孫振峰

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

調(diào)查顯示，中國(guó)2014年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)到21 278億元，其中海洋作為復(fù)雜而嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，混凝土中的鋼筋在海洋干濕交替區(qū)的腐蝕速率最高可以達(dá)到500μm/a，水工結(jié)構(gòu)損傷與氯離子滲透引起的鋼筋銹蝕密切相關(guān)。海水特別是濱海鹽漬土區(qū)域存在較高的硫酸根離子濃度，一般超過(guò)2 000ppm，硫酸根離子濃度較高也是加速破壞混凝土結(jié)構(gòu)的重要因素[1-3]。混凝土損傷受到陽(yáng)離子類(lèi)型、環(huán)境溫濕度以及硫酸根離子濃度的影響，如金祖權(quán)等[4]探討了混凝土損傷與氯離子-硫酸根離子的交互作用，以及混凝土硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)受溫度、氯鹽的影響；有學(xué)者研究了硫酸鹽環(huán)境下的混凝土損傷模型和離子傳輸機(jī)理[5]。研究表明[6]，海工混凝土中摻入礦粉和粉煤灰能夠提升其抗氯離子滲透性，并在海洋工程中逐漸得到應(yīng)用。然而，對(duì)海水中硫酸根離子引起的腐蝕受礦物摻合料的影響研究還較少，加之不同海洋腐蝕區(qū)域的離子濃度和溫濕度具有較大差異，對(duì)混凝土損傷造成的影響也不盡相同[7-8]。因此，深入研究硫酸鹽與混凝土反應(yīng)情況，并針對(duì)不同腐蝕區(qū)域提出有針對(duì)性的防護(hù)措施，對(duì)優(yōu)化混凝土配合比以及延長(zhǎng)水工結(jié)構(gòu)服役年限等具有重要意義。

1 試驗(yàn)研究

1.1 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用渾河P·O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用綏中發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，燒失量3.50%，礦粉為S95級(jí)，比表面積3820m2/kg；粗骨料選用5～20mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖，壓碎值12.7%，細(xì)骨料選用大凌河中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；減水劑選用蘇博特PCA-Ⅲ聚羧酸高性能減水劑，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。膠凝材料總用量450kg/m3，用水量155～160kg/m3，以礦粉和粉煤灰等量替代水泥，礦粉摻量10%、30%、50%、70%，粉煤灰摻量10%、30%、50%，新拌混凝土性能及配合比，見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

按設(shè)計(jì)配合比配制完成后將拌合物裝入100mm×100mm×100mm試模，室溫靜置24h成型后拆模放置標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d。然后取出混凝土試件，將其四周(除兩個(gè)對(duì)立面)用環(huán)氧樹(shù)脂密封，待完全干透后送至試驗(yàn)站并置于暴露站的海沙區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)。腐蝕30d、90d、150d后取回混凝土試樣，烘干試樣，分層研磨取粉，并利用分光光度計(jì)測(cè)試總硫酸根離子和自由硫酸根離子侵蝕混凝土的深度。此外，在海水和1%硫酸鈉腐蝕液中浸泡混凝土粉末，并測(cè)試浸泡前后不同齡期的離子濃度差，從而獲取腐蝕溶液中的硫酸根離子與混凝土的反應(yīng)量[9-12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物摻合料對(duì)強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到3d、7d、28d、56d時(shí)測(cè)試不同礦粉和粉煤灰摻量的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度，摻不同礦物摻合料的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖1。結(jié)果顯示，混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28～56d時(shí)礦粉混凝土抗壓強(qiáng)度增幅低于粉煤灰。摻10%～30%粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于普通混凝土，摻50%粉煤灰混凝土的56d抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土約10%。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，摻礦粉和粉煤灰能夠明顯提升混凝土流動(dòng)度。

表1 新拌混凝土性能及配合比

2.2 海洋潮汐區(qū)硫酸根離子的反應(yīng)量

分層研磨潮汐區(qū)混凝土試樣，并應(yīng)用分光光度計(jì)測(cè)試自由硫酸根和總硫酸根離子，通過(guò)計(jì)算兩者的比值獲取硫酸根離子反應(yīng)量，進(jìn)一步建立二者之間的關(guān)系，潮汐區(qū)總硫酸根與反應(yīng)硫酸根的關(guān)系(粉煤灰混凝土)，見(jiàn)圖2；潮汐區(qū)總硫酸根與反應(yīng)硫酸根的關(guān)系(礦粉混凝土)，見(jiàn)圖3。

結(jié)果表明，海洋潮汐區(qū)腐蝕混凝土的硫酸根離子反應(yīng)量與總硫酸根離子呈線性關(guān)系，經(jīng)回歸分析相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。結(jié)合線性回歸關(guān)系，可以確定海沙區(qū)和海洋潮汐區(qū)腐蝕礦粉、粉煤灰混凝土的反應(yīng)量，海沙區(qū)域潮汐區(qū)的硫酸根離子反應(yīng)量，見(jiàn)圖4。

