摘 要: 采用模拟和加速腐蚀试验方法,研究了广州地铁工程混凝土对地下水的耐腐蚀性能. 结果表明,将与实际工程相同的混凝土试件在20 ℃含有Cl- 和SO2 -4 的模拟地下水溶液中养护,其与标准养护混凝土试件的强度比随龄期持续下降. 浸泡40天时混凝土芯样中Cl- 含量接近标准规定的限度,升高温度和干湿交替加速试验对混凝土的强度和耐腐蚀性能有不同的影响.
关键词: 地铁工程混凝土; 耐腐蚀性能; 模拟地下水作用; 加速腐蚀
中图分类号: TU 528. 571 文献标识码: A
我国地下水特别是浅层地下水受污染比较严重[ 122 ] ,地铁工程混凝土遭受着各种各样的腐蚀,包括地下水的渗流溶蚀,酸性地下水的侵蚀,地下水中含有硫酸盐、氯离子的侵蚀等等,因此,在地下水作用下,地铁工程混凝土的性能受到严重影响.根据广州市轨道交通三号线水质分析结果,三号线有20个点存在不同程度的腐蚀,占取水样的35% ,其主要腐蚀介质是地下水中的Cl- 、SO2 -4 及侵蚀性CO2. 其中某段岩土工程勘察水质分析结果表明,水样中Cl- 含量为7 203mg/L, SO2 -4 含量为2 805mg/L. 根据GB50021—94《岩土勘察规范》,该地下水对混凝土结构腐蚀性评价为中等腐蚀,对混凝土结构中的钢筋腐蚀性评价为强腐蚀.
本文中采用模拟及加速腐蚀试验方法,根据广州地铁三号线某段水质分析结果,配制Cl- 、SO2 -4浓度倍数为1、3、10的水溶液,分别在常温20℃、较高温度60 ℃和干湿交替3种条件下对混凝土进行浸泡,探讨混凝土对地下水的耐腐蚀性能.
1 试验材料与试验方法
1. 1 试验材料
采用广州市花都宝岗特种水泥厂生产的宝岗牌P. O42. 5R水泥; 产于肇庆西江的细度模数为2. 7的中砂;粒径在5～31. 5mm之间的碎石;广州西卡建筑材料有限公司生产的SikamentNN型高效减水剂. 所有材料均为广州地铁三号线某段盾构工程混凝土管片实际所用原材料.
1. 2 混凝土配合比
试验采用的混凝土配合比与实际盾构工程混凝土管片相同, 设计强度等级为C50, 抗渗等级为P12,参数列于表1.
1. 3 试件成型及养护
按GB J81—85《普通混凝土力学性能试验方法》成型混凝土试件,试件规格为150mm ×150mm ×150mm和150mm ×150mm ×550mm.试件标准养护14天后在配制水溶液中浸泡养护. 配制水溶液中各种离子的浓度分别为地下水的1、3和10 倍( 1 倍的称为模拟水溶液) ,如表2 所示. 养护制度又分为常温20 ℃、较高温度60 ℃和干湿交替,其中干湿交替制度是每5天干湿循环一次,将试件从配制水溶液中取出表干后,在60 ℃烘干4 h,待试件冷却后放入水溶液中继续浸泡 324 ] .
1. 4 样品制备
规格为150mm ×150mm ×550mm的试件用环氧树脂密封边长为150mm的两端面,以保证受腐蚀条件一致,在配制水溶液中浸泡10天后,沿试件的150mm ×550mm端面中心线进行钻芯取样,芯样尺寸为Φ50mm ×60mm,用环氧树脂封闭试件取样后留下的空洞,待固化后继续养护,此后沿该端面中心线每10天取样一次.
将芯样从表及内分层切割成每层厚度为(15 ±1)mm的3层,分别破碎,剔除石子,然后研磨至全部通过0. 08mm筛,并烘干,粉样加入10倍质量的蒸馏水制成悬浮液,振荡8 h后静置16 h,再过滤,滤液用于测定混凝土芯样中可溶性Cl- 含量和SO2 -4含量.
1. 5 性能检测
按GBJ81—85《普通混凝土力学性能试验方法》检验混凝土试件强度;按GB /50344—2004《建筑结构检测技术标准》附录C《混凝土中氯离子含量测定》测定混凝土芯样中可溶性Cl- 含量(以Cl- 离子质量占混凝土中水泥质量的百分比计) ; 按GB /T176—1996《水泥化学分析方法》中SO3 含量测定方法测定混凝土芯样中可溶性SO2 -4 含量(以SO3质量占混凝土中水泥质量的百分比计). 分别测定每层中Cl- 和SO2 -4 含量,并计算3层的平均值.
