地下水強酸鹽復合腐蝕環境下耐腐蝕混凝土的制備

蔣正武，趙楠，袁政成

（同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092）

地下水強酸鹽復合腐蝕環境下耐腐蝕混凝土的制備

蔣正武，趙楠，袁政成

（同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 200092）

本文模擬地下水強酸鹽復合的腐蝕環境，以抗壓強度耐蝕系數、氯離子擴散深度、質量損失率三個評價指標作為耐腐蝕性能評價指標，試驗研究強度等級、骨料巖性以及膠集比等因素對混凝土耐腐蝕性能的影響。研究表明，對給定復合膠凝材料體系，提高混凝土強度等級、選擇耐腐蝕性好的骨料以及確定合適的膠集比均可以有效地提高混凝土的耐腐蝕性能。在此基礎上，優化并制備出適用于地下水強酸鹽復合腐蝕環境中的耐腐蝕混凝土。

酸鹽復合腐蝕；耐腐蝕；強度等級；巖性；膠集比

作為當今世界使用范圍最廣泛的建筑結構材料，鋼筋混凝土結構材質劣化的主要原因是耐久性不良[1,2]。地下水會對建筑物耐久性產生較為嚴重的影響，作為混凝土中最容易受到侵蝕的部分，水泥水化產物只能在堿性環境中才能穩定存在，硫酸鹽能與混凝土中的 Ca(OH)2、水化鋁酸鈣等反應形成膨脹性石膏或和鈣礬石，使混凝土構件發生剝落破壞，因此地下水環境已經成為重點工程的耐久性設計不容忽視的因素之一[3,4]。

對于硫酸鹽對混凝土抗氯離子擴散能力的影響，復合溶液中硫酸鹽的存在降低了普通混凝土的氯離子滲透深度，但增加了礦渣混凝土的滲透深度。對于氯鹽對混凝土硫酸鹽侵蝕的影響方面，雖然氯離子的存在對混凝土的硫酸鹽損傷有抑制效果，但高濃度的氯離子會形成針狀細小微粒的氯鋁酸鹽，產生較大的膨脹應力，同時氯鹽還會導致混凝土內部堿度降低，使各種水化產物進一步水解而造成溶出型腐蝕。

提高混凝土耐腐蝕性能的方法主要包括選取合適的膠凝材料、降低混凝土內部易腐蝕物質含量以及改善混凝土的孔結構，有關耐腐蝕混凝土制備的研究也逐漸增多，但主要集中在使用礦物摻合料、外加劑等以改善混凝土的耐腐蝕性能[5-7]，而涉及混凝土制備參數的研究較少。本文在大量試驗基礎上，確定了混凝土所采用的復合膠凝材料體系及其比例，從強度等級、骨料巖性以及膠集比三個方面，通過抗壓強度耐蝕系數、氯離子擴散深度、質量損失率三個評價指標探究各因素對混凝土耐腐蝕性能的影響規律，分析其耐蝕機理，并優化、制備出針對地下水強酸鹽復合腐蝕環境下的耐腐蝕性混凝土。

1　試驗

1.1原材料

試驗中水泥采用貴定海螺盤江水泥，P·O42.5；粉煤灰為黔東火力發電廠生產的 F 類Ⅱ級粉煤灰；礦渣粉為福泉市順昌建材公司生產的 S95 礦渣粉；硅灰為成都恒瑞源環保材料公司生產的硅灰；砂采用兩種機制砂，為石灰巖質機制砂和板巖巖質機制砂；碎石有兩種，為石灰巖質石子和板巖質石子；減水劑為貴州中興南友建材公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為 29%；拌合用水為上海地區自來水。

1.2試驗設置

1.2.1模擬地下水腐蝕溶液

配制模擬地下水復合腐蝕溶液（表 1），pH=2，主要含有 Na+、H+、Cl-、SO42-等離子。

1.2.2試件腐蝕

將成型后的試件標準養護 28d 后，分別放入水和模擬地下水中進行浸泡腐蝕，腐蝕溶液的 pH 值調節方法為：前兩周每三天更換一次腐蝕溶液，之后的齡期使用濃硫酸調節溶液的 pH 值。

