受硫酸鹽侵蝕水工混凝土耐久性影響因素試驗分析

于洪亮

（河北省遵化市水利局，河北 遵化 064200）

調查顯示，我國約69%的鹽漬土都集中分布于西北地區[1]。強腐蝕條件下的水工混凝土易受化學侵蝕、物理結晶等多重作用發生破壞，使水工結構承載力明顯下降，后期維護成本增加，甚至對工程使用年限造成嚴重影響。對于多孔非均質水工混凝土，硫酸根離子的滲入會與其內部特定成分反應生成體積膨脹的難溶礦物，這些礦物可以促進C-S-H 凝膠、氫氧化鈣等水化產物的溶出或分解，降低混凝土的粘結性及其強度[2-3]。為解決富硫酸鹽環境下的水工結構侵蝕破壞問題，許多學者從不同角度研究探討了其侵蝕作用機理，但與其它比較常見的劣化行為相比仍需進一步完善硫酸鹽的傳輸過程及其腐蝕機理。

近年來，我國諸多學者探討了硫酸鹽侵蝕條件下侵蝕方式和水膠比等因素對混凝土性能的影響，如趙高文等探討了不同侵蝕方式下灌注樁混凝土的SO42-傳輸模型及其劣化機理；劉紅娟等利用X 射線衍射(XRD)、SEM 掃描電鏡硫酸鋇沉淀等方法，研究了硫酸鹽侵蝕對鋼纖維混凝土影響；呂瑤等通過快速硫化試驗分析水工混凝土的硫化程度，并提出硫化程度計算模型；劉迎召等研究分析了干濕循環與硫酸鹽侵蝕下混凝土損傷機理，結果顯示混凝土損傷層厚度隨干濕循環次數的增加而增大，超聲波在損傷層中的傳播速度減小且降幅逐漸加快，硫酸鹽濃度越高則損傷越嚴重[4-5]。一般地，水利工程的結構部位不同，其所處的環境及混凝土配合比也不同，故分析耐久性影響因素及硫酸鹽侵蝕機理顯得非常重要。

我國北方寒冷地區，因特殊的氣候環境水工混凝土長期遭受硫酸鹽侵蝕作用，這對水利工程的安全運行和服役壽命造成了嚴重影響。因此，為了探究水工混凝土受不同處理時間、硫酸鹽濃度和水膠比等因素的影響，進一步揭示其侵蝕機理，試驗設計2 種水膠比、3 種硫酸鹽濃度和不同處理時間，探究離子擴散系數、動彈模量和軸心抗壓強度的經時變化，為優化混凝土配合比及改善材料的使用性能提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 方案設計

根據水利工程的結構特征及其所處的地質條件，通過土壤中鹽分的測試明確硫酸鹽侵蝕介質，這也是導致混凝土耐久性下降的重要因素。試驗設計C30、C40 兩種強度等級和3 種硫酸鹽濃度，通過測試不同浸泡時間的水工混凝土動彈模量、劈拉強度及離子滲透系數，揭示硫酸鹽侵蝕機理，可以為工程結構的長效穩定運行提供一定指導。

1.2 試驗方法

結合實際情況可知，水工混凝土受硫酸鹽侵蝕是一個復雜而緩慢的過程。為了確保工程結構的安全可靠運行，在硫酸鹽溶液中浸入混凝土試樣，以此模擬實際侵蝕環境，主要試驗流程如下：首先，在標養條件下養護28d，及時測定各組試件的有關參數；然后在清水中浸泡3d，保證混凝土處于保水狀態，試驗測定該條件下的參數；最后，在硫酸鹽溶液中浸泡混凝土試件7d，觀測并記錄試驗參數，再在自然環境中晾曬3d，重復以上過程。

試驗過程中，為保證Na2SO4溶液濃度不變每3d 更換一次溶液，在試驗箱表面覆蓋塑料薄膜以減少水分蒸發。按照不同實驗條件將處理好的試件劃分成6 組，設計C30、C40 強度等級和0%、2%、5%硫酸鈉溶液。

將養護至規定齡期的試塊分組浸入2%、5%、10%Na2SO4溶液，保持液面與試塊上表面距離≥20mm。參照《水工混凝土試驗規程》，采用YES-2000 型數顯式壓力試驗機和IMC 系統測定水工混凝土的實時抗壓強度，依據《水工混凝土耐久性技術規范》和測定離子擴散系數、動彈模量等參數。

2 結果與分析

2.1 試驗數據

根據現行規范和樣品測試方法，依次測定經硫酸鹽侵蝕的6 組試件劈拉強度、經歷受壓彈性模量、抗壓強度、動彈模量和離子擴散系數，如表1 所示。其中，N3、N7、N28 依次代表3d、7d、28d 齡期，C30、C40 混凝土的水膠比為0.38 和0.32。

