半暴露桥墩混凝土受硫酸钠破坏的研究

徐旭东，刘赞群

(1.河南城际铁路有限公司，河南 郑州 450052；2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

我国高速铁路一个重要特点是以桥代路，以利于保护耕地资源，完善道路条件。然而，当线路通过含有硫酸盐(主要是硫酸钠)的地下水或者地表水时，桥墩混凝土就会受到硫酸盐的侵蚀产生破坏作用。其破坏特点是暴露在空气中的水分蒸发区的混凝土破坏严重，而直接浸泡在水中的混凝土破坏不明显，通常定义这种破坏为硫酸盐结晶破坏[1]。但越来越多的研究结果表明，蒸发区的破坏包括两个方面[2-4]：表层碳化混凝土内部发生了物理盐结晶破坏，而在混凝土内部是一种高浓度硫酸盐化学侵蚀破坏。

半暴露在盐环境中的多孔材料内部溶液的传输机理被称为“灯芯效应”，灯芯效应包括两个过程[5]，毛细吸附过程，溶液通过毛细吸附进入多孔材料内部，到达暴露在空气中的部位(蒸发区)；水分蒸发过程，蒸发区中发生水分蒸发，内部溶液浓度升高。灯芯效应传输受混凝土水灰比影响：随着水灰比降低，混凝土内部孔径细化与孔隙率降低。孔径细化，毛细吸附高度越高，促使溶液进入混凝土蒸发区；但材料内部连通孔隙率降低，又会阻碍溶液进入材料内部。因此，降低水灰比，既有利于溶液进入水分蒸发区，又不利于溶液进入水分蒸发区，相互矛盾的影响使得并不是水灰比越低、硫酸盐离子进入水分蒸发区中的量越少，而应该是存在一个矛盾相互平衡点，促使和阻碍作用共同使得进入水蒸发区内的硫酸根离子量最少。

本文采用半浸泡方式，通过测试水分蒸发速率，采用离子色谱检测不同阶段浸泡溶液中的硫酸根离子浓度，拟合计算混凝土硫酸根离子在孔隙内的固化量，研究不同水灰比 (W/C=0.35、0.40、0.45、0.50、0.55)对进入水分蒸发区中硫酸根离子量的影响规律，为铁路桥墩混凝土耐久性设计提供参考。

1 实验

1.1 实验装置与测试过程

如图1所示，试验系统分为三部分，其中①为测试对象，②为静水天平，③是环境箱。装置①中，将混凝土圆柱试件放置于塑料容器中，容器内装有固定体积的硫酸钠溶液。在20℃下，在环境箱③内配制硝酸镁过饱和盐溶液控制湿度为55.87±0.27%。

图1 半浸泡混凝土实验装置示意图

如图2所示为半浸泡实验的实验组与对照组，混凝土圆柱试件放在装有500.00 g、质量分数为5%硫酸钠溶液的盒子内，对照组用防水薄膜包住，半浸泡放入500.00 g、质量分数为5%硫酸钠溶液的盒子内。然后将整个盒子放在天平上检测质量变化，则蒸发区水分蒸发平均速率：

式中：Mn为第n组在t小时内(150 h)的质量损失，包括蒸发区和液面的蒸发量；M0为对照组在t小时内(150 h)的质量损失，即液面的蒸发量。

浸泡周期18 d，分5个周期，总时长90 d。实验开始后，每18 d更换一次侵蚀溶液，以此保证外界条件的稳定性；每次取出时将混凝土蒸发区表面结晶清理干净，分别称量并记录混凝土试件质量、试件蒸发区表面晶体质量以及装有溶液的盒子的质量；同时，将更换前的溶液取样进行离子色谱检测。

1.2 原材料及配合比

试验采用符合 GB 8076—2008 标准的混凝土外加剂检验专用基准水泥，砂采用ISO标准砂，骨料为碎石粒径5～10 mm的碎石，清洗干净。拌合水和配制溶液采用自来水，采用化学分析纯Mg(NO3)2·6H2O、NaCl、Na2SO4。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土试件配合比设计

1.3 试件成型

混凝土模具为公称内径为70 mm，高为105±2 mm的PVC管，底部用防水塑料膜封底，并用透明胶布固定在模具上。将搅拌均匀的浆体浇筑于模具内并充分振捣，然后用塑料薄膜盖住顶部，放置在20 ℃的标准养护室带模具养护28 d。试件养护完成之后取出，用切割机将模具劈裂，再使用小型水冷切割机打磨试件顶、底端，尽量保证试件高度在100±2 mm，将打磨完成后试件放到室温为20±2 ℃的真空硅胶干燥皿中干燥7 d。

2 结果与讨论

2.1 外观变化

如图2为在浸泡90 d后，试件破坏情况，由图可见，水灰比为0.35、0.4、0.45三组混凝土试件表面并没有出现明显的破坏现象，但0.50和0.55两种混凝土出现较明显的破坏现象。这说明当水灰比以0.45为分界，水灰比大于0.45的混凝土，半浸泡在硫酸钠溶液中更容易出现劣化破坏。