1.2.3性能測試

試件測試性能指標包括抗壓強度、質量損失率、Cl-滲透深度。

1.2.4試驗方案

試驗探究強度等級、骨料巖性、膠集比三個因素對混凝土耐腐蝕性能的影響，根據多次試驗及研究需要，確定基準混凝土的配合比（表 2），各因素的耐腐蝕性能試驗配比在此基礎上進行調整。

（1）不同強度等級混凝土耐腐蝕性能研究

試驗配制 C30、C40 和 C50 三種強度等級的混凝土，配合比見表 2。

表2　基準混凝土配合比 kg/m3

（2）不同巖性骨料混凝土耐腐蝕性能研究

選取 C50 混凝土為研究對象，分別使用石灰巖質骨料（L組）和板巖質骨料（M 組），配合比調整見表 3。

表3　巖性對混凝土耐腐蝕性能研究的配合比

（3）膠集比對混凝土耐腐蝕性能的影響

選取 C50 混凝土為研究對象，使用石灰巖質骨料，保持混凝土容重不變，在 C50 基準配合比的基礎上進行調整，使膠集比分別為 1:4.0（J0A）、1:3.7（J1A）、1:3.4（J2A），其中 J1A 組配合比即為 C50 基準配合比，具體見表 4。

表4　膠凝材料和石灰巖質骨料用量對混凝土耐腐蝕性能影響的配合比

（4）組分及配合比優化

在此試驗研究的基礎上，選取 Y-1、Y-2 及優化后的 Y-3組，分析比較三個試驗組的耐腐蝕性能，具體見表 5。

表5　優化混凝土的試驗配合比

1.3耐腐蝕試驗評價方法

分別通過混凝土試件的抗壓強度耐蝕系數（K）、質量損失率（S）、氯離子擴散深度（D）來表征混凝土耐腐蝕性能的變化。計算公式如下：

式中：

K——抗壓強度耐蝕系數；

f腐蝕液——在模擬地下水腐蝕溶液中浸泡一定齡期后混凝土的抗壓強度，MPa；

f水溶液——在水中浸泡相同齡期混凝土的抗壓強度，MPa。

式中：

S——質量損失率；

M28(60,90)——浸泡 28d（60d, 90d）后混凝土試件的風干質量，g；

M0——標養后混凝土的風干質量，g。

此外，S 為正值時表示混凝土試件質量的增加，負值表示質量的減少。

2　結果與討論

2.1不同強度等級混凝土耐腐蝕性能

表 6 和表 7 分別表示在地下水強酸鹽復合腐蝕環境下，不同強度等級對混凝土抗壓強度耐蝕系數、氯離子擴散深度的影響。

表6　不同強度等級對混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響

從圖 1(a) 可以看出，在腐蝕的早期（28d），高強度混凝土抗壓強度耐蝕系數 K 并沒有得到改善，并存在近乎相反的變化；隨著腐蝕齡期的增長，混凝土的 K 值隨著強度的提高而呈增大的趨勢，即高強度等級混凝土在長期腐蝕條件下，其耐腐蝕性能優于低強度混凝土。在混凝土受侵蝕的初期，SO42-與水泥水化產物生成膨脹性的物質，H+溶蝕硬化砂漿表面的 Ca(OH)2晶體，生成 Ca2+與 SO42-結合生成CaSO4·2H2O，都會導致混凝土結構體系孔徑減小、密實度增加，使混凝土早期強度得到提升，而混凝土強度等級越高，其內部結構越致密，在早期受到的腐蝕較少；而后隨著腐蝕齡期的增長，結構逐漸被破壞，強度等級越高的混凝土其結構的破壞越少。

