張興軍， 南雪麗， 宋尚霖， 欒紀(jì)昊， 唐維斌， 李榮洋

(1.甘肅省恒路交通勘察設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室；3.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；4.甘肅省高等級公路養(yǎng)護工程研究中心)

1 引言

混凝土是道路建筑結(jié)構(gòu)中常用的一種材料，其需求量大，性能要求高?；炷翗?gòu)件通常在外界工作環(huán)境下易受硫酸鹽侵蝕而產(chǎn)生破壞，其過程極為復(fù)雜，嚴(yán)重影響混凝土的性能。硫酸根離子主要以擴散或滲透的形式進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并與混凝土中的水泥發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土的工作性能降低，使用壽命減短。在中國西部鹽湖地區(qū)，鹽漬土分布廣闊，其中以硫酸鹽漬土最為普遍，位于此地區(qū)的混凝土構(gòu)件均處于硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合作用的環(huán)境中，現(xiàn)已成為影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素之一。

目前，國內(nèi)外研究者對硫酸鹽與環(huán)境共同作用下混凝土的耐久性進行了大量研究，并取得了較為滿意的成果。Kunther等與Shanahan等探究了水泥中硅酸三鈣含量以及膠凝材料中鈣硅率對混凝土抗硫酸鹽腐蝕的影響；袁曉露等研究了外界環(huán)境和硫酸鹽雙重作用下混凝土的損傷機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)促進了硫酸鹽對混凝土的劣化；Ouyang等研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液濃度對混凝土試件表面的硬化衰減程度影響較大；劉浩等對混凝土在不同環(huán)境條件下的腐蝕特征進行了研究，認為硫酸鹽侵蝕過程中產(chǎn)生的膨脹性侵蝕產(chǎn)物是混凝土劣化的主要原因。除此之外，大量研究者對混凝土中水灰比、膠砂比和外摻活性材料等因素對混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響進行了研究，并通過混凝土質(zhì)量損失、抗壓強度損失率以及微觀結(jié)構(gòu)等指標(biāo)評價了硫酸鹽環(huán)境中混凝土的耐久性能。

綜上所述，在硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用下，硫酸鹽溶液濃度與種類對混凝土劣化行為的影響研究尚不完善。因此，該文分別采用1%、5%、10%共3種濃度的Na2SO4溶液和10%MgSO4溶液進行混凝土硫酸鹽侵蝕試驗，以混凝土質(zhì)量變化、相對動彈性模量和抗壓強度耐蝕系數(shù)作為評價指標(biāo)，對混凝土劣化行為隨干濕循環(huán)侵蝕周期的變化規(guī)律進行探索。有助于進一步評估硫酸鹽與環(huán)境耦合作用下混凝土的耐久性，并為混凝土抗硫酸鹽侵蝕提供參考依據(jù)。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

(1) 普通硅酸鹽水泥：選用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能指標(biāo)及化學(xué)成分滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2) 砂：采用機制砂，其主要性能測試指標(biāo)如表1所示。

表1 機制砂的主要性能指標(biāo)

(3) 碎石：選用中粗粒徑的人工碎石作為粗骨料，并對其主要性能指標(biāo)進行測試，結(jié)果如表2所示。

表2 碎石的主要性能指標(biāo)

(4) 外加劑：選用聚羧酸高性能減水劑。

(5) 水：根據(jù)混凝土試驗拌和用水的要求，使用的拌和水不應(yīng)該對混凝土的工作性能產(chǎn)生影響，另外應(yīng)不含腐蝕性的組分，對混凝土的耐久性不會產(chǎn)生不利影響。① 選用自來水成型試件；② 選用蒸餾水進行硫酸鹽侵蝕試驗。

2.2 混凝土配合比設(shè)計

選用設(shè)計強度為C50的混凝土，其配合比設(shè)計如表3所示。

表3 C50混凝土配合比設(shè)計

2.3 試驗內(nèi)容及方法

2.3.1 硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)試驗條件

混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d后進行抗硫酸鹽侵蝕試驗。該研究所選用的試驗設(shè)備為NELD-VS830型全自動混凝土硫酸鹽侵蝕干濕循環(huán)試驗機，硫酸鹽侵蝕試驗的浸泡方式為全浸泡式。試驗操作方法如下：先提前2 d取出養(yǎng)護齡期為28 d的混凝土試件，擦干表面水分，隨后在(80±5) ℃的烘箱中烘48 h，然后將烘干冷卻后的混凝土放入試件盒中，試件之間應(yīng)保持一定距離，最后加入硫酸鹽溶液使試件完全浸泡?；炷亮蛩猁}干濕循環(huán)試驗一次循環(huán)的總時間為24 h，每15 d為一個測試周期，共持續(xù)60 d。試驗主要考察硫酸鹽濃度和種類對混凝土性能的影響，硫酸鹽溶液種類和濃度選取方案見表4。

