摘 要: 采用模擬和加速腐蝕試驗方法,研究了廣州地鐵工程混凝土對地下水的耐腐蝕性能. 結果表明,將與實際工程相同的混凝土試件在20 ℃含有Cl- 和SO2 -4 的模擬地下水溶液中養(yǎng)護,其與標準養(yǎng)護混凝土試件的強度比隨齡期持續(xù)下降. 浸泡40天時混凝土芯樣中Cl- 含量接近標準規(guī)定的限度,升高溫度和干濕交替加速試驗對混凝土的強度和耐腐蝕性能有不同的影響.
關鍵詞: 地鐵工程混凝土; 耐腐蝕性能; 模擬地下水作用; 加速腐蝕
中圖分類號: TU 528. 571 文獻標識碼: A
我國地下水特別是淺層地下水受污染比較嚴重[ 122 ] ,地鐵工程混凝土遭受著各種各樣的腐蝕,包括地下水的滲流溶蝕,酸性地下水的侵蝕,地下水中含有硫酸鹽、氯離子的侵蝕等等,因此,在地下水作用下,地鐵工程混凝土的性能受到嚴重影響.根據廣州市軌道交通三號線水質分析結果,三號線有20個點存在不同程度的腐蝕,占取水樣的35% ,其主要腐蝕介質是地下水中的Cl- 、SO2 -4 及侵蝕性CO2. 其中某段巖土工程勘察水質分析結果表明,水樣中Cl- 含量為7 203mg/L, SO2 -4 含量為2 805mg/L. 根據GB50021—94《巖土勘察規(guī)范》,該地下水對混凝土結構腐蝕性評價為中等腐蝕,對混凝土結構中的鋼筋腐蝕性評價為強腐蝕.
本文中采用模擬及加速腐蝕試驗方法,根據廣州地鐵三號線某段水質分析結果,配制Cl- 、SO2 -4濃度倍數為1、3、10的水溶液,分別在常溫20℃、較高溫度60 ℃和干濕交替3種條件下對混凝土進行浸泡,探討混凝土對地下水的耐腐蝕性能.
1 試驗材料與試驗方法
1. 1 試驗材料
采用廣州市花都寶崗特種水泥廠生產的寶崗牌P. O42. 5R水泥; 產于肇慶西江的細度模數為2. 7的中砂;粒徑在5～31. 5mm之間的碎石;廣州西卡建筑材料有限公司生產的SikamentNN型高效減水劑. 所有材料均為廣州地鐵三號線某段盾構工程混凝土管片實際所用原材料.
1. 2 混凝土配合比
試驗采用的混凝土配合比與實際盾構工程混凝土管片相同, 設計強度等級為C50, 抗?jié)B等級為P12,參數列于表1.
1. 3 試件成型及養(yǎng)護
按GB J81—85《普通混凝土力學性能試驗方法》成型混凝土試件,試件規(guī)格為150mm ×150mm ×150mm和150mm ×150mm ×550mm.試件標準養(yǎng)護14天后在配制水溶液中浸泡養(yǎng)護. 配制水溶液中各種離子的濃度分別為地下水的1、3和10 倍( 1 倍的稱為模擬水溶液) ,如表2 所示. 養(yǎng)護制度又分為常溫20 ℃、較高溫度60 ℃和干濕交替,其中干濕交替制度是每5天干濕循環(huán)一次,將試件從配制水溶液中取出表干后,在60 ℃烘干4 h,待試件冷卻后放入水溶液中繼續(xù)浸泡 324 ] .
1. 4 樣品制備
規(guī)格為150mm ×150mm ×550mm的試件用環(huán)氧樹脂密封邊長為150mm的兩端面,以保證受腐蝕條件一致,在配制水溶液中浸泡10天后,沿試件的150mm ×550mm端面中心線進行鉆芯取樣,芯樣尺寸為Φ50mm ×60mm,用環(huán)氧樹脂封閉試件取樣后留下的空洞,待固化后繼續(xù)養(yǎng)護,此后沿該端面中心線每10天取樣一次.
