混凝土井壁受鹽害侵蝕后的強度損傷試驗研究

李旭絨 紀洪廣 王 軍 宋承霖

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.山東理工大學建筑工程學院 山東 淄博 255049)

混凝土井壁受鹽害侵蝕后的強度損傷試驗研究

李旭絨1紀洪廣1王 軍2宋承霖1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.山東理工大學建筑工程學院 山東 淄博 255049)

井壁混凝土結構在地下復雜環境中易受復合鹽害侵蝕。為了研究混凝土受鹽害溶液侵蝕后的抗壓強度和抗折強度的變化規律，設計制作了C70標號的高強混凝土試塊，配置了3種不同濃度的復合鹽害溶液，測定試塊經過多次復合鹽害溶液浸泡后的抗壓強度和抗折強度。試驗結果表明：高強井壁混凝土在清水和復合鹽害溶液浸泡后，抗壓強度和和抗折強度的變化趨勢不一樣。在清水環境中，兩者基本都是上升的趨勢，抗壓強度在初期其強度上升比較快，到后期逐漸趨于穩定，抗折強度在第6個月到第7個月之間有突變。 在復合鹽害溶液中，抗壓強度和抗折強度整體上符合先增大后減小的變化趨勢。腐蝕溶液濃度越大，后期下降的趨勢越快?？拐蹚姸鹊淖兓幝杀瓤箟簭姸鹊淖兓幝蓮碗s。

高強混凝土 復合鹽害 損傷

混凝土耐久性一直是科研工作者重視的研究課題，而硫酸鹽及其復雜鹽害侵蝕混凝土又是混凝土耐久性研究的一項重要內容，其影響因素是最復雜、危害性也是最大的一種環境因素的腐蝕。井壁混凝土結構長期處于地下水及土壤的腐蝕環境，接觸到對混凝土具有腐蝕作用的硫酸根離子、碳酸氫根離子、氯離子等，一些礦區的腐蝕性離子超過國家標準幾倍甚至數十倍，這些鹽害離子勢必對井壁混凝土的強度造成不同程度的下降。地下結構襯砌的混凝土在受到硫酸鹽腐蝕后，會發生一系列的物理化學反應，生成的鈣礬石和石膏等反應產物在混凝土內部隨著時間的推移積聚膨脹，致使混凝土的內部結構發生變化，從而力學性能產生劣化，甚至導致結構破壞[1-5]。目前這類對硫酸鹽侵蝕混凝土的研究比較多，對混凝土在硫酸鹽、氯鹽等單一因素或硫酸鹽與氯鹽兩種復合鹽害溶液侵蝕下性能規律的研究也比較多[6-9]，而對三類及以上復合鹽害環境下混凝土抗侵蝕規律研究較少。然而井壁混凝土所處的實際服役環境中復合鹽害占絕大多數，我國的西北、黃淮等地區的水質分析表明地下水中含有硫酸鹽、氯鹽、碳酸鹽等多種對混凝土極具侵蝕性的離子，且鹽離子含量均比較高[10]。所以，本研究針對某礦區的高強井壁混凝土受多種鹽害離子的侵蝕進行了長期的試驗研究，設計了與實際井壁混凝土相同標號的高強混凝土，配制了3種鹽害離子混合的3種濃度的溶液，對長期浸泡在鹽害溶液的高強混凝土的抗壓強度和抗折強度規律變化進行了研究，并探討了鹽害腐蝕混凝土機理，建立了強度與腐蝕時間的數學模型。

1 試驗設計與過程

1.1 試驗設計

本試驗采取了加速腐蝕的試驗方法，確定試驗中腐蝕溶液的濃度為實際地下水腐蝕性離子的20倍、40倍和60倍，溶液分別表示為S1、S2和S3。

主要原材料：①水泥，礦物摻合料粉煤灰、礦渣、硅粉；②中砂，細度模數2.6，密度2.64 g/cm3；③石子，碎石，最大粒徑10 mm；④自來水；⑤高效減水劑；⑥硫酸鈉，碳酸氫鈉，氯化鈉分析純。

