侵蚀方式对硫酸根离子在混凝土中传输的影响.pdf
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1、第 2 7卷 第3期 2 0 1 0年 3月 长 江 科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e V 0 1 2 7 No 3 Ma r 2 0 l 0 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 6 2 0 4 侵蚀方式对硫酸根离子在混凝土中传输的影响 李凤兰 ,马利衡 ,高润东 , 赵顺波 ( 1 华北水利水电学院 土木与交通学院, 郑州4 5 0 0 1 1 ; 2 清华大学 水沙科学
2、与水利水电工程国家重点实验室, 北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要: 对连续浸泡和干湿循环2种侵蚀方式下硫酸根离子在混凝土中的传输过程进行了比较研究。选取混凝土强 度等级为 C 4 0 , 采用室温下 自然干燥方式, 硫酸钠侵蚀溶液的浓度为 8 0 0 , 6 0 0 0 , 5 0 0 0 0 m#L 。当侵蚀龄期分别达 到 3 0 , 9 0 , 1 8 0 , 3 6 0 , 5 8 0 d时, 采用钻芯、 分层切片、 研磨提取水泥石粉末样本进行化学分析, 测定不同深度处? 昆 凝土 的硫酸根离子含量。结果表明: 总体上看干湿循环与连续浸泡相比更具有加速硫酸根离子向混凝土内传输的作 用
3、, 使同深度处硫酸根离子含量增加; 浓度较低的侵蚀溶液硫酸根离子具有更易于向混凝土深处传输的趋势, 使较 深处硫酸根离子含量增加; 浓度较高的侵蚀溶液更偏于按着由表及里破坏的方式对混凝土产生侵蚀 , 使高含量的 硫酸根离子聚集在浅层混凝土中。 关键词: 混凝土; 硫酸盐侵蚀; 连续浸泡; 干湿循环; 硫酸根离子; 传输 中图分类号 : T U 5 0 2 5 文献标识码 : A 硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的一个重要因 素。硫酸盐能够与混凝土中水泥水化产物发生化学 反应, 生成体积膨胀性侵蚀产物 , 导致混凝土膨胀开 裂 , 破坏混凝土与钢筋的粘结 , 甚至使混凝土 表层脱落 , 失去对钢筋
4、的保护作用 。按外部环境作 用的不同, 硫酸盐侵蚀分为连续浸泡、 干湿循环和部 分浸泡 3种类型。连续浸泡主要是因化学侵蚀引起 ? 昆 凝土的破坏 , 而干湿循环则是化学侵蚀和物理结 晶的综合作用。 各国学者对硫酸盐侵蚀进行 了较多的研究 。在 干湿循环研究方面 , 很多试验采用了加热干燥 的循 环方式 , 但是加热时混凝土中的组分以及侵蚀 产物 会发生热分解 , 将对侵蚀机理的研究产生干扰。 本试验采用室温下 自然干燥方式 , 模拟 了 自然环境 中的干湿交替现象, 采用硫酸钡重量法检测混凝土 中硫酸根离子含量 , 并结合热分析技术对侵蚀产物 进行辨认 , 研究了连续浸泡和干湿循环 2种侵蚀
5、 方式对硫酸根离子在混凝土 中传输 的影响, 为硫酸 盐侵蚀机理的研究提供 了依据 。 1 试验概况 试验用原材料: 水泥采用郑州金龙水泥股份有限 公司生产的“ 龙源牌” 4 2 5 级普通硅酸盐水泥, 其化学 成分如表 1 所列 ; 骨料采用细度模数为2 7 l 的天然河 砂和最大粒径为 2 0 m l T l 的连续级配碎石。混凝土设 计强度等级 为 C 4 0 , 配合 比为水: 水泥 : 砂 : 碎石 = 2 0 1 : 4 5 7 : 5 9 1 : 1 2 0 1 , 水灰比为0 4 4 , 砂率为 3 3 , 拌合 水为 自来水。 表 1 水泥 的化 学成分 Ta b l e 1