將芯樣從表及內分層切割成每層厚度為(15 ±1)mm的3層,分別破碎,剔除石子,然后研磨至全部通過0. 08mm篩,并烘干,粉樣加入10倍質量的蒸餾水制成懸浮液,振蕩8 h后靜置16 h,再過濾,濾液用于測定混凝土芯樣中可溶性Cl- 含量和SO2 -4含量.
1. 5 性能檢測
按GBJ81—85《普通混凝土力學性能試驗方法》檢驗混凝土試件強度;按GB /50344—2004《建筑結構檢測技術標準》附錄C《混凝土中氯離子含量測定》測定混凝土芯樣中可溶性Cl- 含量(以Cl- 離子質量占混凝土中水泥質量的百分比計) ; 按GB /T176—1996《水泥化學分析方法》中SO3 含量測定方法測定混凝土芯樣中可溶性SO2 -4 含量(以SO3質量占混凝土中水泥質量的百分比計). 分別測定每層中Cl- 和SO2 -4 含量,并計算3層的平均值.
2 結果與討論
2. 1 混凝土強度
2. 1. 1 模擬水溶液對混凝土強度的影響20 ℃下標準養(yǎng)護與模擬水溶液養(yǎng)護的混凝土強度見表3,后者的28、60和90天抗壓強度均比前者低. 這是因為模擬水溶液中有較高含量的SO2 -4(2 805mg/L) ,使混凝土產生石膏- 硫鋁酸鈣復合型侵蝕[ 526 ] ,這些膨脹性產物使混凝土結構中產生微裂紋而導致強度下降. 從試樣養(yǎng)護28天時的掃描電鏡照片(如圖1所示)中可見標準養(yǎng)護的混凝土結構較致密,表面較平整,而模擬水溶液養(yǎng)護的混凝
土結構較疏松,孔隙較多,且呈現為遭受腐蝕后的孔隙形態(tài),孔隙中有很多腐蝕反應產物———鈣礬石. 隨齡期延長,雖然水化程度增大會使混凝土強度升高,但由于模擬水溶液中的SO2 -4 離子不斷滲透進入混凝土,生成膨脹性產物,對強度不利,兩方面作用相互抵消使模擬水溶液養(yǎng)護的混凝土強度增加緩慢,與同齡期標準養(yǎng)護的混凝土的強度比更小.
2. 1. 2 升高溫度及干濕交替對混凝土強度的影響如圖2所示,同樣在模擬水溶液中養(yǎng)護,對28天齡期, 60 ℃下的強度最大,干濕交替條件下次之,20 ℃下的強度最低;對60和90天齡期, 20 ℃下混凝土強度增長少, 60 ℃下強度下降,干濕交替條件下強度呈較大幅度的上升趨勢. 這是因為,在20 ℃下,硫酸鹽腐蝕反應速度慢,隨齡期延長,水泥繼續(xù)水化產生的強度增長仍大于硫酸鹽腐蝕導致的強度下降,故強度有增長但幅度小. 在60 ℃下,由于溫度較高,水泥水化加劇,混凝土28天齡期強度雖然很高,但高溫下硫酸鹽腐蝕反應的速度也加快,產生的不利影響大于水化加速的有利影響,導致隨齡期延長強度下降. 干濕交替對混凝土的早期強度影響較大,本試驗在19天齡期進行第一次干濕交替,此時混凝土的結構已形成,濕養(yǎng)護時混凝土中的毛細孔中充滿水,干燥時水分揮發(fā),毛細孔收縮,會導致混凝土的孔結構發(fā)生改變,由干燥引起的收縮不會完全恢復[ 628 ] ,再次濕養(yǎng)護時毛細孔充水膨脹的程度不能恢復到與干燥之前一樣,混凝土中毛細孔的數量和尺寸都減小,同時由于采用60 ℃、4 h烘干的方法進行干燥,高溫下水泥水化加速,生成更多水化產物封堵原有的毛細孔,使結構更密實,這可能是干濕交替下混凝土28 天齡期強度比20 ℃的高的更主要原因. 由于上述對混凝土結構的有利作用大于硫酸鹽
腐蝕對混凝土結構的不利作用,隨齡期延長混凝土強度增長較多. 基于此種干濕交替試驗方法帶來的影響,今后研究中應改高溫烘干為真空干燥.