图2 浸泡90 d后试件的破坏情况

2.2 水分蒸发平均速率曲线

图3为5种混凝土全时段的水分蒸发平均速率曲线，整个阶段可以大致分成以下几个阶段：

图3 R1-R5的水分蒸发平均速率曲线

(1) 0 h～130 h～600 h，水分蒸发速率迅速增大后又迅速降低，根据蒸发速率的大小，5种混凝土可以大致分成3组：0.55为一组，蒸发速率大，0.50和0.45为一组，蒸发速率中等，0.5和0.35为一组，蒸发速率最低；

(2) 600 h～1 200 h和1 500 h，水分蒸发区缓慢增加，根据蒸发速率大小，5组混凝土又重新分类：0.35为一组， 0.50和0.55为一组，这3中混凝土的蒸发速率相差不大；0.40和0.45为一组，蒸发速率显著降低。0.35、0.40和0.45混凝土到1 200 h时，蒸发速率达到峰值；0.50和0.55混凝土带1 500 h，蒸发速率达到峰值；

(3) 1 200 h和 1 500 h～2 100 h，0.55混凝土蒸发速率显著降低，0.50混凝土蒸发速率也有较明显下降，0.35、0.40、0.45 下降平缓。

当混凝土半浸泡在溶液中时，其水分蒸发速率受孔隙结构的影响：孔径减少，有利于溶液上升至水分蒸发区，但水分蒸发越困难；连通孔隙率减少，不利于溶液进入混凝土水分蒸发区；随着侵蚀过程的进行，生成的化学侵蚀产物细化和堵塞孔隙。

2.3 硫酸根离子的固化度M

为了描述不同水灰比半浸泡混凝土的抗侵蚀能力，本文引入了固化度：被混凝土活性物质结合而无法自由移动的硫酸根的量，该值量化半浸泡混凝土在灯芯效应过程中的侵蚀程度。

推算固化度的前提是清楚硫酸钠的分布情况，然后通过质量守恒拟合出硫酸根离子的固化度。每个周期的试验系统已给定500.00 g，5%质量分数硫酸钠溶液，其硫酸钠含量H为固定值25 g，而硫酸钠在灯芯效应过程中只会分布在四个部分：盒子内剩余溶液中J、孔隙溶液K、表面硫酸钠结晶L以及固化度M，即：

假设剩余溶液部分只有Na+(实际检测结果表明其他阳离子含量可忽略)，则溶液中硫酸钠含量J可以通过式(3)近似计算得到：

式中：c为溶液中硫酸根离子浓度，色谱测试得到；q为剩余溶液的质量，测试得到。

为了计算孔隙溶液中的硫酸钠质量K，不同试验组共同假设两个条件。

(1)条件1：已知孔隙溶液质量∆Q等于浸泡前后试件(已清理表面结晶)的质量差，但孔隙溶液可以分为两部分：蒸发区和浸泡区。据直观测量，发现浸泡区高度总是蒸发区的3倍，因此假设各试件蒸发区占整个孔溶液的1/4，浸泡区占3/4。

(2)条件2：已知浸泡区浓度即为溶液浓度c，但根据灯芯效应原理，蒸发区(包括水膜区和结晶区)的浓度会更大。研究结果表明，水泥浆体的蒸发区硫酸钠浓度近似饱和状态。为了便于计算，假设该情况下蒸发区溶液均为饱和状态，此时可通过晶体饱和溶解度S估算出溶液中所含的硫酸钠质量，已知20℃下，硫酸钠溶解度为19.5 g/100 mL，则：

将各值进行带入计算得到表2的固化度M结果，表中表头意义第一阶段(0～432 h)、第二阶段(432～864 h)、第三阶段 (864～1 296 h)、第四阶段 (1 296～1 728 h)、第五阶段 (1 728～2 160 h)。

将表2中离子固化度对应不同浸泡龄期做图，如图4所示。

图4 5种混凝土各阶段固化度M对比

表2 各周期固化度M拟合结果 单位：g

从图4可见，在相同的侵蚀时间段内，混凝土中的硫酸根离子固化量呈现增加趋势，但随着降低，然后再缓慢升高的趋势，与图3中水分蒸发速率变化趋势基本一致。开始将干燥的混凝土试件半浸泡在硫酸钠溶液中时，由于毛细吸附使得混凝土中硫酸根离子量增加，但由于时间延长，化学反应消耗硫酸根离子，其生产产物堵塞毛细孔，反而其离子固化量下降。但随时化学反应的进行，孔隙结构的变化由促使更多的硫酸根离子进入混凝土中。对所有固化硫酸根离子量进行累计后发现，水灰比为0.50和0.55混凝土中固化的离子量是最多的，而水灰比为0.45混凝土中固化的硫酸根离子量最少，可以建议在对半浸泡在硫酸盐环境的桥墩混凝土中进行耐久性设计时，最好采用水灰比不大于0.5的混凝土。

3 结语

本文模拟了水灰比对铁路桥墩半浸泡在硫酸钠水环境中受硫酸盐侵蚀破坏的影响，得到以下研究结果：

(1)半浸泡在硫酸钠溶液中水灰比为0.35、0.40、0.45、0.50和0.55五种混凝土，水灰比为0.45的混凝土中进入硫酸根离子量最少。

(2)综合考虑试件破坏外观特征、水分蒸发速率变化和试件中离子固化量的试验结果，建议半浸泡在硫酸盐环境中的桥墩混凝土水灰比不大于0.50。