受污染河水中堿金屬離子對混凝土的影響

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

經濟的快速發展給生態環境造成了嚴重的污染，以黃河為例，沿線重工業城市眾多，這些城市的工業污水體量龐大，污水處理廠排泄的污水金屬離子含量遠遠高于自然河水，其中金屬離子大部分來源于原污染水體，小部分來源于污水處理過程中投入的化學除磷混凝劑。且部分城市仍未實現雨污分流，部分污染水直接排入河中。另一方面，從面污染的角度講，黃河經過寧夏平原、河套平原等灌溉區，其采用的漫灌形式，帶入大量的氮磷鉀離子；污染廢氣離子、汽車尾氣及粉塵等離子經雨水匯流(部分為凝結核，雨水中自帶；另一部分為沉積在地表，雨水沖刷)進入黃河，同樣也是河水中重金屬離子的重要來源之一。黃河水中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+等各種堿金屬離子逐年快速增加，已有水文監測資料發現黃河水明顯呈堿性，pH值為8.3～8.5(頭道拐水文監測站)。黃河上的眾多跨河橋梁、閘壩、防汛墻等基礎工程，部分混凝土結構常年浸泡在污染河水中，造成建筑物質量下降等問題。據統計，中國1782座大型病險水閘中，73.2%存在混凝土老化問題。研究表明：淡水河水中的堿金屬離子對混凝土的侵蝕作用是影響混凝土耐久性的主要因素。研究堿金屬離子對浸泡在其中的混凝土的侵蝕作用對評價混凝土的耐久性，指導工程實際具有重要意義。本文設計試驗，分別采用復合離子溶液、單陽離子溶液和雙陽離子溶液三類溶液浸泡混凝土試件，通過對比分析各組試驗的觀察現象和監測資料，評價堿金屬離子對混凝土材料的侵蝕作用。

1 試驗設計

1.1 試驗工況

試驗設計三類溶液：復合離子溶液、單陽離子溶液和雙陽離子溶液，分析不同溶液對混凝土的作用。單陽離子溶液含不同濃度組，檢測浸泡溶液濃度的影響。清水浸泡組作為對照組，同時進行試驗。具體工況見表1。

1.2 混凝土試件

試驗中使用的混凝土試件為直徑150mm、高300mm的圓柱體試件，采用混凝土的配合比見表2。

表1 試驗工況

表2 混凝土配合比

為使浸泡溶液中的堿金屬離子快速滲透進入混凝土試件，將混凝土圓柱體切為3cm厚的圓片。混凝土使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，骨料和粗砂均來自周圍料場，為低堿活性骨料。

1.3 堿金屬離子溶液

以黃河頭道拐監測站監測資料為基礎，設計堿金屬離子溶液。為排除其他離子干擾，全部采取氯鹽帶入。頭道拐1975—2000年平均離子含量見表3。

表3 黃河水頭道拐站各離子含量

對于單陽離子溶液組和雙陽離子組濃度采用2N(當量濃度，對于MgCl2、CaCl2,1N=0.5mol/L,對于NaCl、KCl，1N=1mol/L)，各工況離子溶液濃度見表4。

表4 試驗組堿性溶液離子含量 單位：g/L

續表

1.4 試件養護及試驗過程

混凝土試件澆筑成型自然養護1天，拆模并放入養護室養護28天，養護室溫度為(20±5)℃，相對濕度為95%。之后將混凝土切片，大約每隔60°做測量標記，浸泡在配置好的溶液中，以浸泡時為試驗時間起點，測量其混凝土體積變化并觀測試驗現象。

2 試驗結果及分析

2.1 不同離子濃度對混凝土的影響

F1至F4組試件及對照組W組試件在浸泡70天時其混凝土表面照片見圖1。

圖1 F1～F4及對照組試驗照片

從圖1可以看出，對照組W組混凝土表面十分干凈，無明顯變化；而從F1到F4組混凝土試件砂漿部分顏色明顯變白，F3組和F4組混凝土表面有白色、具有滑膩感的物質析出。并且隨著濃度的升高，砂漿部分顏色越來越白。其中F4組混凝土表面在試驗過程中觀察到明顯的氣泡，說明其反應比較劇烈。上述試驗現象都表明，堿金屬離子濃度越大，對混凝土的侵蝕作用速率越快。