表4 硫酸鹽溶液種類和濃度選取方案

2.3.2 評價參數(shù)測試方法

(1) 混凝土質(zhì)量變化

混凝土受硫酸鹽侵蝕后形成的膨脹性侵蝕產(chǎn)物影響，會使混凝土產(chǎn)生開裂、剝落及掉塊等現(xiàn)象，導(dǎo)致其質(zhì)量發(fā)生變化，故此依據(jù)混凝土質(zhì)量的變化規(guī)律，可以評價硫酸鹽的侵蝕作用。依據(jù)GBT 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗標(biāo)準(zhǔn)方法》，對經(jīng)過浸泡、排液、風(fēng)干、烘干及冷卻步驟后的不同侵蝕周期的混凝土試件進行質(zhì)量稱量，并根據(jù)式(1)對不同侵蝕周期下混凝土的質(zhì)量變化率進行計算：

(1)

式中：ΔWt為混凝土質(zhì)量變化率(%)；W0為未侵蝕混凝土質(zhì)量(g)；Wt為硫酸鹽侵蝕后混凝土質(zhì)量(g)；t為侵蝕時間。

(2) 混凝土相對動彈性模量

選用超聲波檢測對混凝土經(jīng)過可溶性鹽溶液侵蝕后的損傷情況進行評價。通過檢測得到的是超聲波經(jīng)過混凝土后的聲時值，為了對混凝土的損傷程度進行定量評估，需將其換算成混凝土的相對動彈性模量?；炷羷訌椥阅Ａ考跋鄬訌椥阅Ａ糠謩e按式(2)、(3)進行計算：

(2)

(3)

式中：Ed為動彈性模量；Erd為相對動彈性模量；ν為泊松比；ρ為試件密度(kg/m3)；L為試件長度(m)；t為超聲波經(jīng)過混凝土的聲時(μs)；V為傳播速度(m/s)；T0、Tt分別為混凝土經(jīng)歷腐蝕前、后的聲時(μs)。

采用如圖1所示的動彈性模量測定儀，測試了混凝土經(jīng)過0、15、30、45、60 d干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕后的動彈性模量，并計算得到混凝土的相對動彈性模量。

(3) 混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)

采用YAW4206型微控壓力機測試混凝土試塊的抗壓強度。根據(jù)式(4)計算混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)：

(4)

式中：Kf為混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)(%)；fcn為經(jīng)過n次干濕循環(huán)侵蝕后的抗壓強度(MPa)；fc0為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下混凝土的抗壓強度(MPa)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土的外觀形貌

對混凝土在不同硫酸鹽浸泡環(huán)境下經(jīng)過60 d干濕循環(huán)后的外觀形貌進行觀測，如圖1所示。

圖1 不同侵蝕環(huán)境下60 d干濕循環(huán)后混凝土的外觀形貌

從圖1可以看出：經(jīng)過60 d干濕循環(huán)后，在蒸餾水中浸泡的混凝土表面并未有明顯變化；而經(jīng)過硫酸鈉溶液侵蝕后的混凝土試件表面出現(xiàn)了不同程度的損傷，1%Na2SO4侵蝕后混凝土表面出現(xiàn)了少量的微裂縫及孔洞，5%Na2SO4侵蝕后試件表面呈現(xiàn)出嚴(yán)重的保護層剝落現(xiàn)象，但混凝土經(jīng)過10%Na2SO4侵蝕后表面產(chǎn)生的裂縫及孔洞明顯減少。由圖1(d)和(e)可以看出：與10%Na2SO4溶液中的混凝土相比，10%MgSO4溶液中混凝土表面產(chǎn)生的微裂縫及剝落現(xiàn)象并不明顯。究其原因主要是由于兩種類型的硫酸鹽侵蝕反映機理不同，其中Na2SO4溶液腐蝕形成的侵蝕產(chǎn)物會使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力增加，產(chǎn)生破壞；而MgSO4溶液與混凝土發(fā)生反應(yīng)形成的保護膜會使SO42-的滲透性減弱。因此，硫酸鎂溶液對混凝土的侵蝕破壞較硫酸鈉更為緩慢。