表7　不同強度等級對氯離子擴散深度的影響

圖1　不同強度等級對混凝土抗壓強度耐蝕系數（a）、氯離子擴散深度（b）的影響

表8　不同巖性的骨料對氯離子擴散深度的影響

表9　不同巖性的骨料對混凝土耐腐蝕性能的影響

圖2　巖性對混凝土抗壓強度耐蝕系數（a）、氯離子擴散深度（b）的影響

表 10 表示不同巖性的混凝土的質量損失變化。在水溶液中浸泡的試件表現為質量增加；在模擬地下水腐蝕溶液中浸泡 28d 的試件表現為質量增加，隨著齡期增長均表現為質量損失，使用板巖質骨料的混凝土的質量變化范圍大于使用石灰巖質骨料的混凝土。

在模擬地下水腐蝕溶液中，質量增加因素包括未水化膠凝材料后期的水化吸收的水、腐蝕介質（SO42-）與混凝土內物質反應形成的產物，質量損失因素包括 pH 值降低導致的水化產物分解、混凝土內部腐蝕產物結晶膨脹導致的剝落。在水溶液中浸泡時，僅存在未水化膠凝材料的進一步水化一項因素，因此試件的質量逐漸增大；而在模擬地下水腐蝕溶液中，早期除剝落之外的因素共同作用使其表現為質量增加，后期，混凝土剝落成為影響其質量變化的主要因素，因此質量損失逐漸增大。此外，與板巖相比，石灰巖更易受到腐蝕，因此在浸泡腐蝕過程質量損失更明顯。

表10　不同巖性的混凝土的質量損失變化

圖3　巖性對混凝土在不同侵蝕條件下質量損失率的影響

2.3膠集比對混凝土耐腐蝕性能的影響

表 11、表 12 和 圖 4 表示膠集比（膠凝材料和石灰巖質骨料用量的比值）對混凝土耐腐蝕性能的影響。在腐蝕溶液浸泡 28d 后，兩組試件的抗壓強度耐蝕系數 K 均較小，而隨著浸泡腐蝕齡期的增加，膠集比較小的 J2A 組混凝土的耐腐蝕性能較差。在氯離子擴散深度方面，隨著膠集比的增大，混凝土的氯離子擴散深度呈增大趨勢。

三組混凝土試件質量損失率試驗得到的結果不盡相同，原因可能在于：混凝土的強度由水化所形成的水泥石決定，氯離子擴散深度取決于混凝土的孔結構，而混凝土的質量損失率更取決于混凝土水化產物中受侵蝕的成分。

表11　膠集比對混凝土氯離子擴散深度的影響

表12　膠集比對混凝土抗壓強度耐腐蝕系數的影響

圖4　膠集比對混凝土抗壓強度耐蝕系數 (a)、氯離子擴散深度 (b) 的影響

表 13 和圖 5 表明，水溶液浸泡的混凝土試件表現為質量增加；模擬地下水腐蝕溶液中浸泡 28d 的三組混凝土均表現為質量減少；當腐蝕齡期小于 60d 時隨著膠凝材料用量的增大，混凝土的質量損失程度逐漸增大；之后隨著腐蝕齡期的進一步增長，混凝土的質量損失隨膠凝材料用量的增大而減小。

膠凝材料與石灰石質骨料均屬于混凝土中易受侵蝕的環節，在早期，膠凝材料為被侵蝕的主體部位，早期受地下水腐蝕表現為質量增加，所以在 28d 時，隨著膠凝材料用量的增大，試件質量增加呈逐漸增大的趨勢；隨著齡期的增長，骨料被腐蝕的比重增大，混凝土的質量損失隨著骨料用量的增加有增大的趨勢。

表13　膠集比對混凝土在不同侵蝕條件下質量損失率的影響

圖5　膠集比對混凝土在不同侵蝕條件下質量損失率的影響

2.4耐腐蝕混凝土的優化設計與性能

強度等級、骨料巖性以及膠集比都會對混凝土的耐腐蝕性能產生較大影響，本文提出制備耐腐蝕混凝土的關鍵思路為：（1）在滿足混凝土工作性及力學性能的情況下，提高混凝土強度等級，即降低水膠比；（2）不宜選擇石灰巖等易腐蝕的骨料；（3）控制膠集比，在滿足混凝土工作性及力學性能的情況下，盡量降低膠凝材料用量。