結(jié)果顯示，海洋環(huán)境下腐蝕混凝土的硫酸根離子滲透至內(nèi)部，混凝土與超過(guò)80%以上的硫酸根離子反應(yīng)生成石膏和鈣礬石產(chǎn)物，但依然存在少量的自由態(tài)硫酸根離子。粉煤灰摻量≤30%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加硫酸根離子反應(yīng)量逐漸增大，總體處于0.96～0.98之間，粉煤灰摻量達(dá)到50%時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量減小到0.83～0.86之間。礦粉摻量>10%時(shí)，隨礦粉摻量的增加硫酸根離子反應(yīng)量持續(xù)減小，礦粉摻量達(dá)到70%時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量減小到0.89～0.95之間。因子，大摻量礦粉和粉煤灰減小了混凝土中的氫氧化鈣、水化鋁酸鈣含量等硫酸根離子反應(yīng)源，有利于減少硫酸根離子反應(yīng)量及其對(duì)混凝土的損傷[16]。

2.3 海洋腐蝕區(qū)硫酸根離子的反應(yīng)量

將J0、KF-50混凝土置于海沙區(qū)、潮汐區(qū)和海洋大氣區(qū)腐蝕150d，并測(cè)定總硫酸根和自由硫酸根濃度，總硫酸根與反應(yīng)硫酸根之間的關(guān)系，不同海洋腐蝕區(qū)帶的硫酸根離子反應(yīng)量，見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在海沙區(qū)、潮汐區(qū)和海洋大氣區(qū)J0混凝土的硫酸根反應(yīng)系數(shù)依次為0.985、0.991、0.962，KF-50混凝土的硫酸根反應(yīng)系數(shù)依次為0.937、0.942、0.896?？梢?jiàn)，在海沙區(qū)和海洋潮汐區(qū)混凝土的硫酸根離子反應(yīng)量相近，但均大于大氣區(qū)，此外J0混凝土高于KF-50混凝土的水泥摻量，所以J0混凝土的硫酸根反應(yīng)量也高于KF-50。

2.4 混凝土粉末與硫酸根離子的反應(yīng)

在1%硫酸鈉溶液和海水中浸泡J0混凝土粉末至1h、5h、12h、1d、3d、7d、28d、60d，并測(cè)試硫酸根離子浸泡前、后的濃度差，硫酸根離子反應(yīng)量與不同齡期的混凝土粉末之間的關(guān)系，不同浸泡齡期下混凝土粉末的硫酸根離子反應(yīng)量，見(jiàn)圖6。

海水浸泡初期混凝土粉末有少量硫酸根離子溶出，浸泡1d齡期時(shí)硫酸根與混凝土粉末反應(yīng)量為為1.12%，浸泡28d齡期時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量趨于穩(wěn)定達(dá)到2.5%。1%硫酸鈉溶液浸泡混凝土粉末1d時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量達(dá)到7.85%，浸泡齡期至28d時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量達(dá)到12.0%。這是由于水泥水化產(chǎn)物中含有少量的水化鋁酸鈣和大量的氫氧化鈣，為硫酸鹽與混凝土腐蝕反映提供了反應(yīng)源，所以硫酸鈉、海水腐蝕介質(zhì)與混凝土粉末接觸后快速發(fā)生反映，并很快達(dá)到平衡，這也為海洋環(huán)境下硫酸根離子與混凝土腐蝕反應(yīng)量超過(guò)80%提供了依據(jù)?？紤]到1%Na2SO4溶液和海水中的硫酸根離子濃度分別為0.68%、0.20%，所以相對(duì)于海水的硫酸根離子反應(yīng)量，硫酸鈉溶液使其4～5倍。

為進(jìn)一步探討混凝土硫酸根離子反應(yīng)受礦物摻合料的影響作用[13]，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d不同粉煤灰、礦粉摻量的混凝土試樣磨粉。然后在1%Na2SO4溶液和海水中浸泡至7d，測(cè)試其硫酸根離子反應(yīng)量，海水和硫酸鈉中混凝土粉末的根離子反應(yīng)量。

結(jié)果顯示，混凝土摻70%礦粉和50%粉煤灰時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量最小，這與實(shí)海環(huán)境測(cè)試結(jié)果保持一致。然而，采用粉末浸泡法測(cè)試的結(jié)果是實(shí)海暴露環(huán)境的3～4倍，這是由于腐蝕溶液與混凝土粉末能夠更加充分地接觸，更容易發(fā)生硫酸鹽反應(yīng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)海洋環(huán)境下腐蝕混凝土的硫酸根離子反應(yīng)量占總量的80%以上，大氣區(qū)小于海沙區(qū)的硫酸根離子反應(yīng)量，而海沙區(qū)與潮汐區(qū)基本相同。摻70%礦粉或50%粉煤灰能夠降低10%～20%的混凝土抗壓強(qiáng)度，但摻入礦物摻合料可以減少5%～15%的硫酸根離子反應(yīng)量，從而降低硫酸鹽腐蝕混凝土的風(fēng)險(xiǎn)。

2)在硫酸鈉溶液和海水中浸泡混凝土粉末，浸泡1d齡期時(shí)硫酸根離子反應(yīng)量達(dá)到50%，浸泡28d齡期時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。硫酸根離子反應(yīng)量受礦物摻合料的影響規(guī)律與實(shí)海暴露環(huán)境相同，但采用粉末浸泡法測(cè)試的結(jié)果是實(shí)海暴露環(huán)境的3～4倍。