因素。在這個階段中，強度增加的有利因素要強于不利因素，因此強度隨時間緩慢增加，但是有利因素逐漸減弱，不利因素逐漸增強。硫酸鹽的濃度越低，第二階段維持的時間越長，相反，硫酸鹽的濃度越高，混凝土的最大強度越大。

在第三階段內，混凝土強度增加的不利因素要強于有利因素，混凝土的強度隨時間增加而降低。硫酸鹽濃度越高，產生的腐蝕產物越多，由膨脹而產生的開裂也就越多，因此強度降低的也就越多。

5.2 強度與應變關系

圖2 給出了混凝土在硫酸鹽濃度為15%溶液腐蝕的不同時期的應力－應變曲線，3 條曲線分別腐蝕0、90、270 d，分別代表腐蝕前期、中期、后期的典型應力－應變關系。可以發現，隨著腐蝕時間的增加，混凝土的彈性模量先增加后減小，峰值應變先減小后增加，這與強度變化關系一致，所以說適當濃度的硫酸鹽腐蝕，可以增加混凝土的前期腐蝕。

圖2 混凝土在不同腐蝕時間的應力～應變曲線

6 結 論

綜上所述，得到以下結論:①在硫酸鹽對混凝土的腐蝕前期，由于腐蝕產物，會增加混凝土的強度，硫酸鹽濃度越高增加效果越明顯;②在硫酸鹽對混凝土的腐蝕中期，混凝土強度隨時間增加而緩慢增加，硫酸鹽濃度越低，增加時間越長，但混凝土的最高強度越低;③在硫酸鹽對混凝土的腐蝕后期，混凝土強度隨時間增加而迅速降低，硫酸鹽濃度越高，混凝土強度越低越明顯;④適當濃度的硫酸鹽環境，有利于提高混凝土的力學性能。

［1］馬孝軒. 我國主要土壤對混凝土材料腐蝕性分類［J］. 混凝土與水泥制品，2003，6(12):6 －7.

［2］盧木. 混凝土耐久性研究現狀和研究方向［J］. 工業建筑，1997，27(05):1 －6.