硫酸根離子侵蝕對早齡期井壁混凝土性能的影響

張薇 郭亞紅

（華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山063210）

深埋于地層中的礦山鋼筋混凝土立井深，由于復雜的地質條件和環境因素影響，井筒連接地表與井下生產系統，安全性至關重要。井壁混凝土在澆筑以及使用的過程中無法避免的會產生可見的裂縫或者不可見的微裂縫，同時還要受凍結壓力、自重、永久地壓、滲水侵蝕破壞等因素的共同作用，易使井壁混凝土產生早期損傷，導致耐久性下降，縮短使用壽命，危害井筒安全。更為嚴重的是，許多礦井位于地下水豐富、而地下水又富含硫酸根離子等侵蝕性介質的區域，含有等離子的水進入混凝土會引起一系列化學反應，造成混凝土井壁的腐蝕破壞，從而導致混凝土強度和耐久性的快速降低，大大縮短了井壁的使用壽命[1-3]。因此，為了保證混凝土井壁在服役年限內的安全性，必須考慮“有害離子”的作用，以及“工作應力”和“有害離子”腐蝕共同作用對井壁耐久性和可靠性的共同影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用冀東牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能如表1所示。試驗采用細度模數2.6的細集料，Ⅱ區天然中砂，試驗用碎石為5～20mm連續級配，Ⅱ級粉煤灰，礦粉密度為2.89，比表面積為，燒失量為1.6%，試驗用水為自來水。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 混凝土配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）及多次試配，確定試驗用配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比（3kg/m）

1.3 試驗方法

1.硫酸鹽腐蝕試驗。根據表2所示的混凝土配合比，制備井壁混凝土試塊（3個混凝土試塊為1組），單個試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，硫酸鹽腐蝕環境采溶液，腐蝕溶液按體積比1:1配制，溶質質量分數為5%、10%、15%、20%，試劑采用天津市光復科技發展有限公司生產的分析純無水硫酸鈉，分子式，分子量142.04，含量不少于99.0%。試驗以清水養護作為基準組，試驗組分別從3d、7d齡期開始浸泡在不同濃度的溶液中，浸泡至28d齡期時測定混凝土的抗壓強度。

2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合試驗。試驗所施加荷載分為豎向連續荷載，采用自制的連續加載裝置，加載比例為10%、20%、30%、40%，腐蝕溶液為15%溶液，試驗以清水養護作為基準組，試驗組分別從3d、7d齡期開始施加不同比例的豎向荷載，同時浸泡在溶液濃度為15%溶液中，浸泡至28d齡期時測定混凝土的抗壓強度。

2 試驗結果

2.1 硫酸鹽腐蝕后早齡期28d抗壓強度測定結果及分析

試驗采用液壓式壓力試驗機測定混凝土28d抗壓強度，測試結果如表3和圖2所示。

圖1 連續荷載加壓裝置

表3 Na2S O4溶液腐蝕后混凝土28d抗壓強度（MPa）

圖2 硫酸鹽腐蝕后混凝土28d抗壓強度

結論：1.養護齡期為3d和7d后早齡期混凝土受Na2S O4溶液腐蝕后，混凝土28d抗壓強度均高于清水中養護的混凝土28d抗壓強度；2.Na2S O4腐蝕后早齡期混凝土28d抗壓強度隨Na2S O4溶液濃度的增加而增大；3.同一Na2S O4溶液濃度下，清水養護至7d腐蝕的混凝土28d抗壓強度低于于養護至3d腐蝕的混凝土28d的抗壓強度。

早齡期混凝土水化反應快速進行，混凝土孔隙率隨養護時間的延長而降低，養護至3d的早齡期混凝土試塊較養護至7d的早齡期混凝土內部孔隙率較高，受Na2S O4溶液腐蝕后，滲入早齡期混凝土內部，與水泥水化產物發生化學反應，加速水化反應的進行，同時生成的產物迅速填充早齡期混凝土內部孔隙，使早齡期混凝土密實度增加，從而提高早齡期混凝土的28d抗壓強度；隨著硫酸鹽溶液濃度的增加，硫酸鹽腐蝕速率加快，生成的腐蝕產物越多，填充早齡期混凝土內部孔隙，使早齡期混凝土密實度越高，混凝土28d抗壓強度增大。

2.2 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用下早齡期混凝土28d抗壓強度測定結果及分析

試驗采用液壓式壓力試驗機測定混凝土28d抗壓強度，測試結果如表4和圖3所示。

表4 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用混凝土28d抗壓強度

結論：1.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，隨著加載比例的增加，混凝土28d抗壓強度先增加后減小，且均大于清水養護的混凝土28d抗壓強度。2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，當荷載加載比例為10%、20%、30%時，養護至3d的混凝土28d抗壓強度均高于同一荷載加載比例下養護至7d的混凝土28d抗壓強度高，當荷載加載比例為40%時，養護至3d的混凝土28d抗壓強度低于養護至7d的混凝土28d抗壓強度低，且均高于清水養護的混凝土28d抗壓強度。

荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，在一定加載比例范圍內，持續荷載作用使混凝土內部產生微裂縫，為的滲入提供通道，承受耦合作用時間越早，混凝土內部越多，反應產物越多，從而使混凝土28d抗壓強度越大；當荷載加載比例為40%時，由于荷載較大，產生的微裂縫迅速增加，生成的腐蝕產物不足以完全填充混凝土內部因荷載產生的微裂縫時，導致混凝土28d抗壓強度降低[4]。

圖3 荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用下混凝土28d抗壓強度

3 結論

1.當Na2S O4溶液濃度為0%～20%時，隨著Na2S O4溶液濃度的增加，混凝土28d抗壓強度增大，且均大于清水中養護28d混凝土抗壓強度；相同硫酸鹽溶液濃度腐蝕下，養護至3d的混凝土28d抗壓強度大于養護至7d的混凝土28d抗壓強度。

2.荷載-硫酸鹽腐蝕耦合作用時，持續荷載作用加速侵蝕性離子的進入，加速反應產物的生成，從而提高混凝土28d抗壓強度。