2 结果与讨论
2. 1 混凝土强度
2. 1. 1 模拟水溶液对混凝土强度的影响20 ℃下标准养护与模拟水溶液养护的混凝土强度见表3,后者的28、60和90天抗压强度均比前者低. 这是因为模拟水溶液中有较高含量的SO2 -4(2 805mg/L) ,使混凝土产生石膏- 硫铝酸钙复合型侵蚀[ 526 ] ,这些膨胀性产物使混凝土结构中产生微裂纹而导致强度下降. 从试样养护28天时的扫描电镜照片(如图1所示)中可见标准养护的混凝土结构较致密,表面较平整,而模拟水溶液养护的混凝
土结构较疏松,孔隙较多,且呈现为遭受腐蚀后的孔隙形态,孔隙中有很多腐蚀反应产物———钙矾石. 随龄期延长,虽然水化程度增大会使混凝土强度升高,但由于模拟水溶液中的SO2 -4 离子不断渗透进入混凝土,生成膨胀性产物,对强度不利,两方面作用相互抵消使模拟水溶液养护的混凝土强度增加缓慢,与同龄期标准养护的混凝土的强度比更小.
2. 1. 2 升高温度及干湿交替对混凝土强度的影响如图2所示,同样在模拟水溶液中养护,对28天龄期, 60 ℃下的强度最大,干湿交替条件下次之,20 ℃下的强度最低;对60和90天龄期, 20 ℃下混凝土强度增长少, 60 ℃下强度下降,干湿交替条件下强度呈较大幅度的上升趋势. 这是因为,在20 ℃下,硫酸盐腐蚀反应速度慢,随龄期延长,水泥继续水化产生的强度增长仍大于硫酸盐腐蚀导致的强度下降,故强度有增长但幅度小. 在60 ℃下,由于温度较高,水泥水化加剧,混凝土28天龄期强度虽然很高,但高温下硫酸盐腐蚀反应的速度也加快,产生的不利影响大于水化加速的有利影响,导致随龄期延长强度下降. 干湿交替对混凝土的早期强度影响较大,本试验在19天龄期进行第一次干湿交替,此时混凝土的结构已形成,湿养护时混凝土中的毛细孔中充满水,干燥时水分挥发,毛细孔收缩,会导致混凝土的孔结构发生改变,由干燥引起的收缩不会完全恢复[ 628 ] ,再次湿养护时毛细孔充水膨胀的程度不能恢复到与干燥之前一样,混凝土中毛细孔的数量和尺寸都减小,同时由于采用60 ℃、4 h烘干的方法进行干燥,高温下水泥水化加速,生成更多水化产物封堵原有的毛细孔,使结构更密实,这可能是干湿交替下混凝土28 天龄期强度比20 ℃的高的更主要原因. 由于上述对混凝土结构的有利作用大于硫酸盐
腐蚀对混凝土结构的不利作用,随龄期延长混凝土强度增长较多. 基于此种干湿交替试验方法带来的影响,今后研究中应改高温烘干为真空干燥.
2. 1. 3 配制水溶液浓度对混凝土强度的影响图3显示(1)随配制水溶液浓度提高,即Cl- 和SO2 -4 浓度增大,混凝土的抗压强度下降,主要是因为硫酸盐的腐蚀反应加剧,生成更多膨胀性产物使混凝土结构遭到破坏所致; ( 2) 60 ℃下,混凝土60天强度比28天强度下降,而且随配制水溶液浓度提高,强度下降的幅度越大,这也是因为硫酸盐的腐蚀反应加剧的缘故; ( 3)干湿交替下,混凝土60天强度比28天强度反而提高,原因如2. 1. 2中所述.
2. 2 混凝土中可溶性Cl- 含量图4为不同条件下不同混凝土芯样各层Cl- 含量. 结果显示,混凝土芯样中Cl- 含量呈表层高、内层低的变化规律,第1层Cl- 含量明显高于第2、3层,第2层中Cl- 含量略大于第3层,这说明在较短龄期时, Cl- 大量在混凝土表面聚集,渗透进混凝土内部的Cl- 离子较少,该混凝土强度和抗渗等级都较高,结构较密实,孔隙率较小, Cl- 较难渗透进混凝土内层,且渗透速率较为缓慢. 地铁混凝土构件为处于潮湿环境中的钢筋混凝土,按GB50164—1992《混凝土质量控制标准》对混凝土中氯化物总含量规定, Cl- 不得超过水泥重量的0. 1%. 本文中检测出在不同养护条件下,混凝土表层的Cl- 含量均超过了上述标准的限度要求,内层Cl- 含量虽未超过上述限度,但随龄期延长,渗透进入混凝土内部的Cl- 不断增多,钢筋表面的混凝土层(芯样第3层)中的Cl- 含量就会超过上述限度,导致钢筋锈蚀破坏[ 9210 ] .
图5为不同养护条件下各龄期混凝土芯样中Cl- 含量平均值. 从图可见,随龄期增长,混凝土芯样的Cl- 含量呈现增长趋势,说明配制水溶液中的Cl- 不断渗透进入混凝土内部. 图5表明,在配制水溶液中浸泡20天,不同养护条件下的混凝土芯样中Cl- 含量平均值大多超过上述限度,主要是表层中Cl- 含量很高导致Cl- 含量平均值超标,这些Cl- 都已进入混凝土中,它们继续向内渗透,很容易使钢筋表面的混凝土层中的Cl- 含量超标.