3.2 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律

3.2.1 硫酸鹽濃度對混凝土質(zhì)量的影響

硫酸鹽濃度不同，與水泥水化產(chǎn)物的反應(yīng)速率也不同，因此導(dǎo)致侵蝕過程中混凝土的質(zhì)量變化速率亦不相同。通過對比不同濃度硫酸鈉侵蝕條件下，混凝土經(jīng)過不同干濕循環(huán)作用后質(zhì)量的變化情況，以此來探究硫酸鹽濃度對混凝土侵蝕作用的影響。

不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土質(zhì)量變化如圖2所示。

圖2 不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土的質(zhì)量變化

由圖2可知：在60 d干濕循環(huán)周期內(nèi)，隨著Na2SO4溶液濃度的增加，混凝土質(zhì)量基本隨侵蝕周期的增加而增加。因此在60 d干濕循環(huán)周期內(nèi)，硫酸鹽侵蝕對混凝土質(zhì)量起促進作用，且隨著硫酸鹽濃度的增加而增大。這主要是由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的部分孔隙會被硫酸鹽腐蝕過程中產(chǎn)生的侵蝕產(chǎn)物所填充，使得混凝土的質(zhì)量增加。依據(jù)姜磊采用XRD和TG-DSC分析技術(shù)對混凝土侵蝕產(chǎn)物的定量分析研究，表明反應(yīng)生成的碳酸鈣和石膏的主要侵蝕產(chǎn)物造成了混凝土的質(zhì)量變化及性能劣化。該研究中5%Na2SO4溶液中的混凝土質(zhì)量增長趨勢明顯高于其他濃度，可見5%Na2SO4溶液中生成的侵蝕產(chǎn)物最多。

3.2.2 硫酸鹽種類對混凝土質(zhì)量的影響

硫酸鹽的種類不同，對混凝土質(zhì)量變化的影響也不相同。不同硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土質(zhì)量變化如圖3所示。

圖3 不同硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的質(zhì)量變化

由圖3(a)可知：隨著干濕循環(huán)侵蝕周期的增加，相同濃度的硫酸鈉和硫酸鎂溶液中混凝土質(zhì)量基本都增大；從圖3(b)中可以看出：混凝土在10%MgSO4溶液中的質(zhì)量變化率最大，且在60 d干濕循環(huán)侵蝕周期內(nèi)，硫酸鹽促進了混凝土質(zhì)量的增加。這主要是由于隨著干濕循環(huán)周期的延長，混凝土在硫酸鎂溶液中生成了大量的石膏和鈣礬石，使得硫酸鎂溶液中的混凝土質(zhì)量增長速率增加。

3.3 混凝土相對動彈性模量變化規(guī)律

3.3.1 硫酸鹽濃度對相對動彈性模量的影響

不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土相對動彈性模量變化如圖4所示。

圖4 不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土的相對動彈性模量

由圖4可知：① 混凝土動彈性模量隨侵蝕周期的增加先增大后減?。虎?經(jīng)過60 d試驗后，在1%、5%和10%Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土相對動彈性模量分別降低了3.1%、17.1%和12.2%，可見不同濃度的硫酸鈉溶液對混凝土劣化程度的影響各有差異，其中5%Na2SO4溶液對其破壞最為嚴(yán)重。這主要是因為隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，溶液中侵蝕性硫酸根離子含量增多，相同侵蝕時間內(nèi)離子進入混凝土的數(shù)量越多，侵蝕反應(yīng)愈加充分，混凝土劣化損傷程度愈為嚴(yán)重。相關(guān)文獻研究結(jié)果表明：隨著侵蝕周期的增加，在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土相對動彈性模量主要包括緩慢降低、穩(wěn)定變化和快速降低3個變化階段。該研究中混凝土在60 d侵蝕周期內(nèi)相對動彈性模量僅表現(xiàn)出第一階段的下降趨勢。在1%Na2SO4較低濃度溶液侵蝕環(huán)境下，混凝土受腐蝕程度影響較小，相對動彈性模量下降幅度更為平緩；而在5%和10%Na2SO4較高濃度溶液侵蝕環(huán)境下，混凝土腐蝕嚴(yán)重，相對動彈性模量下降幅度較大，且混凝土在濃度為5%的Na2SO4侵蝕環(huán)境下相對動彈性模量降低幅度最為明顯。

