混凝土在硫酸盐_氯盐溶液中的损伤过程

混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程金祖权，孙 伟，张云升，蒋金洋（东南大学材料科学与工程系，南京 210096）摘 要：研究了水胶比（质量比）为0.35，0.45的普通混凝土在3种溶液[3.5%（质量分数，下同）NaCl 溶液，5.0% Na 2SO 4溶液，3.5%NaCl–5.0% Na 2SO 4复合溶液]和2种腐蚀制度（长期浸泡和浸泡烘干循环）下混凝土的损伤失效规律、特点及损伤叠加的效应。

结果表明：在腐蚀初期，腐蚀溶液中硫酸盐的存在提高了混凝土抗氯离子扩散能力；腐蚀后期则降低之。

复合溶液中氯盐的存在拉长了各腐蚀阶段时间，延缓了混凝土的硫酸盐损伤进程。

混凝土经浸泡烘干循环，其相对动弹性模量（E rd ）变化为下降、线性增加、缓慢下降和加速下降4个阶段。

此外，用现代测试技术研究了上述规律产生的微观机理。

关键词：混凝土；氯盐；硫酸盐；浸泡烘干循环；交互作用中图分类号：TU528.01 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2006)05–0630–06DAMAGE OF CONCRETE IN SULFATE AND CHLORIDE SOLUTIONJIN Zuquan , SUN Wei , ZHANG Yunsheng , JIANG Jinyang(Department of Material Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract: The damage process of concretes with water to cement mass ratios of 0.35 and 0.45 under continuous immersion or immersion–dry cycling conditions in solutions of 3.5% NaCl (in mass, the same below), 5% Na 2SO 4, and composite of 3.5% NaCl+5.0% Na 2SO 4 were studied. The interactive effect of sulfate and chloride on the concrete damage process was also investigated. The results show that the presence of sulfate in the composite solution defers the ingress of chloride into concretes in the early exposure stage, but accelerates it in the later exposure stage. The presence of chloride in the composite solution retards the deterioration of the concretes caused by sulfate. When under immersion–dry cycling conditions, the relative dynamic module of elasticity of the concretes E rd exhibits a decreasing stage followed by a linear increasing stage, then a slowly decreasing stage, and finally the failure stage. The mechanism was also investigated by modern testing and analysis techniques.Key words: concrete; chloride; sulfate; immersion-dry cycling; interactive effect混凝土的耐久性是工程界普遍关注的问题。

混凝土结构破坏的原因之一是氯离子引起的钢筋锈蚀，另外，硫酸盐侵入混凝土中发生石膏腐蚀或钙矾石腐蚀，会导致混凝土结构膨胀破坏[1]。

在我国有1 000多个盐湖的西北地区，混凝土损伤速度明显高于内地。

显然，盐湖附近的硫酸盐、氯盐以及恶劣的气候是主要原因。

如：察尔汗盐湖的氯离子浓度为220 g/l ，硫酸根离子浓度为23 g/l ，年最高温度为62～69℃；相对湿度为40%～60%[2–3]。

混凝土和钢筋混凝土在单一硫酸盐或氯盐环境中，遭受混凝土破坏或钢筋锈蚀的研究已有诸多报道[4–5]，但对混凝土在氯盐，硫酸盐复合因素作用下损伤劣化过程的实时监测，以及硫酸盐和氯盐的交互作用尚未有统一和明确的认识[6–10]。

为此研究了硫酸盐对混凝土中氯离子扩散的影响及混凝土在氯盐、硫酸盐复合溶液中的损伤失效规律。

收稿日期：2005–09–24。

修改稿收到日期：2006–01–22。

基金项目：国家自然科学基金（59938170）；江苏省重大工程(STDQ–04HT20SY–010)资助项目。

第一作者：金祖权（1977～），男，博士研究生。

通讯作者：孙 伟（1935～），女，教授，博士研究生导师。

Received date: 2005–09–24. Approved date: 2006–01–22.First author: JIN Zuquan (1977—), male, postgraduate student for doctordegree.E-mail: jinzuquan@Correspondent author: SUN Wei (1935—), female, professor. E-mail: sunwei@第34卷第5期 2006年5月硅 酸 盐 学 报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYV ol. 34，No. 5 May ，2006金祖权 等：混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程・ 631 ・第34卷第5期1 实 验1.1 材 料中国江南水泥厂P ・Ⅱ42.5级水泥；粗骨料为石灰石，表观密度2.53，粒径为5～10 mm ；细骨料为河砂，表观密度2.65，细度模数2.6；萘系高效减水剂。