C70 配合比見表1[11]，溶液濃度及含量見表2。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportion of concrete sample

表2 腐蝕溶液及濃度Table 2 Corrosion solutions and concentrations

注：S0為清水。

1.2 實驗過程

依據上述提供的配合比，制作40 mm×40 mm×160 mm 的混凝土試件196 塊，24 h后拆除模具，將4個試件放入養護箱中標準養護，其余試件在實驗室中覆蓋織物自然養護，28 d后取出，分別取標準養護和自然養護的試件各2塊測試28 d的抗壓強度和抗折強度，所得數值依次分別為81.2 MPa和9.84 MPa；73.51 MPa和7.16 MPa。剩余試件以48塊為一組分別半浸泡于S0、S1、S2、S3 溶液中。每隔30 d從各組溶液取出3～4 塊試件，晾干后測試其抗壓強度和抗折強度，取其平均值作為最后數值。為保持溶液中鹽離子數量的穩定，每30 d更換新溶液一次，溶液中各種腐蝕性離子濃度保持穩定，試驗歷時360 d。

2 高強混凝土抗壓強度與抗折強度受鹽害侵蝕后的強度損傷變化

2.1 抗壓強度變化規律分析

由抗壓強度曲線圖1可以看出，在腐蝕的最初4個月內，無論是在清水中浸泡的試件還是在腐蝕溶液中浸泡的試件，混凝土強度都有不同程度的增長。其中清水中抗壓強度增長幅度為9.07%，S1、S2和S3溶液中混凝土的抗壓強度增長幅度分別為12.44%、13.32%和15.40%，增長幅度隨著溶液濃度的升高而增加。究其原因為，在腐蝕的初期，外界腐蝕溶液的鹽害離子進入混凝土不密實的孔隙內部，與水泥塊的某些組成部分發生水化反應，生成鈣礬石和石膏，生成的這些產物具有膨脹性，填充到混凝土原有的孔隙中，使混凝土在腐蝕的一定時間內內部變得更加密實，從而提高了混凝土的抗壓強度。從以上增長幅度也可以看出，腐蝕溶液中試件的抗壓強度增長幅度都比在清水中的抗壓強度增長幅度高出3個百分點以上。

圖1 試件在不同腐蝕時間的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of samples in different corrosion time◆—S0；■—S1；▲—S2×—S3

清水中的試件在第7個月時抗壓強度值達到最大，其值為86.26 MPa，增長幅度為17.34%；S1和S2溶液中的試件在第5個月時抗壓強度達到最大值，分別為85.69 MPa和84.16 MPa，抗壓強度增長幅度分別為16.57%和14.49%。從總的趨勢來看，4條曲線都有上升與下降的拐點，其中浸泡在腐蝕溶液濃度最大的試件抗壓強度出現拐點的時間最早，其值為120 d，接著是S1和S2溶液的試件，經歷了150 d，最后是清水中的試件，出現拐點的時間最晚，時間是210 d。隨著溶液濃度的增大，拐點出現的時間不斷提前。

從圖1還可以看出，C70混凝土試件在鹽害溶液中的強度變化與普通混凝土有所不同，分析其原因主要在于高強混凝土中摻有礦物質料例如粉煤灰和礦渣，由于礦物質具有的高活性，使混凝土內部比普通混凝土密實，孔隙小，這樣就減少了鹽害離子的侵入。另外粉煤灰的微骨料效應、活性效應及形態效應，降低了混凝土中Ca(OH)2的含量，有效改善了混凝土的微觀結構，使混凝土能夠有效的抵抗鹽害溶液的侵蝕。在鹽害溶液中，混凝土內部發生兩種物理化學變化對強度產生影響，一是硫酸根離子與混凝土中凝膠體反應生成物填充內部孔隙，致使混凝土更加密實；二是氯離子和碳酸氫根離子與混凝土凝膠體產生溶蝕反應，導致混凝土孔隙率增大強度降低。在初期第一種反應占優勢，起主導地位，混凝土強度增長，由于硫酸根離子的濃度高、數量大，隨時間延長硫酸根離子反應生成的鈣礬石和石膏逐漸增多，在混凝土內部膨脹產生拉應力，兩種反應的結果都導致混凝土強度降低，此時混凝土強度表現為下降幅度變大。通過電鏡掃描圖片(見圖2)分析認為在3種腐蝕鹽離子溶液中侵蝕產物主要是鈣礬石，表明硫酸鹽侵蝕占主導地位；混凝土試件中出現明顯的裂縫，證明鹽害腐蝕導致混凝土膨脹開裂從而產生損傷劣化。

