于洪亮

（河北省遵化市水利局，河北 遵化 064200）

调查显示，我国约69%的盐渍土都集中分布于西北地区[1]。强腐蚀条件下的水工混凝土易受化学侵蚀、物理结晶等多重作用发生破坏，使水工结构承载力明显下降，后期维护成本增加，甚至对工程使用年限造成严重影响。对于多孔非均质水工混凝土，硫酸根离子的渗入会与其内部特定成分反应生成体积膨胀的难溶矿物，这些矿物可以促进C-S-H 凝胶、氢氧化钙等水化产物的溶出或分解，降低混凝土的粘结性及其强度[2-3]。为解决富硫酸盐环境下的水工结构侵蚀破坏问题，许多学者从不同角度研究探讨了其侵蚀作用机理，但与其它比较常见的劣化行为相比仍需进一步完善硫酸盐的传输过程及其腐蚀机理。

近年来，我国诸多学者探讨了硫酸盐侵蚀条件下侵蚀方式和水胶比等因素对混凝土性能的影响，如赵高文等探讨了不同侵蚀方式下灌注桩混凝土的SO42-传输模型及其劣化机理；刘红娟等利用X 射线衍射(XRD)、SEM 扫描电镜硫酸钡沉淀等方法，研究了硫酸盐侵蚀对钢纤维混凝土影响；吕瑶等通过快速硫化试验分析水工混凝土的硫化程度，并提出硫化程度计算模型；刘迎召等研究分析了干湿循环与硫酸盐侵蚀下混凝土损伤机理，结果显示混凝土损伤层厚度随干湿循环次数的增加而增大，超声波在损伤层中的传播速度减小且降幅逐渐加快，硫酸盐浓度越高则损伤越严重[4-5]。一般地，水利工程的结构部位不同，其所处的环境及混凝土配合比也不同，故分析耐久性影响因素及硫酸盐侵蚀机理显得非常重要。

我国北方寒冷地区，因特殊的气候环境水工混凝土长期遭受硫酸盐侵蚀作用，这对水利工程的安全运行和服役寿命造成了严重影响。因此，为了探究水工混凝土受不同处理时间、硫酸盐浓度和水胶比等因素的影响，进一步揭示其侵蚀机理，试验设计2 种水胶比、3 种硫酸盐浓度和不同处理时间，探究离子扩散系数、动弹模量和轴心抗压强度的经时变化，为优化混凝土配合比及改善材料的使用性能提供一定参考。

1 试验方法

1.1 方案设计

根据水利工程的结构特征及其所处的地质条件，通过土壤中盐分的测试明确硫酸盐侵蚀介质，这也是导致混凝土耐久性下降的重要因素。试验设计C30、C40 两种强度等级和3 种硫酸盐浓度，通过测试不同浸泡时间的水工混凝土动弹模量、劈拉强度及离子渗透系数，揭示硫酸盐侵蚀机理，可以为工程结构的长效稳定运行提供一定指导。

1.2 试验方法

结合实际情况可知，水工混凝土受硫酸盐侵蚀是一个复杂而缓慢的过程。为了确保工程结构的安全可靠运行，在硫酸盐溶液中浸入混凝土试样，以此模拟实际侵蚀环境，主要试验流程如下：首先，在标养条件下养护28d，及时测定各组试件的有关参数；然后在清水中浸泡3d，保证混凝土处于保水状态，试验测定该条件下的参数；最后，在硫酸盐溶液中浸泡混凝土试件7d，观测并记录试验参数，再在自然环境中晾晒3d，重复以上过程。

试验过程中，为保证Na2SO4溶液浓度不变每3d 更换一次溶液，在试验箱表面覆盖塑料薄膜以减少水分蒸发。按照不同实验条件将处理好的试件划分成6 组，设计C30、C40 强度等级和0%、2%、5%硫酸钠溶液。

将养护至规定龄期的试块分组浸入2%、5%、10%Na2SO4溶液，保持液面与试块上表面距离≥20mm。参照《水工混凝土试验规程》，采用YES-2000 型数显式压力试验机和IMC 系统测定水工混凝土的实时抗压强度，依据《水工混凝土耐久性技术规范》和测定离子扩散系数、动弹模量等参数。

2 结果与分析

2.1 试验数据

根据现行规范和样品测试方法，依次测定经硫酸盐侵蚀的6 组试件劈拉强度、经历受压弹性模量、抗压强度、动弹模量和离子扩散系数，如表1 所示。其中，N3、N7、N28 依次代表3d、7d、28d 龄期，C30、C40 混凝土的水胶比为0.38 和0.32。

