某工程混凝土芯樣的硫酸鹽侵蝕模擬試驗(yàn)研究

邢志水 ，金瓊 ，賈文利 ，平若霏

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行客戶服務(wù)中心，天津 300000）

0 引言

混凝土硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要原因，在世界很多國(guó)家都存在硫酸鹽侵蝕破壞的工程，我國(guó)西部某工程就是其中一例。該工程地下水質(zhì)化學(xué)類型為硫酸鈉或硫酸鉀、氯化鈉或氯化鉀水，廊道內(nèi)水質(zhì)化學(xué)類型為硫酸鉀或硫酸鈉水。通過(guò)對(duì)該工程灌漿廊道內(nèi)部進(jìn)行調(diào)查，鉆芯取樣，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，揭示出造成混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的原因。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

灌漿廊道橫向貫通整個(gè)壩體，寬約3 m，兩端設(shè)立進(jìn)出口，廊道兩側(cè)修建排水溝，溝邊設(shè)置水壓表和引流管，滲漏水經(jīng)由引流管流入排水溝，低水位側(cè)整條排水溝內(nèi)都有水匯入，而高水位側(cè)排水溝從末端臺(tái)階開(kāi)始有水匯入。

灌漿廊道排水溝兩側(cè)壁侵蝕破壞較嚴(yán)重，局部多處開(kāi)裂、表面剝落，表面析出大量白色結(jié)晶鹽（圖 1）。

圖1 灌漿廊道排水溝側(cè)壁破壞及表面結(jié)晶鹽

2 現(xiàn)場(chǎng)取樣

在勘察灌漿廊道混凝土侵蝕破壞過(guò)程中，分別在灌漿廊道入口排水管、中部排水管及末端排水管等三處收集了水樣，并在灌漿廊道末端底板鉆取了混凝土芯樣，混凝土芯樣直徑為50 mm。

3 環(huán)境水分析

依據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)灌漿廊道排水管內(nèi)收集的滲漏水的化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)GB50287-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，滲漏水中SO42-離子含量為1 213.7～3 217.6 mg/L，大于500 mg/L，屬于硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕水，顯弱堿性。水樣pH測(cè)試溫度為（16±2）℃。

4 混凝土芯樣養(yǎng)護(hù)與分析

表1 灌漿廊道滲漏水化學(xué)組成和侵蝕等級(jí)

4.1 芯樣養(yǎng)護(hù)方式

將現(xiàn)場(chǎng)鉆取的混凝土芯樣進(jìn)行切割，長(zhǎng)度約為100 mm，分別放入鼓風(fēng)干燥試驗(yàn)箱，50℃條件下烘干48 h，取出后，放置至室溫，然后采用半浸泡方式，將芯樣放置在濃度為3 500 mg/L的Na2SO4溶液中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)芯樣時(shí)，選用懸吊方式，將其上半部分暴露在空氣中，下半部分浸泡在溶液中，并避免芯樣底端接觸容器底板。每15 d更換一次溶液，維持溶液濃度相對(duì)穩(wěn)定，并避免觸碰芯樣。觀察并記錄混凝土芯樣外觀變化情況，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1年。

4.2 混凝土芯樣外觀破壞

圖2為半浸泡混凝土芯樣外觀破壞情況。根據(jù)相對(duì)于液面的位置關(guān)系，可將混凝土芯樣分成上部（始終水面以上）、水位變動(dòng)區(qū)和下部（始終水面以下）三個(gè)部分。下部結(jié)構(gòu)完好，破壞主要集中在水位變動(dòng)區(qū)和上部，水位變動(dòng)區(qū)表面剝落，骨料與基體粘結(jié)力降低，松動(dòng)，上部開(kāi)裂。

圖2 半浸泡混凝土芯樣破壞情況

4.3 混凝土硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物礦物組成

圖3為半浸泡混凝土芯樣砂漿粉末XRD圖譜。半浸泡混凝土芯樣的上部、水位變動(dòng)區(qū)和底部都含有鈣礬石和石膏等硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物，底部和水位變動(dòng)區(qū)還析出了芒硝結(jié)晶鹽。

4.4 混凝土硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物分布、形貌和元素組成

圖4為混凝土試件水位變動(dòng)區(qū)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物BSEM/EDS圖?；炷猎嚰蛔儎?dòng)區(qū)內(nèi)部已被嚴(yán)重腐蝕，生成大量的腐蝕產(chǎn)物，造成漿體結(jié)構(gòu)疏松和裂紋產(chǎn)生。腐蝕產(chǎn)物主要元素為Ca、Al和S，還含有少量的C和Si，可能是鈣礬石和石膏。

圖3 半浸泡混凝土芯樣砂漿粉末XRD圖譜

圖4 混凝土試件水位變動(dòng)區(qū)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物BSEM/EDS圖

5 討論

混凝土微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為多相、非均質(zhì)和多孔，并在服役期間隨環(huán)境、氣候和荷載作用發(fā)生變化。環(huán)境水溶液接觸混凝土表面時(shí)，會(huì)在毛細(xì)孔壓力、水壓力和濃度梯度等作用下，滲透擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部。界面過(guò)渡區(qū)是混凝土內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，是離子逐漸傳輸?shù)耐ǖ馈ｂ}礬石是混凝土硫酸侵蝕引起膨脹破壞的主要因素。該工程灌漿廊道滲漏水是硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕水，在半浸泡情況下，SO42-通過(guò)混凝土裂紋、界面過(guò)渡區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)滲透到混凝土內(nèi)部，生成大量的鈣礬石和石膏等腐蝕產(chǎn)物，并析出了芒硝結(jié)晶鹽，這些膨脹型侵蝕產(chǎn)物的生成會(huì)造成裂紋擴(kuò)展，降低混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，促使侵蝕溶液進(jìn)一步向混凝土基體內(nèi)部滲透擴(kuò)散，最終在膨脹應(yīng)力作用下造成水位變化區(qū)及其以上部位混凝土開(kāi)裂、表面剝落等破壞現(xiàn)象。

6 結(jié)論

（1）灌漿廊道排水管滲漏水中SO42-離子含量為1 213.7～3 217.6 mg/L，大于 500 mg/L，屬于硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕水，顯弱堿性。

（2）半浸泡條件下養(yǎng)護(hù)的混凝土芯樣破壞主要集中在水位變動(dòng)區(qū)和上部，水位變動(dòng)區(qū)表面剝落，骨料與基體粘結(jié)力降低，松動(dòng)，上部開(kāi)裂。

（3）半浸泡混凝土芯樣水位變動(dòng)區(qū)內(nèi)部被嚴(yán)重腐蝕，生成大量的鈣礬石和石膏等腐蝕產(chǎn)物，并析出了芒硝結(jié)晶鹽，造成了漿體結(jié)構(gòu)疏松和裂紋產(chǎn)生，表面剝落以及骨料與基體之間的粘結(jié)力降低。