2.2 不同陽離子對混凝土的影響

不同的堿金屬離子與混凝土材料的化學作用存在不同，根據D1至D4組試驗數據分析不同堿金屬離子對混凝土的影響。每組試件三個觀測數據平均后減去對照組W組觀測平均值，去除其他因素的影響，處理后結果見圖2。

圖2 不同陽離子對混凝土的影響

從圖2可以看出，浸泡在Ca2+溶液中的混凝土試件體積膨脹最大，而且遠遠大于其他離子對體積的貢獻。在試驗進行60天時，觀測到浸泡在1mol/L CaCl2溶液中的混凝土試件出現分布裂縫，裂縫基本沿著粗骨料邊界展開，有些裂縫穿過砂漿部分連接兩個骨料。而其他離子對混凝土體積膨脹影響較小，但是Na+、K+、Mg2+、Ca2+都會對混凝土體積膨脹有所影響。

2.3 混合陽離子對混凝土的影響

通過試驗發現，不同離子組合對混凝土的影響要多于單個離子對混凝土的影響，離子組合會與混凝土發生更加復雜的反應，對混凝土性能產生影響。試驗設計S1至S6組六組試驗研究不同雙陽離子組合溶液浸泡條件下混凝土的反應情況，與對照組W組相比，去除其他因素干擾后的結果見圖3。

圖3 雙陽離子組合溶液對混凝土影響

從圖3中可以看出，混凝土在雙陽離子組溶液浸泡中，Ca2+起很重要的作用。試驗觀察發現含有Ca2+的溶液中浸泡的混凝土試件砂漿顏色比不含Ca2+的更白。只有S1組中有白色析出物質，說明Ca2+和Mg2+可以共同和混凝土發生反應。從混凝土膨脹角度講，Ca2+導致了絕大部分混凝土前期(三個月)浸泡過程的體積膨脹，而Na+、K+對混凝土體積膨脹影響次之，Mg2+對混凝土體積膨脹影響最小。S6組膨脹在后期上升迅速，說明Na+、K+在混凝土體積膨脹后期逐漸成為主要因素。

3 結論及展望

3.1 結論

綜合上述試驗現象及統計分析，本試驗結論如下：

a.Na+、K+、Mg2+、Ca2+對混凝土都有侵蝕作用，與混凝土發生反應，導致混凝土體積的膨脹。隨著經濟發展，河水中日益增加的Na+、K+、Mg2+、Ca2+對浸泡在其中的閘墩、橋墩等混凝土的侵蝕作用值得重視。

b.對于混凝土材料的體積膨脹的影響，在前期，Ca2+起主要作用，而且高濃度的Ca2+導致的混凝土體積膨脹會導致混凝土材料產生分布裂縫，對混凝土材料的力學性能有十分嚴重的影響。浸沒在河水或海水中的混凝土材料在施工剛完成時，要嚴格控制溶液中Ca2+的含量，避免產生分布裂縫。在浸泡兩個月后，Na+和K+對混凝土體積的影響逐漸變大。由于試驗時間偏短，長期Na+、K+、Mg2+、Ca2+溶液對混凝土材料性能的影響不能作出評價。

3.2 展望

Na+、K+、Mg2+、Ca2+等對混凝土的作用十分復雜，并且與周圍環境溫度等試驗條件緊密相關。設計與外界環境隔離的試驗設備，并輔以電鏡掃描等手段對于進一步研究各種離子對混凝土材料的作用意義重大。堿金屬離子對浸泡在其中的混凝土體積膨脹進程有十分重要的影響，并隨著經濟社會發展，污染河水中的堿金屬離子濃度日益增大，其影響需要引起相關部門的重視。結合本文試驗對已建、新建閘墩、橋墩等浸水混凝土結構提出以下建議：

a.建立在線監測系統，對河水中各離子含量，結構物位移、強度及變形等信息進行監測，為以后建立基于數據的智能化管理體系做好基礎。

b.已建結構，做好維護，對已經開裂部分應高度重視，在枯水季節采用彈性涂膜防水材料、聚合物水泥膏、聚合物薄膜等方式進行處理，避免堿金屬離子通過裂縫富集，接觸結構內部混凝土。

c.擬建結構，優化建筑材料選擇。選用樹脂水泥混凝土或在商品混凝土中摻加聚合物防止表面腐蝕。同時在設計過程中應避免水下范圍內出現裂縫。