復合荷載作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕界面機理分析

殷雨時

摘 要：混凝土抗硫酸鹽侵蝕在混凝土耐久性研究中一直是研究的重點，而混凝土在復合荷載作用下受硫酸鹽物理侵蝕的研究還是不多見。本文從實驗環節出發，通過不同齡期下混凝土的力學性質及微觀形態描述，闡釋在硫酸鹽環境下受復合荷載的混凝土試件受物-化侵蝕的劣化機理，為混凝土抗侵措施做好相應措施。

關鍵詞：復合荷載；硫酸鹽；界面；結晶；機理

我省海岸線較長，相應沿海城市也較多。總所周知，近海城市的臨海水（土）中含有大量的氯鹽和硫酸鹽，這兩種離子會對混凝土帶來不同機理的破壞。

首先氯鹽會直接和水泥基材料中的鋼筋作用，打壞鋼筋的氧化物薄膜，使得鋼筋和水泥基材料的粘聚力大大降低，使得鋼筋混凝土不再是“鋼筋混凝土”[ 1 ] [ 3 ]。

而硫酸鹽侵蝕機理，根據相關學者研究結論，解釋了與氯鹽完全不同的侵蝕機理。表現在硫酸鹽對混凝土建筑材料的化學侵蝕和物理侵蝕上。

其中關于化學侵蝕方面，相關學者通過實驗、理論推導已經研究相對系統[ 4 ]；對于硫酸鹽物理侵蝕，由于其實驗周期相對較長，短則幾個月，長則數十年，實驗工程師無法有效開展數據跟蹤，在這個領域，研究的還不很充分，尤其是復合荷載下多場耦合，相關研究結論罕為見到。

1 研究方法

1.1 原材料

實驗采用的是符合EN197-1（2000）標準的硅酸鹽水泥，粗骨料使用5～16mm的碎石作為粗骨料，選用1～4mm的河砂作為細骨料；實驗中溶液采用的是w=9.02%的硫酸鈉飽和溶液，加載方式采用的是復合式（軸壓+側彎）加載。浸泡方式為立式半裸露浸泡，實驗周期為7個月。相應齡期取為3d，20d、60d、120d、180d、210d。

1.2 混凝土力學強度、SEM、XRD檢測

對不同齡期的混凝土做抗壓強度和抗折強度實驗[ 2 ]，并在試件液面交界±30cm處，取2個高位小樣，尺寸為1cm*1cm*1cm，做SEM、XRD檢測。

120d齡期時，對混凝土強度進行檢驗。經檢測換算成相應齡期150*150*150mm3混凝土的抗壓強度為29.27MPa，抗折強度為9.2MPa，對2個高位處的小樣做電鏡SEM掃描，發現細裂縫很多，在XRD檢測中發現了大量的硫酸根離子，說明侵蝕深度已經深入到混凝土內部，且表面濃度要高于內部濃度。

2 試驗結果數據分析

取樣的混凝土經抗壓強度檢測為29.27MPa，原設計強度為C40，按照設計標號來講，強度降為原來73.18%，抗折強度降為原來88.77%。抗壓強度損失較大，抗折強度減少不多。對2個高位處的成分進行檢測，發現成分都是一樣，但是濃度卻不相同。

在液面位置處，硫酸根的含量是最低的，僅有1.35%。而在測試點兩端達到的最高，分別是2.05%、1.98%。

硫酸根含量也有如下規律，在液面一下部分，越靠近液-空交界處，硫酸根含越低，在液面處達到了最低。

而裸露在自然界外面的部分，越遠離液面處，硫酸根含量越高，這種遞增趨勢要強于前者的遞減趨勢。說明在液面以上部分，硫酸根的含量滲入已經不是浸泡式的離子擴散，而是毛細現象的物理作用。

通過SEM觀測可以發現，2個點位處的裂縫寬度不同，總體反應是液面以下裂縫較少，液面交界處以上30cm處裂縫較多，說明在復合荷載作用下，液面交界處30cm的混凝土受到的侵蝕十分嚴重，這樣的侵蝕機理不同于以往研究。

首先混凝土在立式浸泡下，混凝土由于內部孔隙結構，使得溶液內離子通過毛細孔滲入到混凝土內部，離子濃度差的作用下，混凝土表面出現硫酸鈉晶體，晶體沿著混凝土表壁開始外延，這樣的晶體并不會對混凝土產生較大損傷[ 3 ]。

而試件在復合荷載下的結構損傷，這種損傷具有加速性，且裂縫加速擴展。由于“尖角”效應，硫酸根離子容易在尖角聚合，濃度較高，進而物-化學侵蝕加速，結晶生長，漲裂混凝土。

3 結論

1）復合荷載作用下的混凝土試件在高濃度硫酸鹽作用下，物-化作用帶來的影響，使得混凝土損傷加劇，混凝土由于荷載受到的損傷遠大于鹽溶液帶來的影響。

2）硫酸鹽在液面下的侵蝕和液面上具有不同的機理，液面之下是離子的擴散作用，生成膨脹性物質導致水泥基材料強度下降，液面以上的部分由于物理侵蝕作用，硫酸根離子隨著毛細孔上升至一定高度并鹽結晶，結晶壓力使得混凝土外壁脫落，露筋嚴重。

3）混凝土內部骨料和膠凝材料界面處的尖角和不平整位置，是結晶容易生成的區域，要合理控制界面生成條件，控制硫酸鹽物理侵蝕。

參考文獻：

[1] FAN Y， ZHANG S， LUAN H. Influence of nano-clay additionon porosity of cement paste at early age[C]//Proceedings of 2011 International Conference on Mechanical， Industrial， and Manufacturing Engineering（MIME2011）.Australia；LectureNotes； in Information Technology，2011.

[2] JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程[S].

[3] 劉贊群，混凝土硫酸鹽侵蝕基本機理.[D].博士學位論文，2009.05.

[4] 金雁南，周雙喜.混凝土硫酸鹽侵蝕的類型及作用機理[J].華東交通大學學報，2006，23（5）：4-8.