圖2 試件在S3溶液中1 a后的電鏡掃描圖Fig.2 Electron microscope scans of the samples in S3 solution after a year

2.2 抗折強度變化規律分析

從抗折強度曲線圖3可以看出混凝土抗折強度在最初腐蝕的5個月內，S0、S1、S2和S3的抗折強度分別是9.2 MPa、9.51 MPa、10.82 MPa和10.16 MPa，其強度都在上升，增長的幅度為28.49%、32.82%、51.11%和41.89%，隨著溶液濃度的增大，抗折強度增長的幅度不是隨著濃度的增大而增大的，其中S2溶液的試件抗折幅度增長最大?？傮w上，腐蝕溶液的混凝土試件抗折強度的增長幅度都比在清水中的混凝土試件增長幅度高出14個百分點以上。從整個曲線圖來看，4種溶液中的試件都有上升段和下降段，S2和S3溶液中的試件在腐蝕到第5個月時抗折強度都達到最大值。S1在第8個月時達到最大值，S0在第10個月時達到最大值，S0曲線在第7個月抗折強度有較大幅度的上升，接著緩慢上升，從第10個月以后，抗折強度開始緩慢下降，相比較其他3種腐蝕溶液而言，清水中的溶液在12個月內，拐點出現的最晚，下降段也比較緩慢，S1溶液次之，S2和S3溶液的拐點出現的最早，而且下降段變化也比較快，尤其是在第8個月至第10個月之間。從試驗結果來看，S2腐蝕溶液對混凝土抗折強度變化影響比較大，但是對腐蝕后的強度影響不大，三種鹽害溶液的抗折強度均大于腐蝕前的抗折強度。從圖1和圖3對比來看，抗折強度曲線明顯比抗壓強度曲線復雜，但總體上的趨勢是一致的。

圖3 試件不同腐蝕時間的抗折強度Fig.3 Flexural strength of the samples in different corrosion time◆—S0；■—S1；▲—S2；×—S3

3 結 論

(1)受鹽害侵蝕的高強混凝土在初期的一定時間內抗壓強度有所上升，隨著侵蝕時間的延長，混凝土的強度在經過一個拐點后下降，且下降的趨勢隨著濃度的增大而增大。

(2)高強混凝土的在受鹽害腐蝕后，抗折強度較抗壓強度變化復雜，但總體趨勢比較相似，都有上升段和下降段，隨著濃度的增大，下降段變化趨勢比較明顯。

(3)通過長期浸泡試驗研究發現，相對于試件最初無腐蝕的強度而言，除了S3溶液1 a后的抗壓強度略有下降外，其余的溶液的抗壓強度和抗折強度都比最初無腐蝕時的強度大。

[1] Hossain K M A，Lachemi M．Performance of volcanic ash and pumice based blended cement concrete in mixed sulfate environment[J].Cement and Concrete Research，2006，36(2)：1123-1133．

[2] Young-Shik Park，Jin-Kook Suh，Jae-Hoon Le e，et al.Strength deterioration of high strength concrete in sulfate environment[J].Cement and Concrete Research，1999，29(9)：1397-1402．

[3] Idiart A E，López C M，Carol G.Chemo-mechanical analysis of con-crete cracking and degradation due to external sulfate attack：a meso-scale model[J].Cement and Concrete Research,2011，33(3)：411-423．