在上述思路的指導下，對比 Y-1、Y-2 和優化后的 Y-3 三組混凝土的耐腐蝕性能（見圖 6）。在抗壓強度耐蝕系數方面（圖 6(a)），優化后的 Y-3 組耐蝕系數在后期明顯大于其他兩組，質量損失均保持較低水平；而在水中浸泡的三組混凝土質量都呈增大的趨勢（圖 6(d)）。

3　結論

（1）通過抗壓強度耐蝕系數、氯離子擴散深度、質量損失率三個評價指標探究強度等級、骨料巖性以及膠集比對混凝土在地下水強酸鹽復合腐蝕環境中的耐腐蝕性能，結果表明混凝土的耐腐蝕性能隨強度等級的提高以及膠凝材料用量的降低而增強，且與骨料的耐腐蝕性能有著重要的關聯。

圖6　三組混凝土的耐腐蝕性能比較 (a)抗壓強度耐蝕系數、(b)氯離子擴散深度、(c)(d) 模擬地下水和水溶液中試件的質量損失率

（2）膠凝材料與石灰石質骨料均屬于混凝土中易受腐蝕的部分，在早期的腐蝕過程中，膠凝材料是被侵蝕的主體部位，且早期受地下水的腐蝕而表現為質量增加；隨著齡期的增長，石灰巖質骨料的用量是影響其質量損失的主要因素。

（3）調整混凝土的強度等級、骨料巖性以及膠集比是改善混凝土耐腐蝕性能的重要途徑，對混凝土的配合比設計優化后的 Y-3 試驗組的耐腐蝕性能明顯優于其他試驗組，抗壓強度耐腐蝕系數在 28d 為 1.15，60d 之后仍大于 1；氯離子擴散深度在 80d 齡期依然小于 3mm；在模擬地下水溶液中，其28d 的質量損失率小于 0.5% ，90d 的質量損失率為 0.35% 左右。

[1] Mehta P K, A?tcin, P.C, Principles underlying production of high-performance concrete[J]. Cement Concrete and Aggregate, 1990, 12(2): 70-78.

[2] 胡洋清，張啟美．混凝土耐久性研究與工程應用手冊[M]．北京：中國科技文化出版社， 2005．

[3] 程祖鋒．建筑基礎腐蝕性試驗與評價研究[D]．長春：吉林大學，2006．

[4] 諶會芹，李萍，程祖鋒．邯鄲市地下水對混凝土的腐蝕性評價研究[J]．河北建筑科技學院學報，2004,21(1): 19-22．

[5] 林倫，王世偉．摻合料對混凝土耐久性的影響[J]． 天津城市建設學院學報，2004,10(3): 204-207．

[6] 包全坡．C30 水下防腐蝕混凝土配合比設計及應用[J]．江蘇建筑，2012(6):47-49．

[7] 藍田．粉煤灰和減水劑在耐腐蝕混凝土中的應用[J]．廣西教育學院學報，2010(4):175-178．

［通訊地址］上海市四平路 1239 號 同濟大學材料科學與工程學院（200092）

Study on the performance and preparation of anti-corrosive concrete exposed to groundwater aggressive environment

Jiang Zhengwu, Zhao Nan, Yuan Zhengcheng
( Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In this work, anti-corrosion coefficient of compressive strength, chloride ion diffusion depth and mass change fraction were set up as the indexes to evaluate corrosion resistance of concrete under the simulation of groundwater aggressive environment, The effects of strength grade, the aggregate lithology, and binder aggregate ratio on corrosion resistance of concrete exposed to groundwater aggressive environment were studied. The results showed that for the given composition cementing material system , to increase the concrete strength grade, choose the aggregates with better corrosion resistance and the appropriate binder-aggregate ratio could effectively enhance the corrosion resistance of concrete. On that basis, and the anti-corrosive concrete was achieved by optimizing the influence factors.

groundwater aggressive corrosion; corrosion resistance; strength grade; lithology; binder-aggregate ratio

蔣正武（1974—），男，教授，博士。主要從事水泥基材料及其耐久性研究。