尤其值得注意的是,在20 ℃模拟水溶液中养护的混凝土,与实际地铁混凝土构件所处环境相似,短短40 天混凝土芯样中Cl- 含量平均值就达0. 096% ,接近上述0. 1%限度,由此可见实际地铁混凝土构件较易产生钢筋锈蚀,混凝土耐久性能令人堪忧.
2. 2. 1 升高温度和干湿交替对混凝土中Cl- 含量的影响同样在模拟水溶液中浸泡,升高温度和干湿交替加速腐蚀对渗透进入混凝土内的Cl- 含量影响较大,如图6所示,基本上有以下规律:与20 ℃下养护相比, 60 ℃下养护的混凝土芯样中Cl- 含量更小,而干湿交替下养护的混凝土芯样中的Cl- 含量更大.这是因为, 60 ℃下水泥水化加速,生成更多水化产物,混凝土结构更密实,如表4中孔结构数据表明, 3个试样中, 60 ℃养护混凝土试样的单位质量孔体积最小,孔径大于100 nm的孔含量比20 ℃养护混凝土试样明显减少,而小于10 nm的孔含量比20 ℃和干湿交替养护混凝土试样都明显增多,故Cl- 渗透较难;而干湿交替下,如前所述虽然混凝土中毛细孔的数量和尺寸都减小,但烘干时混凝土毛细孔中的水分挥发出来形成渗透通道[ 223 ] ,再浸泡到模拟水溶液中时, Cl- 较易渗透.
2. 2. 2 配制水溶液浓度对混凝土中Cl- 含量的影响图7和图8分别表示60 ℃和干湿交替条件下,
配制水溶液浓度对混凝土中Cl- 含量的影响. 由图可见,随配制水溶液浓度增大,混凝土芯样中的平均Cl- 含量明显增大. 这是因为配制水溶液中Cl- 浓度增大,使得其与混凝土内部孔隙溶液的浓度差越大,Cl- 的渗透速度越快, 渗入混凝土内部的Cl- 量越多.
2. 3 混凝土中可溶性SO2 -4 含量
图9为不同养护条件下各龄期混凝土芯样中可溶性SO2 -4 平均含量. 因为硫酸盐腐蚀反应生成的石膏和钙矾石为难溶物质,检测的可溶性SO2 -4 平均含量为渗透进入混凝土内部的SO2 -4 平均含量减去已发生腐蚀反应的SO2 -4 含量.
从图9可以看到(1)混凝土芯样中可溶性SO2 -4含量有一明显规律:随龄期延长而降低,这是因为腐蚀反应消耗了渗透进混凝土内部的SO2 -4 转化为难溶物质钙矾石和石膏; ( 2 ) 混凝土芯样中可溶性SO2 -4 含量没有出现与Cl- 含量测定结果相似的规律,因为可溶性SO2 -4 含量与渗透速率及腐蚀反应速率两个因素有关. 如:随配制水溶液浓度增加,由于水溶液中SO2 -4 浓度与混凝土孔隙溶液中SO2 -4浓度的浓度差增大, SO2 -4 渗透速率增大,相同龄期渗透进入混凝土内部的SO2 -4 就增多;而腐蚀反应速率也随渗透进入混凝土内部的SO2 -4 增多而增大,则混凝土芯样中溶出的SO2 -4 含量随配制水溶液浓度增加不呈规律性变化. 在今后的研究中应改为测定混凝土芯样中的全硫含量,以确定渗透进入混凝土中的SO2 -4 含量.
3 结论
(1)由于腐蚀离子SO2 -4 的影响,在模拟地下水溶液中养护的混凝土比标准养护的混凝土强度低,且随龄期延长两者的强度比值减小;在60 ℃模拟地下水溶液养护的混凝土强度随龄期延长而下降,干湿交替条件下养护的混凝土强度随龄期延长而提高,随配制水溶液浓度提高,混凝土的强度下降.
(2)在不同条件下养护40天内,渗透进混凝土内部的Cl- 大量在混凝土表面聚集,表层Cl- 含量显著高于内层,芯样表层Cl- 含量和大多数芯样Cl- 含量平均值均超过GB50164—1992《混凝土质量控制标准》对潮湿环境下钢筋混凝土中的氯化物总含量的规定限度;且随龄期延长,渗透进混凝土中的Cl- 含量不断增加,易导致钢筋锈蚀.
(3)与20 ℃模拟地下水溶液养护的混凝土相比, 60 ℃模拟地下水溶液养护的混凝土Cl- 含量在10、30天龄期都更小,只是在20天龄期稍大,干湿交替下养护的混凝土Cl- 含量更大. 随配制水溶液浓度增大,混凝土芯样中的Cl- 含量明显增大.
(4)随龄期延长,渗透进混凝土内部的SO2 -4 离子更大程度转化为难溶物质钙矾石和石膏,混凝土芯样中可溶性SO2 -4 含量降低.
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