表1 试验数据统计表

1）劈拉强度。水工混凝土劈拉强度受不同浓度硫酸盐侵蚀均表现出相同趋势，水胶比越小则劈裂强度越高。例如，C40 水工混凝土劈裂强度随着Na2SO4溶液浓度的增加(0%、2%、5%)表现出先上升后下降的趋势，Na2SO4溶液浓度相同时C40 的劈拉强度整体高于C30 组，说明水胶比越小则混凝土耐久性越优。

2）抗压强度。混凝土内部疏松情况和宏观破坏程度直接决定着其抗压强度，不同硫酸盐侵蚀时间下的抗压强度变化规律与劈拉强度基本相似。具体而言，水工混凝土抗压强度受不同浓度硫酸盐侵蚀的变化趋势基本相同，但各组的变幅存在一定差异。通过横向对比发现，其它条件相同时C40 整体高于C30 抗压强度，该变化特征主要与水胶比有关，混凝土抗压强度受低水胶比的影响较小；随着Na2SO4溶液浓度的增加(0%、2%、5%)，混凝土强度均表现出先上升后减小的趋势，仍需进一步探讨其侵蚀机理；C30 的抗压强度变幅高于C40，说明水胶比越大则硫酸盐侵蚀对混凝土强度影响越大，减小水胶比可以改善混凝土的耐久性和稳定性。

3）动弹模量。相对动弹模量反映了水工混凝土内部的密实程度及表面损伤情况，通过定量分析各组试块的相对动弹模量，可以确定混凝土物理性质受硫酸盐侵蚀的影响。由表1 可知，随着Na2SO4溶液侵蚀时间的延长混凝土的动弹模量出先上升后下降的变化特征，这与相关研究结论保持一致。这是因为混凝土基体材料与初期盐类结晶发生反应可以生成填充内部孔隙的物质，增大结构密实性，而内部盐类结晶随着侵蚀时间的延长逐渐膨胀析出，并导致内部结构破坏出现孔隙，表面逐渐剥落破坏。由于侵蚀产生的缺陷或微裂缝会降低水泥石的相对动弹模量，随着硫酸盐侵蚀时间的延长水泥浆体内部逐渐发生破坏，从而降低了相对动弹模量和致密性。

4）离子扩散系数。不同侵蚀条件会导致水工混凝土性能存在一定差异，湿润环境下混凝土内部离子浓度较低，浸泡在硫酸盐溶液时其内部离子浓度小于外部溶液，由于存在浓度差硫酸根离子会向内部不断渗透，经一系列化学反应后生成不溶物，这些不溶物会堵塞内部孔隙，提高混凝土密实度；然而，干燥条件下的水分蒸发会快速提高混凝土内的离子浓度，从而使得外部离子渗入内部的难度增大，即外部和内部硫酸盐均达到饱和状态，混凝土内部的盐分不断析出，从而降低内部孔隙率，提高动弹模量。水胶比较小情况下，混凝土干燥后会使得孔隙率明显减少，外部硫酸盐向内部的渗入难度增大，故变幅下降。

2.2 机理分析

侵蚀初期，渗入的硫酸盐溶液未生成足够的侵蚀产物，此时的破坏作用还不明显，溶液反而会进一步激发硬化水泥浆体中的胶凝材料水化，水泥石变得更加密实，从而提高了抗压强度。随着时间的延长，内部的侵蚀产物逐渐积累，而具有胶凝能力的C-S-H 凝胶和水化产物不断分解，微观结构上水泥浆体开始劣化，内部微裂缝和缺陷不断增多，力学性能开始降低。因此，随着浸泡时间的延长混凝土强度逐渐减少，这说明该条件下水工混凝土已发生严重破坏。

采用SEM 扫描电镜观测0.38 和0.32 两种水胶比试件在5%Na2SO4溶液浸泡90d 的微观结构，结果显示C30 水工混凝土表面发现微裂缝，其整体性和密实性较差，这说明混凝土在5%Na2SO4溶液浸泡90d 时发生了破坏；C40 水工混凝土表面孔隙较少，未发现明显裂缝，整体致密性也较好，说明硫酸盐溶液对C40 混凝土的侵蚀破坏作用较弱。因此，减少水胶比会改善混凝土性能，并且水胶比越小则混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能越优。

3 结 论

1）水工混凝土耐久性受水胶比的影响较大，水胶比在一定程度上决定着混凝土的离子扩散系数、抗压强度和劈拉强度，故水胶比越小则混凝土耐久性越优。

2）水工混凝土的离子扩散系数、劈拉强度等性能指标，随着Na2SO4溶液浓度的增大表现出先上升后下降的变化趋势，以上指标受浓度变化影响较大，而抗压强度和动弹模量受溶液浓度的影响较小。

3）经对比分析，硫酸盐溶液浓度超过5%将显著影响水工混凝土的理化性能，大大降低其耐久性能，故实际工程中应合理控制有害离子浓度，通过采取有效措施切实保证混凝土的安全可靠运行。