不同腐蚀环境对海工混凝土性能影响研究

封 鑫 郝雨杭

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083）

我国幅员辽阔，有着漫长的海岸线，海岸线上有着众多的码头和港口建筑，在这些建筑物中使用量最大和最基本的工程材料就是钢筋混凝土材料。P.K.Metha教授[1]总结世界50年混凝土耐久性状况时认为，如果把影响混凝土耐久性的因素按重要性递减的顺序排列的话，分别是钢筋腐蚀、冻融破坏、侵蚀环境的物理化学作用、碱集料反应等。特别是沿海及近海地区的混凝土结构，由于海洋环境对混凝土的腐蚀，导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏，丧失了结构的耐久性能，这已成为实际工程中的重要问题[2-4]。

本文研究了氯离子、硫酸根离子和冻融对大坍落度海工混凝土的影响。采用不同腐蚀环境对标准养护28d后的大坍落度海工混凝土进行腐蚀试验，对比在不同腐蚀条件下海工混凝土的抗压强度、氯离子含量和氯离子扩散系数。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

P.O42.5R型水泥，主要性能见表1；II级粉煤灰，需水量比99%，细度（45μm筛余）28%；萘系减水剂，含固量32.2%等。

1.2 试验方法

表1 水泥的主要性能

采用200t万能试验机测定28d龄期的混凝土抗压强度；采用CLCONT-U型氯离子含量快速测定仪测定混凝土不同部位的氯离子含量，然后根据不同腐蚀条件下混凝土对应部位的氯离子含量，确定各自的氯离子扩散系数。

1.3 混凝土配合比

表2为本试验设计的两种等级的大坍落度海工混凝土（坍落度为240mm）。

2 试验结果及分析

2.1 不同腐蚀环境对海工混凝土抗压强度的影响

图1表示C40和C50两种大坍落度海工混凝土在标准养护28d后经不同腐蚀环境腐蚀后强度变化的情况。可以看出，对于不同等级的大坍落度海工混凝土，单纯的氯离子对其抗压强度影响不大，氯离子是一种极强的钢筋腐蚀因子，扩散能力很强，氯离子从混凝土表面扩散到钢筋表面并积累到临界含量，使钢筋表面的钝化膜遭受破坏，导致钢筋腐蚀。而有硫酸根离子存在时，两种等级的海工混凝土强度都明显下降。混凝土在含有氯离子和硫酸根离子的复合溶液中，Cl-和SO42-是共同向混凝土内部扩散，二者都与混凝土中的铝相反应，分别生成Frield盐和AFt盐[5]。当SO42-进入混凝土内部时，会与水泥石的某些组分发生化学反应，生成一些难溶的盐类矿物，从而产生体积膨胀，当膨胀达到一定程度时，使混凝土表层开裂或软化，最终导致构件的破坏。冻融则会再加剧Cl-和SO42-对混凝土强度的影响。

表2 混凝土配合比（kg/m 3）

图1 海工混凝土在养护28d后经不同腐蚀环境腐蚀后的强度变化情况

图2 不同腐蚀环境下C 50混凝土氯离子含量的对比

2.2 不同腐蚀环境对海工混凝土内部氯离子含量的影响

测定了C50这种大坍落度海工混凝土试块在不同腐蚀模式下的氯离子含量，从腐蚀后的试块中随机取出一块，敲开后在0~10mm、25mm~35mm和40mm~50mm这三个范围段内取混凝土碎块，挑出石子后将浆体碎块手工研磨成粉末，然后测定对应的氯离子含量。图2表示不同腐蚀环境下C50混凝土氯离子含量的对比。可以看出：同一试块中由表及里的氯离子含量呈逐渐减小的趋势，且减小的速度逐渐降低，氯离子含量在混凝土中的分布类似于指数图像；外界氯离子浓度值越大，相应部位的氯离子含量就越大，说明外界氯离子浓度对混凝土内的氯离子含量有着正向的影响；在腐蚀初期，随着SO42-离子的加入，相应部位的氯离子含量减小，由于模式③中相对于模式②仅多了SO42-，因此笔者认为可能是由于SO42-的存在使混凝土内部生成了膨胀性产物（产生的膨胀性产物还不足以使混凝土结构开裂破坏），填充于混凝土孔隙中，从而阻碍了氯离子在混凝土中的扩散，氯离子含量也就随之降低。

2.3 不同腐蚀环境对海工混凝土氯离子扩散系数的影响

根据氯离子含量分布，利用Matlab程序计算氯离子扩散系数，并进行最小二乘法拟合，得到表观氯离子扩散系数拟合值。图3表示不同腐蚀环境下C50海工混凝土氯离子扩散系数的对比。可以看出，氯离子扩散系数的变化规律与氯离子含量一致。外界氯离子浓度值越大，氯离子扩散系数就越大，根据Fick第二定律可知，扩散速度与氯离子浓度差是成正比的，因此外界氯离子浓度值越大，混凝土内外氯离子浓度差越大，氯离子扩散进入混凝土中量就越多，扩散系数值就越大。随着SO42-离子的加入，氯离子扩散系数减小，SO42-的存在使混凝土内部生成了膨胀性产物，填充于混凝土孔隙中，阻碍了氯离子在混凝土中进一步扩散，扩散系数也就随之降低。

图3 不同腐蚀环境下C 50海工混凝土氯离子扩散系数的对比

结论

（1）单纯的氯离子对海工混凝土本身的抗压强度影响不大，而有硫酸根离子存在时，混凝土强度明显下降。

（2）试块中由表及里的氯离子含量呈逐渐减小的趋势，且减小的速度逐渐降低，氯离子含量在混凝土中的分布类似于指数图像。

（3）外界氯离子浓度值越大，海工混凝土相应部位的氯离子含量和氯离子扩散系数都更大，说明外界氯离子浓度对混凝土内的氯离子含量有着正向的影响。

（4）在腐蚀初期，硫酸根离子的存在使海工混凝土内部生成了膨胀性产物，有助于减小海工混凝土相应部位的氯离子含量和氯离子扩散系数。

[1] Mehta P K. Durability of Concrete-Fifty Years of Progress? [C].//2nd International Conference on Durability. Montreal Canada,1991:1-31. (ACI SP-126).

[2] Rakesh Kumara, B. Bhattacharjee. Assessment of Permeation Quality of Concrete through Mercury Intrusion Porosimetry[J].Cement and Concrete Research. 2004, (34):321-328.

[3] 赵霄龙.寒冷地区高性能混凝土耐久性及其评价方法研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2001：32-37.

[4] 李淑进，赵铁军.混凝土的渗透性与寿命[J].海岸工程, 2001,20(2)：68-72.

[5] 金祖权，孙伟，张云升，等.氯盐、硫酸盐作用下高性能混凝土损伤研究[J].工业建筑，2005，35(1)：5-7.