硫酸鹽侵蝕下水工混凝土耐腐蝕性及力學性能特征

鄢為星

（江西鴻溢水利工程有限公司，南昌 330000）

0 引 言

硫酸鹽侵蝕是對混凝土危害最大的環境侵蝕，它滲入混凝土內部，使混凝土膨脹、開裂、剝落，如何防止混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞。針對此問題，學者們進行了多方面研究，甘磊等對硫酸鹽溶液干濕循環作用下玄武巖纖維混凝土強度演化模型進行了研究，研究結果表明：在混凝土中適量摻入玄武巖纖維，可有效減緩渡槽受硫酸鹽溶液干濕循環侵蝕的劣化進程；謝金東等對短切玄武巖纖維混凝土力學性能試驗進行了研究，研究結果表明：混凝土摻入適量的纖維，可提升混凝土的力學性能，過多摻入纖維能減小混凝土的力學性能；黃星通過對普通混凝土摻入玄武巖纖維的方式，在酸性環境下研究了混凝土的抗壓強度，研究結果表明：普通混凝土中摻入0.2%的玄武巖纖維，可提升混凝土在酸性環境下的抗壓強度和耐腐蝕性；王振山等通過耐腐蝕性能及力學性能試驗，對玄武巖纖維混凝土進行了研究，研究結果表明：適量摻入玄武巖纖維能有效提高混凝土的抗裂性能,增加混凝土的耐腐蝕性；龐建勇等通過抗硫酸鹽侵蝕試驗，對玄武巖纖維混凝土的力學性能進行了研究，研究結果表明：隨著侵蝕齡期的增加，侵蝕作用對混凝土的劈裂抗拉強度有較大影響[1-5]。

根據以上學者對玄武巖纖維混凝土的研究，文章總結了玄武巖纖維混凝土的耐腐蝕性和抗壓強度性能。通過硫酸鈉溶液模擬鹽堿環境，對摻入了不同玄武巖纖維的混凝土，進行耐腐蝕和抗壓強度試驗，分析纖維混凝土的孔隙率變化、溶液中硫酸根離子濃度及混凝土的抗壓強度。

1 項目緣由

為推動鹽堿地綜合開發，需在鹽堿地內修建水工建筑物。因地處鹽堿地區，對混凝土的耐腐蝕性和力學性能有較高的要求。對此文章制備了不同玄武巖纖維摻量混凝土，在硫酸鈉溶液環境下模擬混凝土侵蝕試驗，分析了混凝土的耐腐蝕性及抗壓性能。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本次試驗以不摻玄武巖纖維的混凝土為基準混凝土，制作基準混凝土的材料為水泥、細骨料、粗骨料、水和減水劑。水泥為P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，細骨料為優質河砂，細度模數為27，粒徑為0.25～0.5mm，粗骨料為花崗巖碎石，粒徑為5～18mm，混凝土攪拌用水為生活用水，減水劑采用萘系減水劑?；鶞驶炷恋呐浜媳热绫? 所示。

表1 基準混凝土配合比 kg/m3

文章設計5 種不同玄武巖纖維摻量的混凝土進行試驗，纖維的物理性能如表2 所示。混凝土中玄武巖纖維摻量分別為0%，0.06%，0.12%，0.18%，0.30%。

表2 玄武巖纖維物理性能

2.2 試驗方法

制備完成的混凝土試塊為立方體，尺寸長×寬×高分別為150mm×150mm×150mm。將混凝土試塊分為6 組，每組5 個，分別為不同玄武巖纖維摻量的混凝土試塊。將制備完成的混凝土試塊放入溫度為20±2℃，濕度不低于95%的養護室進行養護，養護時間≥28d，養護完所后，再對混凝土試塊進行檢測，然后取檢測合格的混凝土試塊進行試驗。將試塊分成兩組，一組放入水中，一組放入5%的硫酸鈉溶液中，將混凝土放在水中和溶液中浸泡0d、35d、70d、100d 時，觀察混凝土的腐蝕情況，并分別測量各混凝土試塊的吸水率、被腐蝕后的孔隙率以及溶液中存在的硫酸根離子的濃度，同時對混凝土進行抗壓強度試驗，并記錄試驗數據。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土的孔隙分析