2. 1. 3 配制水溶液濃度對混凝土強度的影響圖3顯示(1)隨配制水溶液濃度提高,即Cl- 和SO2 -4 濃度增大,混凝土的抗壓強度下降,主要是因為硫酸鹽的腐蝕反應加劇,生成更多膨脹性產物使混凝土結構遭到破壞所致; ( 2) 60 ℃下,混凝土60天強度比28天強度下降,而且隨配制水溶液濃度提高,強度下降的幅度越大,這也是因為硫酸鹽的腐蝕反應加劇的緣故; ( 3)干濕交替下,混凝土60天強度比28天強度反而提高,原因如2. 1. 2中所述.
2. 2 混凝土中可溶性Cl- 含量圖4為不同條件下不同混凝土芯樣各層Cl- 含量. 結果顯示,混凝土芯樣中Cl- 含量呈表層高、內層低的變化規(guī)律,第1層Cl- 含量明顯高于第2、3層,第2層中Cl- 含量略大于第3層,這說明在較短齡期時, Cl- 大量在混凝土表面聚集,滲透進混凝土內部的Cl- 離子較少,該混凝土強度和抗?jié)B等級都較高,結構較密實,孔隙率較小, Cl- 較難滲透進混凝土內層,且滲透速率較為緩慢. 地鐵混凝土構件為處于潮濕環(huán)境中的鋼筋混凝土,按GB50164—1992《混凝土質量控制標準》對混凝土中氯化物總含量規(guī)定, Cl- 不得超過水泥重量的0. 1%. 本文中檢測出在不同養(yǎng)護條件下,混凝土表層的Cl- 含量均超過了上述標準的限度要求,內層Cl- 含量雖未超過上述限度,但隨齡期延長,滲透進入混凝土內部的Cl- 不斷增多,鋼筋表面的混凝土層(芯樣第3層)中的Cl- 含量就會超過上述限度,導致鋼筋銹蝕破壞[ 9210 ] .
圖5為不同養(yǎng)護條件下各齡期混凝土芯樣中Cl- 含量平均值. 從圖可見,隨齡期增長,混凝土芯樣的Cl- 含量呈現增長趨勢,說明配制水溶液中的Cl- 不斷滲透進入混凝土內部. 圖5表明,在配制水溶液中浸泡20天,不同養(yǎng)護條件下的混凝土芯樣中Cl- 含量平均值大多超過上述限度,主要是表層中Cl- 含量很高導致Cl- 含量平均值超標,這些Cl- 都已進入混凝土中,它們繼續(xù)向內滲透,很容易使鋼筋表面的混凝土層中的Cl- 含量超標.
尤其值得注意的是,在20 ℃模擬水溶液中養(yǎng)護的混凝土,與實際地鐵混凝土構件所處環(huán)境相似,短短40 天混凝土芯樣中Cl- 含量平均值就達0. 096% ,接近上述0. 1%限度,由此可見實際地鐵混凝土構件較易產生鋼筋銹蝕,混凝土耐久性能令人堪憂.
2. 2. 1 升高溫度和干濕交替對混凝土中Cl- 含量的影響同樣在模擬水溶液中浸泡,升高溫度和干濕交替加速腐蝕對滲透進入混凝土內的Cl- 含量影響較大,如圖6所示,基本上有以下規(guī)律:與20 ℃下養(yǎng)護相比, 60 ℃下養(yǎng)護的混凝土芯樣中Cl- 含量更小,而干濕交替下養(yǎng)護的混凝土芯樣中的Cl- 含量更大.這是因為, 60 ℃下水泥水化加速,生成更多水化產物,混凝土結構更密實,如表4中孔結構數據表明, 3個試樣中, 60 ℃養(yǎng)護混凝土試樣的單位質量孔體積最小,孔徑大于100 nm的孔含量比20 ℃養(yǎng)護混凝土試樣明顯減少,而小于10 nm的孔含量比20 ℃和干濕交替養(yǎng)護混凝土試樣都明顯增多,故Cl- 滲透較難;而干濕交替下,如前所述雖然混凝土中毛細孔的數量和尺寸都減小,但烘干時混凝土毛細孔中的水分揮發(fā)出來形成滲透通道[ 223 ] ,再浸泡到模擬水溶液中時, Cl- 較易滲透.