1.2 方 法混凝土坍落度控制在140～180 mm 。

混凝土配合比及力学性能如表1所示。

混凝土试件尺寸为 40 mm×40mm×160 mm ，养护24 h 拆模，标准养护60 d 。

之后溶液中浸泡或进行浸泡烘干循环（浸烘循环）试验。

浸泡溶液分别是3.5%（质量分数，下同）NaCl 溶液（编号S1），5.0% Na 2SO 4溶液（编号S2），3.5%NaCl–5.0% Na 2SO 4复合溶液（编号S3）；浸烘循环试验是试件在烘箱中60 ℃烘24 h ，取出室温冷却3 h ，然后在浸泡溶液中浸泡45 h ；这为浸烘循环一个周期。

表1 混凝土配合比及力学性能Table 1 Mix proportion and compressivestrength of the concretesMix proportion of concrete/(kg ・m –3)Compressive strength/ MPa SampleCement Sand Aggregatem (water)/ m (cement)28 d 90 dC30R 350 760 1 140 0.45 47.8 58.0 C50R 420 692 1 127 0.35 70.1 78.2混凝土试件分别在浸泡或浸烘循环下腐蚀90，250，400 d ，参照文献[11]，测定混凝土不同深度的氯离子浓度。

依据Fick 第二定律计算不同龄期混凝土的氯离子扩散系数[12]。

混凝土的动弹性模量E d 根据超声声速计算[13]，混凝土的相对动弹性模量E rd 可由下式计算：20202d d rd 0⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛===t t T T v vE E E t（1） 其中：E d 0，E d t 为混凝土标准养护60d 和腐蚀到t龄期数动弹性模量；v 0, v t 为混凝土标准养护60 d 和腐蚀到t 龄期的超声声速 (m/s)；T 0，T t 为混凝土标准养护60 d 和腐蚀到t 龄期的超声声时。

E rd 在腐蚀试验早期半年内，每1～2周测定 1次，半年后每月测定1次。

2 结果与讨论 2.1 混凝土在S1，S3溶液中的氯离子扩散规律混凝土浸泡在S1，S3溶液中不同龄期，氯离子浓度与混凝土试件深度关系如图1所示。

由图1可知：混凝土浸泡400 d ，氯离子浓度均随深度增加而降低，氯离子在混凝土中扩散规律符合Fick 第二扩散定律。

随浸泡龄期增加，混凝土在5～20 mm 深度的氯离子浓度也相应增加。

表层的氯离子浓度在早期随浸泡龄期增加而提高；后期由于混凝土表面层的氯离子浓度与外部环境逐渐趋于平衡而达到稳定。

与浸泡在S1相比，在同一深度，浸泡在S3中的混凝土试件的氯离子浓度降低了30%～50%。

如：在5～10 mm 处，S1溶液中浸泡90，250，400 d ，混凝土的氯离子浓度分别为0.151%，0.310%，0.360%；而S3中浸泡，氯离子浓度仅为0.064%，0.205%，0.203%。

图1 C30R 浸泡在S1和S3溶液中的氯离子浓度Fig.1 Concentration of chloride of C30R specimens immersedin 3.5% NaCl solution (S1), 3.5% NaCl–5.0% Na 2SO 4 composite solution (S3)混凝土在浸烘循环实验中，不同深度的氯离子浓度如图2所示。

与浸泡腐蚀相比，浸烘循环增加了氯离子在混凝土中的扩散速率。

如在S1溶液中，经过400 d 的浸烘循环，15～20 mm 深度的氯离子浓度几乎达到了表面层浓度一半。

与在S1溶液中浸烘循环相比，在S3溶液中浸烘循环90，250 d ，混凝土同一深度的氯离子浓度降低了30%～60%。

但在硅 酸 盐 学 报・ 632 ・2006年图2 C50R 在浸烘循环试验中的氯离子浓度 Fig.2 Concentration of chloride of C50R specimensexposed to immersion (in S1, S3)–dry cycle400 d 时，2种溶液中相同深度的氯离子浓度则基本相等。