在試驗過程中，在規定的時間內對水和硫酸鈉溶液中的混凝土試塊的吸水率進行測量，并根據混凝土試塊的吸水率數據，分析混凝土試塊在水和硫酸鈉溶液中的侵蝕情況，當混凝土試塊受到不同侵蝕時，混凝土的吸水率將出現不同變化。試驗測量了混凝土試塊在水和溶液中的飽和質量，然后將飽和的混凝土取出烘干，再測量混凝土烘干后的質量，通過以下公式可得混凝土的吸水率：

式中：wa為混凝土的吸水率，m1為混凝土飽和時的質量，m2為混凝土干燥時的質量。根據上述公式，在0d、35d、70d、100d 時對混凝土的孔隙率進行測量，取3 組試驗的平均值作為試驗結果，以保證試驗精確度。對浸泡在硫酸鈉溶液中玄武巖纖維混凝土進行孔隙率測量，其測量數據如表3 所示。

表3 硫酸鈉溶液中混凝土孔隙率 %

由表3 可知，普通混凝土的初始孔隙率為0.052%，在硫酸鈉溶液中浸泡100d 后，混凝土的孔隙率為0.067%，相較初始孔隙率增加了28.8%；將0.06%的玄武巖纖維摻入混凝土中，其初始孔隙率為0.05%，在硫酸鈉溶液中浸泡100d 后，混凝土的孔隙率為0.061%，相較初始孔隙率增加了22%；將0.12%的玄武巖纖維摻入混凝土中，其初始孔隙率為0.048%，在硫酸鈉溶液中浸泡100d后，混凝土的孔隙率為0.055%，相較初始孔隙率增加了14.6%；將0.30%的玄武巖纖維摻入混凝土中，其初始孔隙率為0.052%，在硫酸鈉溶液中浸泡100d 后，其孔隙率增加了34.6%。由此可知，當混凝土摻入0.12%的玄武巖纖維后，在硫酸鈉溶液中的孔隙率最小，其被腐蝕破壞的程度越小。

根據測量數據，不同玄武巖纖維摻量混凝土在水中浸泡各時間點的孔隙率如表4 所示。

由表4 可知，普通混凝土的初始孔隙率為0.051%，在水中浸泡100d 后，混凝土的孔隙率為0.056%，相較初始孔隙率增加了9.8%；將0.12%的玄武巖纖維摻入混凝土中，其初始孔隙率為0.047%，在水中浸泡100d 后，混凝土的孔隙率為0.051%，相較初始孔隙率增加了8.5%；將0.3%的玄武巖纖維摻入混凝土中，其初始孔隙率為0.054%，在水中浸泡100d 后，混凝土的孔隙率為0.06%，相較初始孔隙率增加了11.1%。對比表3 混凝土在硫酸鈉溶液中浸泡各時間點的孔隙率，浸泡在水中的孔隙率明顯小于浸泡在硫酸鈉溶液中孔隙率，隨著浸泡時間的增加，混凝土在水中浸泡的孔隙率隨著纖維摻量的增加，先增大再減小。玄武巖纖維摻量為0.12%的混凝土，在水中的孔隙率最小，其被腐蝕破壞的程度越小。

隨著硫酸鈉溶液浸泡時間增加，溶液中的玄武巖纖維混凝土孔隙率，均先減小再快速增大。纖維摻量為0.12%的混凝土在各時間點的孔隙率最小，纖維摻量為0.30%的混凝土在各時間點的孔隙率最大。在浸泡35d 后，普通混凝土與纖維摻量為0.12%的混凝土，其孔隙率變化基本一致。在0～100d 階段，纖維摻量為0.12%的混凝土孔隙率最小，纖維摻量為0.30%的混凝土的孔隙率最大。