[4] Neville A.The confused world of sulfate attack on concrete[J]．Cement and Concrete Research，2004，34(8)：1275-1296．

[5] 姚直書，程 樺，榮傳新．西部地區深基巖凍結井筒井壁結構設計與優化[J]．煤炭學報，2010，35(5)：760-764． Yao Zhishu，Cheng Hua，Rong Chuanxin．Shaft structural design and optimization of deep freezing bedrock shaft in west area[J]．Journal of China Coal Society，2010，35(5)：760-764．

[6] 黃 戰，邢 鋒，董必欽，等．荷載作用下的混凝土硫酸鹽腐蝕研究[J]．混凝土，2008(2)：66-69． Huang Zhan，Xing Feng，Dong Biqin，et al．Study on the sulfate corrosion of concrete under the action of loading[J]．Concrete，2008(2)：66-69．

[7] 高禮雄，姚 燕，王 玲，等．水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法的探討[J].混凝土，2004(10):12-17. Gao Lixiong，Yao Yan，Wang Ling，et al．Study on test method for cement concrete to sulphate attack[J]．Concrete，2004(10)：12-17．

[8] 于培科．鹽堿地區混凝土耐久性的技術研究及應用[D]．西安：長安大學，2006． Yu Peike.The Technology Research and Application of Concrete Durability in Saline Area[D].Xi′an:Chang′an University,2006.

[9] 方祥位，申春妮，楊德斌，等．混凝土硫酸鹽侵蝕速度影響因素研究[J].建筑材料學報，2007，10(1)： 89-96． Fang Xiangwei，Shen Chunni，Yang Debin，et al.Investigations of influence factor on the rate of concrete sulfate attack[J]．Journal of Building Materials，2007，10(1)： 89-96．

[10] 王 軍．鹽害環境混凝土井壁腐蝕損傷機理研究[D]．北京：北京科技大學，2011． Wang Jun.Study on the Mechanism of Corrosion Damage of Salt Environment Concrete Wall [D].Beijing：Beijing University of Science & Technology,2011.

[11] 徐輝東，楊仁樹，郭保國，等．龍固礦副井特厚表土層凍結段外壁施工技術[J]．煤炭科學技術，2005，33(9)：20-22． Xu Huidong，Yang Renshu，Guo Baoguo，et al．Construction technology for outer wall of freezing section in special thick overburden of Longgu auxiliary mine shaft[J]．Coal Science and Technology，2005，33(9)：20-22．

(責任編輯 石海林)

Test Research on Strength Damage of Concrete Shaft Lining under Salt Disaster Corrosion

Li Xurong1Ji Hongguang1Wang Jun2Song Chenglin1

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringSchool，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.SchoolofArchitectureEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049，China)

The structure of concrete shaft lining is easily corroded in underground complex environment.In order to study the change of the compressive strength and the flexural strength after suffering composite salt disaster solutions corrosion，C70 high strength concrete test specimens were prepared and composite salt disaster solutions with three different concentrations were compounded.The compressive strength and the flexural strength of the concrete test specimens were tested after dipping them into mixture solution and drying them for many times.The test results showed that the change laws of the compressive strength and the flexural strength of the high strength concrete are different after dipping them into water and mixture solution.The compressive strength and the flexural strength are increased in the water，and the compressive strength raises faster in the early time but gradually keeps stable in the later time，while the flexural strength changes suddenly from the sixth month to the seventh month.The compressive strength and the flexural strength of high strength concrete increase in corrosion solutions and then decline.The higher corrosion solution concentration is in the mixture solutions，the quicker the strength declines in the later.The change law of the flexural strength is more complex than that of the compressive strength.

High strength concrete，Composite salt disaster，Damage

2014-03-01

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB226803)，國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(編號：2008AA062104)，國家自然科學基金項目(編號：51034001)。

李旭絨(1979—)，女，博士研究生。

TD353

A

1001-1250(2014)-10-157-04