硫酸鹽侵蝕下混凝土強度損傷機理分析

李立君 蘇笮斌 李勝龍

四川鐵科新型建材有限公司 四川 成都 610404

1 引言

進入21世紀以來，中國經濟得到快速發展，一批重要基礎設施工程項目正在興建或計劃中。在這些地方，混凝土結構經常會受到周圍環境中大氣、土壤和水中等有害介質的影響而形成劣化現象，在以上情況下，混凝土會在水化硬化之前就產生初始損傷，且初始損傷的強度較大，具體的初始損傷形式包括孔隙、孔徑以及裂縫等的增大，侵蝕環境與混凝土的接觸面在損傷其表面后迅速滲入至內部[1]，并引起化學反應，從而造成體積擴大、混凝土裂縫數量和傳遞系數增加。探討各種損傷程度水泥在海洋與西部惡劣自然環境下的腐蝕損傷情況，對于探討長壽命水泥的設計研究方法及其調控機理有著非常重大的理論意義。

本文制備混凝土試件并將其置入模擬硫酸鹽侵蝕環境內，對硫酸鹽侵蝕條件下的混凝土強度損傷情況進行全方面研究。

2 試驗設計與方法

2.1 原材料與配合比

水泥選用四川筠連西南水泥有限責任公司生產的的P.O.42.5級硅酸鹽水泥，其滿足GB175-2007規范約束；采用的天然河沙以及碎石的細度模數和最高粒徑分別是2.5和小于20mm；從四川某化工公司采用硫酸鈉（Na2SO4）試劑，其濃度是99.6%，硫酸鎂（MgSO4）試劑，其濃度是99.5%[2]。

2.2 測定防腐劑主要指標

分別采購四川某公司水劑防腐劑（樣品編號F1）、粉劑防腐劑（樣品編號F2）各一份，云南某公司水劑防腐劑（樣品編號F3）、粉劑防腐劑（樣品編號F4）各一份，貴州某公司水劑防腐劑（樣品編號F5）、粉劑防腐劑（樣品編號F6）各一份。

經對外觀和材質書的確認，樣品質量狀態見表1。

表1 試驗防腐劑表觀

2.3 試驗配合比

混凝土適配配合比采用參考G4216線屏山新市至金陽段高速公路XJ20合同段1#拌合站C30普通混凝土配合比[3]，配合比參數見表2。

表2 混凝土配合比

防腐劑類別 粉劑 液體膠材總量 372g 372g水膠比 0.45 0.45砂率 43% 43%配合比參數設計容重 2400 2400減水劑摻量 1% 1%防腐劑摻量 6% 8%

2.4 試驗方法

為研究硫酸鹽侵蝕下混凝土強度損傷機理，選擇侵蝕溶液的質量濃度是1%（S1）、10%（S10）的Na2SO4溶液。為描述Na2SO4溶液侵蝕變化過程，應用雙面侵蝕，剩余面通過E-26B型漆密封[4,5]，將完成密封的試件置入Na2SO4溶液展開干濕循環。以防止高溫烘干混凝土過程中可能出現的物理破壞與侵蝕，循環策略是浸泡7d后擦干，常溫下靜置8d，維持浸泡時的溶液的質量分數[6-8]。侵蝕混凝土試件不同時間后展開測試，利用剖面磨削機于試件表面取樣，依據GB/T 8077-2012、GB8076-2008、GB/T50080-2016、GB/T50081-2019、GBT50082-2009、GB/T17671-1999等標準多角度測試加入抗硫酸鹽防腐劑混凝土的性能[9]。并選取MgSO4溶液為對比侵蝕溶液，測試兩種溶液對試件的抗折強度的影響，處理方法同上。

2.5 硫酸鹽介質在混凝土中的滲透擴散

硫酸鹽會對混凝土產生滲透擴散的侵蝕效應，使得水泥出現軟化等情況[10]。整體擴散流程滿足擴散反應公式，表示為：

MDA-MB-231細胞在高糖DMEM培養基(含10%小牛血清及100 U/L青霉素和100 μg/L鏈霉素)，37 ℃，5% CO2飽和濕度培養箱中培養，每2天更換培養液，0.25%胰蛋白酶消化傳代。取對數生長的細胞用于后續試驗。

離子遷移速率表示為：

Na2SO4溶液的流速滿足達西定律，表示為：

在Na2SO4溶液溫度、濃度確定的情況下，的影響因素表示為：

3 試驗結果與分析

試驗采用1#拌合站材料，并參考1#拌合站C30普通混凝土配合比，對比市場上常見的防腐劑性能（F0即不加防腐劑的混凝土、F1（液體）、F2（粉體）、F3（液體）、F4（粉體）、F5（液體）、F6（粉體）。