隨著時間的增加，因浸泡在硫酸鈉溶液中的混凝土，受到鹽堿的腐蝕，在混凝土被腐蝕后，因腐蝕產生的微小物質充滿了混凝土存在的細小孔隙，混凝土內部被填充后，原本松散的結構變得結實。但隨著時間的增加，混凝土腐蝕后的產物逐漸增多，混凝土內部的孔隙開膨脹，達到一定程度后，混凝土開始產生裂縫，腐蝕后的產物越多，混凝土破壞越嚴重。

混凝土中摻入0.12%的纖維后，在硫酸鈉溶液中和在水中浸泡的孔隙率，在0～35d 階段，纖維摻量為0.12%的混凝土，在硫酸鈉溶液中的孔隙率和在水中的孔隙率基本一致，在35～100d 階段，硫酸鈉溶液中的孔隙率較在水中的孔隙率快速增大。因混凝土在硫酸鈉溶液中腐蝕的產物逐漸增多，其內部的孔隙也逐漸被填充，達到一定程度，混凝土因腐蝕產物膨脹而逐漸被破壞[6-7]。

3.2 硫酸根離子濃度分析

將浸泡在硫酸鈉溶液中100d 的不同纖維含量玄武巖纖維混凝土進行切片，研碎后放入純凈水中，測量其硫酸根離子濃度。根據試驗數據，混凝土的切片越厚，溶液中硫酸根離子的濃度越低，其中摻入了0.12%玄武巖纖維混凝土的硫酸根離子濃度變化最小，離子滲度速率最低，抗腐蝕性能力最強。玄武巖纖維摻量為0.30%的混凝土，硫酸根離子濃度變化最大，離子滲度速率最高，受腐蝕的情況越明顯。由此可知，混凝土適當的摻入玄武巖纖維，能有效的增強混凝土的耐腐蝕性能。

3.3 混凝土的抗壓強度

對浸泡在硫酸鈉溶液中和水中100d 的玄武巖纖維混凝土進行抗壓試驗，根據試驗數據，

當玄武巖纖維混凝土在硫酸鈉溶液中浸泡100d 后，隨著纖維摻量的增大，混凝土的極限承載力先增大再減小。其中纖維摻量為0.12%的混凝土承載力最大，最大值為500kN。纖維摻量為0.30%的混凝土承載力最小，最小值為360kN。由此可知，摻入了適量玄武巖纖維的混凝土，其抗壓強度較普通混凝土大。

在相同纖維摻量條件下，在水中浸泡的混凝土其抗壓強度均大于在硫酸鈉溶液中浸泡的混凝土，在相同溶液環境中，纖維摻量為0.12%的混凝土承載力最大，相較于纖維摻量為0%的混凝土，其承載力提高了17%～25%。由此可知，摻入了適量玄武巖纖維的混凝土，其抗壓強度較普通混凝土大。

4 結 論

文章對摻入了武巖纖維的混凝土進行了耐腐蝕試驗及抗壓強度試驗，分析纖維混凝土的孔隙率變化、溶液中硫酸根離子濃度及混凝土的抗壓強度，得到如下結論：

1）隨著時間的增加，硫酸鈉溶液和水中不同玄武巖纖維摻量的混凝土，孔隙率均先減小再增大。相同溶液環境條件下，纖維摻量為0.12%的混凝土的孔隙率最小，纖維摻量為0.30%的混凝土的孔隙率最大。

2）當混凝土切片厚度增大時，硫酸鈉溶液中硫酸根離子濃度逐漸降低。其中0.12%纖維摻量混凝土的硫酸根離子濃度變化最小，摻量為0.30%的纖維混凝土，硫酸根離子濃度變化最大?；炷吝m當摻入玄武巖纖維，能提高混凝土的耐腐蝕性能。

3）相同纖維摻量條件下，水中浸泡的混凝土抗壓強度均大于在硫酸鈉溶液中浸泡的混凝土，相同溶液環境中，纖維摻量為0.12%的混凝土承載力最大，纖維摻量為0.30%的混凝土承載力最小。