3.3.2 硫酸鹽種類對相對動彈性模量的影響

混凝土在不同硫酸鹽侵蝕環(huán)境下相對動彈性模量變化如圖5所示。

圖5 不同硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的相對動彈性模量

由圖5可知：① 混凝土在不同硫酸鹽侵蝕溶液中，動彈性模量隨侵蝕周期的增加先增大后減?。慌c10%MgSO4溶液相比，混凝土在相同濃度的硫酸鈉侵蝕環(huán)境下其劣化程度更為嚴(yán)重；② 混凝土經(jīng)過60 d不同硫酸鹽溶液腐蝕后，在10%Na2SO4和10%MgSO4侵蝕環(huán)境下相對動彈性模量分別降低了12.2%和11.7%。這是由于在MgSO4溶液侵蝕條件下生成的Mg(OH)2抑制了混凝土中SO42-的擴散，而在干濕循環(huán)交替作用下，硫酸鈉溶液中的混凝土腐蝕速度加快，破壞程度增加。

3.4 混凝土抗壓強度劣化規(guī)律

3.4.1 硫酸鹽濃度對抗壓強度的影響

不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土的抗壓強度如圖6所示。

圖6 不同濃度Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土的抗壓強度

由圖6可知:① 隨著干濕循環(huán)周期的增加，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度呈增大趨勢，而在3種濃度的Na2SO4溶液侵蝕條件下混凝土抗壓強度先增大后減小；相同侵蝕時間下，隨著Na2SO4溶液濃度的增加，抗壓強度基本呈增大趨勢，但5%Na2SO4侵蝕環(huán)境下混凝土的抗壓強度變化最為明顯；② 混凝土在3種濃度的Na2SO4浸泡溶液中的抗壓強度耐蝕系數(shù)亦隨侵蝕周期的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；經(jīng)過45 d干濕循環(huán)周期后，1%、5%和10%Na2SO4溶液中混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)分別提高了2.7%、4.7%和3.9%，而60 d干濕循環(huán)周期后混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)分別降低了1.3%、3.7%和2.8%?；炷猎诹蛩猁}侵蝕初期，隨著侵蝕時間的增加，反應(yīng)生成的侵蝕產(chǎn)物部分填充了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙，促使混凝土抗壓強度增加，并且隨著Na2SO4濃度的增高，加快了硫酸根離子侵入混凝土的滲透速度，該研究分析得到5%Na2SO4溶液對混凝土的侵蝕破壞最為嚴(yán)重。

3.4.2 硫酸鹽種類對抗壓強度的影響

選用10%Na2SO4和10%MgSO4溶液，對不同硫酸鹽侵蝕條件下混凝土的抗壓強度進行研究。圖7為不同硫酸鹽侵蝕條件下混凝土的抗壓強度。

圖7 不同硫酸侵蝕環(huán)境下混凝土的抗壓強度

由圖7可知：① 隨著侵蝕周期的增加，混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的抗壓強度基本呈增大趨勢，而在兩種類型的硫酸鹽腐蝕條件下混凝土的抗壓強度先增加后減小，并且與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的抗壓強度相比，混凝土在硫酸鹽侵蝕初期的抗壓強度更高；② 10%Na2SO4和MgSO4侵蝕環(huán)境下的混凝土，隨著侵蝕周期的增加，抗壓強度耐蝕系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化；經(jīng)過45 d侵蝕周期后，10%Na2SO4和10%MgSO4溶液中混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)分別增加了4.0%和8.2%，而60 d干濕循環(huán)后其抗壓強度耐蝕系數(shù)分別減小了2.8%和1.8%。在侵蝕初期，MgSO4溶液先與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成的Mg(OH)2保護膜覆蓋于試件表面，減少侵蝕性離子滲透到混凝土中，且該過程生成的侵蝕產(chǎn)物填充了混凝土內(nèi)部的部分孔隙，使其抗壓強度和耐腐蝕性能提高。

4 結(jié)論

(1) 在侵蝕初期，硫酸鹽溶液濃度對混凝土質(zhì)量起促進作用，混凝土質(zhì)量變化率基本隨溶液濃度的增加而增大，但5%Na2SO4對其質(zhì)量影響最為顯著；而10%MgSO4溶液使得混凝土質(zhì)量增長速率較大。

(2) 經(jīng)過60 d干濕循環(huán)后，在1%、5%和10%共3種濃度的Na2SO4溶液侵蝕條件下混凝土相對動彈性模量分別降低了3.1%、17.1%和12.2%；與10%MgSO4溶液相比，10%Na2SO4溶液對混凝土的侵蝕作用更為顯著。

(3) 隨著干濕循環(huán)周期的增加，混凝土抗壓強度劣化程度隨硫酸鹽濃度的增加而增大，且5%Na2SO4對混凝土破壞最為嚴(yán)重；與Na2SO4溶液相比，相同濃度MgSO4溶液對混凝土劣化程度影響較小。