試驗結果顯示，F0-F6共7組試驗中，混凝土工作性能基本相同。添加粉劑防腐劑后，抗蝕系數均有增長，但混凝土的抗壓強度不夠明顯，這可能與粉劑防腐劑的化學體系有關；添加水劑防腐劑后，混凝土抗壓強度略有增加，但部分抗蝕系數不滿足《混凝土抗侵蝕防腐劑》JC/T1011-2021標準（應大于0.9），這可能與水劑防腐劑中抗蝕成分溶解度有關，其中樣品編號為F1的水劑防腐劑抗蝕系數為0.9，滿足《混凝土抗侵蝕防腐劑》JC/T1011-2021標準，所以以下試驗均采用有F1防腐劑的混凝土試件展開。

硫酸鹽侵蝕下，試件的質量出現變化，主要原因包括：（1）硫酸根接觸試件出現水化，導致試件孔隙被反應生成的產物填充，從而質量提升；（2）試件表層受到侵蝕發生分解破壞，質量因剝落而降低。試件的質量經時變化情況可清晰描述出其強度損傷機理，在Na2SO4溶液分別為S1、S10的質量濃度下展開試驗。

Na2SO4質量濃度為S1時，試件的質量跟隨侵蝕時間的增長呈快速上升、緩慢變化、快速降低三個階段，Na2SO4質量濃度為S10時，試件的質量跟隨侵蝕時間的增長呈快速上升、振蕩變化、快速降低三個階段。在60d之前，硫酸鹽侵蝕試件導致其孔隙被填充，S1、S10質量濃度下的試件質量均快速提升；60-180d之間，S1濃度下的試件質量在2.40-2.45kg的區間內極小幅度的先上升后下降，S10濃度下的試件質量則是從2.45kg下降至2.40kg后又上升至2.47kg，后又在180d時兩種Na2SO4質量濃度的試件質量影響程度差異相似；180d之后，S1、S10質量濃度下的兩個試件因侵蝕試件過長導致出現砂化、剝落等情況，試件質量快速降低。

對比標養情況下與硫酸鹽侵蝕并干濕循環情況下的試件強度變化。

標養情況下試件的強度不斷上升，其主要是因為試件內存在大量水泥，其能夠與水不斷產生水化反應，試件的水泥量越大則對應水化持續時間越長，試件強度不斷提升，在水泥水化結束后，試件強度也隨之結束。侵蝕干濕循環情況下，試件強度呈先升高后下降的趨勢，60d之前，試件強度呈上升趨勢，原因是試件損傷機理無法與強度正常變化相抵，60d之后試件強度呈下降趨勢，原因是試件自身強度提升較小，在硫酸鹽侵蝕環境下又受干濕循環影響損傷嚴重，所以試件強度下降。

硫酸鹽介質在試件中的滲透擴散受其濃度影響，濃度越高則滲透擴散的動力隨之提升，在Na2SO4溶液分別為S1、S10的質量濃度下測試試件的抗折強度。

Na2SO4質量濃度為S1時，試件的抗折強度損失率跟隨侵蝕時間的增長緩慢上升，Na2SO4質量濃度為S10時，試件的抗折強度損失率跟隨侵蝕時間的增長快速上升。由此可見，Na2SO4溶液濃度越高，試件強度的損傷趨勢越明顯。

侵蝕介質的類型也會直接影響試件的強度損傷機理，尤其是在干濕循環情況下，試件內部的硫酸鹽介質存在循環溶解結晶情況，為此對比侵蝕溶液分別為Na2SO4與MgSO4情況下試件的抗折強度。

60d之前，試件在兩種溶液中的抗折強度損失率幾乎完全重合，且變化不大，但在60d之后，兩種溶液中的試件抗折強度損失率均快速上升，并且Na2SO4溶液中的抗折強度損失率大于MgSO4溶液，原因是Na2SO4與MgSO4結晶分別析出Na2SO4·10H2O、MgSO4·7H2O，但是前者為直接，后者則是間接，可知Na2SO4溶液的損傷能力較高，該溶液侵蝕下試件具有較高的抗折強度損失率。

4 結論

添加防腐劑的混凝土可有效屈服于各項混凝土指標，在當前階段，由于混凝土應用的廣泛性，其強度的損傷必不可免，文章研究硫酸鹽侵蝕下混凝土強度的損傷機理，得出結論如下：

（1）結合硫酸鹽環境與干濕循環情況可以看出，混凝土的強度呈先提升后下降的變化趨勢，主要原因是混凝土本身的強度變化以及周圍環境惡化的共同作用；

（2）即使添加防腐劑可以提升混凝土抗蝕系數，但相對MgSO4溶液，富含鈉介質硫酸鹽引起混凝土強度損傷更嚴重。