6、 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n o f c e me n t ! ! 31 43 41 2 8 l 2 4 3 3 3 4 3 2 2 4 2 5 试验采用 1 0 0 mm1 0 0 m m1 0 0 mi l l 标准立方 体试件 , 浇注成型后标准养护2 8 d , 随后进行腐蚀试 验。采取 2种侵蚀方式 J : 一种是长期浸泡腐蚀试 验 , 将试件放入到 N a : S 0 溶液中进行连续浸泡 ; 另 一 种是干湿循环腐蚀试验 , 将试件先放人硫酸钠溶 液中浸泡 1 5 d ( 湿状态) , 再取出在空气 中干燥 1 5 d ( 干状态 ) ,
7、作为一个干湿循环。硫酸钠溶液浓度对 应于混凝土所处环境分类及其作用等级的中度 、 严 重和非常严重 , 分别为 8 0 0, 6 0 0 0, 5 0 0 0 0 m#L ( 3 种溶液分别用 B , C, D表示) 。浸泡过程中为保持溶 液浓度不变 , 用塑料薄膜对溶液进行密封以防止挥 发 , 侵蚀 在室 内进行 , 溶液定期 更换 , 温度保持 在 2 0左右 , 相对湿度保持在 7 0 左右。 为准确反映硫酸根的一维侵蚀规律 , 减小多向 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 3 1 5 ;修 回日期 : 2 0 0 9 - 0 5 1 3 基金项 目: 河南省杰出青年科学基金( 0 4
8、1 2 0 0 0 2 3 0 0) , 国家 自然科学基金委和雅砻 江联合基金( 5 0 5 7 9 0 9 6 ) 作者简介 : 李凤兰( 1 9 6 4 一 ) , 女 , 河北武邑人 , 教授 , 主要从 事土木工程材料研究 , ( 电话 ) 0 3 7 1 6 5 7 9 0 2 3 7 ( 电子信箱 ) 1 i fl 6 4 n C W U e d u c n 。 第3期 李凤兰 等 侵蚀方式对硫酸根离子在混凝土中传输的影响 6 3 侵蚀的干扰, 采用双面( 对面) 侵蚀, 其余4面( 包括 成型面 ) 用石蜡密封。侵蚀龄期为 3 0 , 9 0, 1 8 0 , 2 7 0 ,
9、3 6 0, 5 8 0 d时 , 使用工程钻 芯机钻芯取样 , 然后进行 切割分层 , 每次以 3个混凝土试块为 1组 , 样芯直径 为 2 0 m i l l , 第 一层厚 度取 1 5 m m, 第二层厚 度取 2 m l T l , 以后每 层厚度均取 5 mm, 分 别对应侵蚀 深度 ( 从试件 表 面算起 ) 0 7 5, 2 5, 6 , 1 1 , 1 6 , 2 1 , 2 6 , 3 1 m m。采用改进的水泥化学分析方法进 行混凝土硫 酸根离子含量 的测 定 m 。硫酸根含量 以 S O 计 。 由于水泥 中含有一定量 的石膏和 S O , 则混凝土在 遭受外部硫酸盐侵
10、蚀之前 , 其 内部 已含有一定量的 硫酸根 , 经测量 内部 初始硫 酸根含 量约为0 7 8 。 因此 , 当某层测试的硫酸根含量超过0 7 8 时 , 判定 该层受到了外部硫酸盐侵蚀 。 2试验结果及分析 2 1 硫酸根离子在混凝土中传输的机理 外部环境 的硫酸根离子向混凝土内部传输的过 程中将发生如下行为 : ( 1 )硫 酸根 离子沿混凝 土 内孔 隙的渗透与扩 散。由于混凝土的多相组成决定 了其成型后不可避 免地存在孔隙和缺陷, 当混凝 土试块浸泡于硫酸钠 溶液 中时, 溶液中的硫酸根离子首先将依靠渗透 、 扩 散、 毛细吸收等作用向混凝土内部传输, 其速率取决 于混凝土的抗 渗性