表1 試驗數據統計表

1）劈拉強度。水工混凝土劈拉強度受不同濃度硫酸鹽侵蝕均表現出相同趨勢，水膠比越小則劈裂強度越高。例如，C40 水工混凝土劈裂強度隨著Na2SO4溶液濃度的增加(0%、2%、5%)表現出先上升后下降的趨勢，Na2SO4溶液濃度相同時C40 的劈拉強度整體高于C30 組，說明水膠比越小則混凝土耐久性越優。

2）抗壓強度。混凝土內部疏松情況和宏觀破壞程度直接決定著其抗壓強度，不同硫酸鹽侵蝕時間下的抗壓強度變化規律與劈拉強度基本相似。具體而言，水工混凝土抗壓強度受不同濃度硫酸鹽侵蝕的變化趨勢基本相同，但各組的變幅存在一定差異。通過橫向對比發現，其它條件相同時C40 整體高于C30 抗壓強度，該變化特征主要與水膠比有關，混凝土抗壓強度受低水膠比的影響較小；隨著Na2SO4溶液濃度的增加(0%、2%、5%)，混凝土強度均表現出先上升后減小的趨勢，仍需進一步探討其侵蝕機理；C30 的抗壓強度變幅高于C40，說明水膠比越大則硫酸鹽侵蝕對混凝土強度影響越大，減小水膠比可以改善混凝土的耐久性和穩定性。

3）動彈模量。相對動彈模量反映了水工混凝土內部的密實程度及表面損傷情況，通過定量分析各組試塊的相對動彈模量，可以確定混凝土物理性質受硫酸鹽侵蝕的影響。由表1 可知，隨著Na2SO4溶液侵蝕時間的延長混凝土的動彈模量出先上升后下降的變化特征，這與相關研究結論保持一致。這是因為混凝土基體材料與初期鹽類結晶發生反應可以生成填充內部孔隙的物質，增大結構密實性，而內部鹽類結晶隨著侵蝕時間的延長逐漸膨脹析出，并導致內部結構破壞出現孔隙，表面逐漸剝落破壞。由于侵蝕產生的缺陷或微裂縫會降低水泥石的相對動彈模量，隨著硫酸鹽侵蝕時間的延長水泥漿體內部逐漸發生破壞，從而降低了相對動彈模量和致密性。

4）離子擴散系數。不同侵蝕條件會導致水工混凝土性能存在一定差異，濕潤環境下混凝土內部離子濃度較低，浸泡在硫酸鹽溶液時其內部離子濃度小于外部溶液，由于存在濃度差硫酸根離子會向內部不斷滲透，經一系列化學反應后生成不溶物，這些不溶物會堵塞內部孔隙，提高混凝土密實度；然而，干燥條件下的水分蒸發會快速提高混凝土內的離子濃度，從而使得外部離子滲入內部的難度增大，即外部和內部硫酸鹽均達到飽和狀態，混凝土內部的鹽分不斷析出，從而降低內部孔隙率，提高動彈模量。水膠比較小情況下，混凝土干燥后會使得孔隙率明顯減少，外部硫酸鹽向內部的滲入難度增大，故變幅下降。

2.2 機理分析

侵蝕初期，滲入的硫酸鹽溶液未生成足夠的侵蝕產物，此時的破壞作用還不明顯，溶液反而會進一步激發硬化水泥漿體中的膠凝材料水化，水泥石變得更加密實，從而提高了抗壓強度。隨著時間的延長，內部的侵蝕產物逐漸積累，而具有膠凝能力的C-S-H 凝膠和水化產物不斷分解，微觀結構上水泥漿體開始劣化，內部微裂縫和缺陷不斷增多，力學性能開始降低。因此，隨著浸泡時間的延長混凝土強度逐漸減少，這說明該條件下水工混凝土已發生嚴重破壞。

采用SEM 掃描電鏡觀測0.38 和0.32 兩種水膠比試件在5%Na2SO4溶液浸泡90d 的微觀結構，結果顯示C30 水工混凝土表面發現微裂縫，其整體性和密實性較差，這說明混凝土在5%Na2SO4溶液浸泡90d 時發生了破壞；C40 水工混凝土表面孔隙較少，未發現明顯裂縫，整體致密性也較好，說明硫酸鹽溶液對C40 混凝土的侵蝕破壞作用較弱。因此，減少水膠比會改善混凝土性能，并且水膠比越小則混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能越優。

3 結 論

1）水工混凝土耐久性受水膠比的影響較大，水膠比在一定程度上決定著混凝土的離子擴散系數、抗壓強度和劈拉強度，故水膠比越小則混凝土耐久性越優。

2）水工混凝土的離子擴散系數、劈拉強度等性能指標，隨著Na2SO4溶液濃度的增大表現出先上升后下降的變化趨勢，以上指標受濃度變化影響較大，而抗壓強度和動彈模量受溶液濃度的影響較小。

3）經對比分析，硫酸鹽溶液濃度超過5%將顯著影響水工混凝土的理化性能，大大降低其耐久性能，故實際工程中應合理控制有害離子濃度，通過采取有效措施切實保證混凝土的安全可靠運行。