2. 2. 2 配制水溶液濃度對混凝土中Cl- 含量的影響圖7和圖8分別表示60 ℃和干濕交替條件下,
配制水溶液濃度對混凝土中Cl- 含量的影響. 由圖可見,隨配制水溶液濃度增大,混凝土芯樣中的平均Cl- 含量明顯增大. 這是因為配制水溶液中Cl- 濃度增大,使得其與混凝土內部孔隙溶液的濃度差越大,Cl- 的滲透速度越快, 滲入混凝土內部的Cl- 量越多.
2. 3 混凝土中可溶性SO2 -4 含量
圖9為不同養(yǎng)護條件下各齡期混凝土芯樣中可溶性SO2 -4 平均含量. 因為硫酸鹽腐蝕反應生成的石膏和鈣礬石為難溶物質,檢測的可溶性SO2 -4 平均含量為滲透進入混凝土內部的SO2 -4 平均含量減去已發(fā)生腐蝕反應的SO2 -4 含量.
從圖9可以看到(1)混凝土芯樣中可溶性SO2 -4含量有一明顯規(guī)律:隨齡期延長而降低,這是因為腐蝕反應消耗了滲透進混凝土內部的SO2 -4 轉化為難溶物質鈣礬石和石膏; ( 2 ) 混凝土芯樣中可溶性SO2 -4 含量沒有出現與Cl- 含量測定結果相似的規(guī)律,因為可溶性SO2 -4 含量與滲透速率及腐蝕反應速率兩個因素有關. 如:隨配制水溶液濃度增加,由于水溶液中SO2 -4 濃度與混凝土孔隙溶液中SO2 -4濃度的濃度差增大, SO2 -4 滲透速率增大,相同齡期滲透進入混凝土內部的SO2 -4 就增多;而腐蝕反應速率也隨滲透進入混凝土內部的SO2 -4 增多而增大,則混凝土芯樣中溶出的SO2 -4 含量隨配制水溶液濃度增加不呈規(guī)律性變化. 在今后的研究中應改為測定混凝土芯樣中的全硫含量,以確定滲透進入混凝土中的SO2 -4 含量.
3 結論
(1)由于腐蝕離子SO2 -4 的影響,在模擬地下水溶液中養(yǎng)護的混凝土比標準養(yǎng)護的混凝土強度低,且隨齡期延長兩者的強度比值減小;在60 ℃模擬地下水溶液養(yǎng)護的混凝土強度隨齡期延長而下降,干濕交替條件下養(yǎng)護的混凝土強度隨齡期延長而提高,隨配制水溶液濃度提高,混凝土的強度下降.
(2)在不同條件下養(yǎng)護40天內,滲透進混凝土內部的Cl- 大量在混凝土表面聚集,表層Cl- 含量顯著高于內層,芯樣表層Cl- 含量和大多數芯樣Cl- 含量平均值均超過GB50164—1992《混凝土質量控制標準》對潮濕環(huán)境下鋼筋混凝土中的氯化物總含量的規(guī)定限度;且隨齡期延長,滲透進混凝土中的Cl- 含量不斷增加,易導致鋼筋銹蝕.
(3)與20 ℃模擬地下水溶液養(yǎng)護的混凝土相比, 60 ℃模擬地下水溶液養(yǎng)護的混凝土Cl- 含量在10、30天齡期都更小,只是在20天齡期稍大,干濕交替下養(yǎng)護的混凝土Cl- 含量更大. 隨配制水溶液濃度增大,混凝土芯樣中的Cl- 含量明顯增大.
(4)隨齡期延長,滲透進混凝土內部的SO2 -4 離子更大程度轉化為難溶物質鈣礬石和石膏,混凝土芯樣中可溶性SO2 -4 含量降低.
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