11、 j 。本试验混凝 土试块完全 浸 泡于装有硫酸钠溶液的水箱中, 水箱高度有限 , 水压 力很小 , 溶液的硫酸根离子主要 由内外浓度差引起 的传输作用进入混凝土 内。 ( 2 )硫酸根离子与混凝土水泥水化产物的化学 反应 。外部硫酸根离子进入混凝土后 , 与水泥水化 生成的氢氧化钙反应生成硫 酸钙 ( 石 膏) , 硫酸钙再 与水泥水化生成的水化铝酸钙和水化单硫铝酸钙反 应生成水化三硫铝酸钙 ( 钙矾石 ) 。石膏和钙矾 石的生成均使原体积增加很多 , 进而导致对混凝土 的膨胀破坏作用 , 产生的裂 隙使硫酸根离子更容易 进入混凝土内部 , 形成恶性循环 J 。B溶 液中混凝 土的侵蚀产物主
12、要 为钙矾石 , c溶液 中混凝土 的侵 蚀产物为钙矾石和石膏 , D溶液 中混凝土的侵蚀产 物主要为石膏 。 ( 3 )可溶性侵蚀产物的溶 出结晶。在本试验不 流动侵蚀溶液条件下, 侵蚀反应产生的石膏和钙矾 石将溶出结晶。钙矾石晶体长大造成的结晶压将使 混凝土膨胀而开裂 。 2 2 硫酸根离子在混凝土中传输的规律 根据试验测试结果 , 可以将 2种侵蚀方式作用 下混凝 土 表 层 ( 深 度0 7 5 I T l r f t 处 )和 内 层 ( 深 度 2 5 m m处 ) 的硫 酸根离子含量随侵蚀龄期的变化 , 绘制如图 1 所示。 0 7 5 E l m一-一 浸泡 口 一 千湿 血
13、招 甾 堰 盥 把 甾 据 O 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 4 2 0 4 8 0 5 4 0 6 0 0 侵蚀龄期 d ( a ) 溶液B中 侵蚀龄期, d ( b ) 溶液c 中 O 7 5 mm 一_ 一 浸泡 日 一 千湿 2 5 mm 一 一 浸泡 一 千湿 侵 蚀 龄 期 d ( c ) 溶液D中 图 1 连续浸泡和干湿循 环作用下混凝土的硫 酸根含量对比 Fi g 1 Co mp a r i s o n s o f s u l f a t e - i o n c o n t e n t o f c o n c r e t e und e r
14、 c o nt i n uo us i mme r s i o n a nd we t t i ng- d r y i ng c y c l e s 表层( 对应测试深度0 7 5 m m) 混凝土 中, 侵蚀 龄期 3 0 d时, 硫酸根 离子含 量 以干湿循环侵 蚀居 高 ; 随着侵蚀龄期的增长 , 硫酸根离子含量由干湿循 环侵蚀居高向连续浸泡侵蚀居高转变 , 转变点对应 的侵蚀龄期随着侵蚀溶液浓度 的增大而缩短 , 如 B 溶液 对 应 龄 期约 为 3 0 0 d , D溶 液 对应 龄 期约 为 6 0 d 。这表 明了硫 酸根离子按照渗透与扩散 、 侵蚀 反应 、 溶出结晶的顺序
15、向混凝土内传输 : 在侵蚀龄期 3 0 d时 , 干湿循环侵蚀 只在前 1 5 d浸泡 , 硫酸根离 子以渗透与扩散 、 侵蚀反 应为主 , 溶 出结 晶很少 产 生 ; 连续浸泡则可能发生了溶出结晶 , 从而使得干湿 循环侵蚀时混凝土表层中的硫 酸根离子含量居高。 B溶液因浓度较低 , 连续浸泡条件下侵蚀产物钙矾 石易于从混凝土孔 隙中沉 淀结 晶析 出, 因此干湿循 环侵蚀处于居高地位 , 但随着侵蚀龄期的增长 , 由侵 8 6 4 2 O 8 6 4 。 。 长江科 学院院报 2 0 1 0生 蚀产物膨胀和析出结 晶产生的破坏作用呈现 出来 , 混凝土内的孔隙连通和增多将使硫酸根离子的传
16、输 更加通畅 , 干湿循环条件下侵蚀产物钙矾石 随着发 生周期性的结晶析出, 混凝土表面的硫酸根离子含 量将减少 ; D溶液 因浓度较高, 连续浸泡条件下在混 凝土表层孔隙内积聚了大量的侵蚀产物石膏以及硫 酸钠晶体 , 干湿循环条件下在混凝土表面虽然也会 聚集大量的结晶体 , 但因干燥过程 中析出的结 晶体 在试验移动过程 中脱落 , 因此测试得到的硫酸根离 子含量会减小 ; C溶液 中表层混凝土硫酸根离子含 量 由干湿循环 、 连续浸泡交替居高 , 可能因该浓度下 侵蚀产物石膏、 钙矾石 同时 出现但量不 同所 致, 是 B, D溶液中变化规律的过渡表现。 同时注意到, 侵蚀龄期超过 3 6
17、 0 d时, 干湿循环 条件下 D溶液 中混凝土表面首先 出现 明显不规则 裂纹和水泥砂浆脱落现象 ; 至龄期 5 8 0 d时, 各溶液 中混凝土表面均出现不 同程度 的脱落起砂 , 溶液浓 度越高侵蚀程度越严重, 干湿循环条件又高于连续 浸泡条件。因此 , 从图 1中反映出随着侵蚀龄期增 长和侵蚀溶液浓度的增大 , 表层混凝土 中硫酸根离 子含量以连续浸泡居高的规律, 除固有 的侵蚀机理 外 , 还应该与本试验采取 的方法有关。因干湿循环 条件下表面脱落起砂带走了相应的侵蚀产物和硫酸 钠晶体, 使试验测得的硫酸根离子含量降低, 该测试 值并不是表层混凝土原有的含量值。 由图 1中第 2层(
18、 对应测试深度2 5 m m) 混凝土 中硫酸根离子含量变化 , 可以发现一个大致 的规律 , 即干湿循环条件下 的硫酸根离子含量高于连续浸泡 条件下的相应值。这表明干湿循环条件下 , 干燥过程 和浸泡过程产生的干湿交替应力对受侵蚀混凝土中 孔隙连通和扩展起到了加速效应 , 不仅增加了硫酸根 离子在混凝土内的传输速率, 而且增加 了硫酸根离子 与水泥水化产物发生反应的接触表面积 , 使侵蚀反应 更加充分。但这一规律仍与侵蚀溶液浓度相关 : B溶 液中混凝土受干湿循环加速效应的侵蚀龄期约为 1 4 0 d , 明显长于 C溶液中的 9 0 d和 D溶液 中的4 0 d ; 随 着侵蚀龄期的增长,
19、 B溶液因浓度低而有利于混凝土 孔隙中侵蚀产物钙矾石的结晶析出、 使硫酸根离子含 量减小, D溶液 中混凝土表层的大量晶体沉积起到了 阻塞混凝土孔隙的作用而使得第二层混凝土 的侵蚀 产物较难析 出、 导致硫酸根离子含量不断增 加。显 然 , D溶液对表层混凝土的严重侵蚀破环也影响到了 第二层, 使得侵蚀龄期 5 8 0 d时第二层混凝土的硫酸 根离子含量明显降低。 试验结果表 明, 干湿循环使得混凝土受侵蚀深 度增加 , 侵蚀龄期 1 8 0, 2 7 0, 5 8 0 d的侵蚀深度分别 达 6, 1 1 , 1 6 mm, 相应深度处混凝土中硫酸根离子含 量 : B溶液中侵蚀分别为0 8 5
20、 , 0 9 0 和0 8 8 , C 溶液 中侵蚀分别为0 8 6 , 0 9 3 和0 9 2 , D溶液 中侵蚀分别为1 0 , 0 9 7 和0 8 5 。连续浸泡条 件下混凝土受侵蚀深度基本在 6 m l T I 以内而没有 明 显变化。由图 2可见, 相对而言, 浓度很 高的 D溶 液中混凝土浅层沉积了高含量的硫酸根离子, 使得 侵蚀破坏首先在浅层发生 , 并按着 由表及里破坏的 方式对混凝土产生层层剥离性侵蚀 。 侵蚀深度 r a m 图 2 干湿循环作用下混凝土硫酸根含量沿侵蚀深度的变化 F i g 2 Va r i a t i o n s o f s u l f a t e
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- 侵蚀 方式 硫酸 离子 混凝土 传输 影响
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