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混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法及评价指标研究

　　摘要：本文评述了抗硫酸盐侵蚀的中国国家标准方法、外国国家标准方法以及国内一些科研单位提出的抗硫酸盐侵蚀的试验方法，分析了这些试验方法及评价指标的合理性及存在的不足之处。结合正在修订的国家标准GBJ 82—85《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》，对两种新的混凝土抗硫酸盐试验方法——“全浸泡法”和“干湿循环法”做简单的介绍。

　　关键词：硫酸盐侵蚀；试验方法；评价指标
　　1 前言
　　研究混凝土抗硫酸盐侵蚀必须制定一套合理可行的试验方法，在既定试验方法的基础上还必须指定某些评价指标来衡量混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能。但是，我国至今还没有统一的用于混凝土抗硫酸盐侵蚀的试验方法及评价混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的指标。因此，对于混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法及评价指标的研究意义重大。
　　2 中国国家标准侵蚀方法及评价指标
　　我国曾先后三次制定了用于水泥抗硫酸盐侵蚀的试验方法的国家标准：GB 749—1965、GB／T 2420—1981和GB／T 749——2001，但是这些试验方法和评价指标都还存在着一些缺点或不足。
　　我国早期的国家标准GB 749—19651ll基本上是沿用前苏联1954年的H 114—54，采用1：胶砂，试件为10mm×l0mm×30mm的长方形试体。为保证试验结果的一致性，试件为加压成型，湿气中养护1d，淡水中养护14d，然后一部分试件仍然在淡水中养护，另一部分放人含有硫酸盐的环境水或人工配制的硫酸盐溶液中，养护至6个月。水泥的抗蚀性以腐蚀系数表示。腐蚀系数是同一龄期的水泥胶砂试件在侵蚀溶液中的抗折强度与在淡水中的抗折强度之比。评定准则为：6个月时的腐蚀系数小于时，则认为该种水泥在该环境水或该浓度的硫酸盐溶液中抗蚀性能较差。
　　该方法的优点是有明确的评定标准，但是该方法需要成型的试件数量多，试验周期长。同时，该方法没有指明侵蚀溶液的浓度，没有考虑在高 －浓度和低 －浓度时侵蚀机理的不同等问题。
　　在GB 749—65的基础上又发展了GB／T 2420—1981的测试方法，采用1：胶砂，10mm×l0mm×60mm棱柱形试体，压力成型，1d养护箱养护，7d50‘E水中养护，28d常温侵蚀，侵蚀溶液采用S瞵—浓度为2％的硫酸钠溶液。还可根据需要，采用天然环境水，或变更硫酸钠的浓度。以抗蚀系数表示抗蚀能力，抗蚀系数的定义同腐蚀系数。不论GB／T 749—65还是GB／T 2420—81，均采用小尺寸水泥胶砂试件，都不能完全反映混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。
　　我国最新颁布的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法GB／T 749—2001是以膨胀率作为评价水泥抵抗硫酸盐侵蚀能力的指标，该方法类似于ASTM的试验方法。
　　3 外国国家标准侵蚀方法及评价指标
　　目前常用美国材料与测试协会的标准评价硫酸盐侵蚀，有两种测试方法：ASTM CA52—95“暴露于硫酸盐中波特兰水泥砂浆的潜在膨胀性的测试方法”；ASTM C1012—95“暴露于硫酸盐溶液中的水硬性水泥砂浆的长度变化的标准测定方法”。
　　ASTM C452—1995是以测定水泥的潜在膨胀性来评价水泥抗硫酸盐侵蚀性能的；水泥浆试件尺寸为25mm×25mm×285mm，至一定龄期用比长仪测定浸泡在5％硫酸盐溶液中的试件长度。
[-]
膨胀率=--------------------×100%
L0
　　式中 L——试件浸到龄期的长度，mm；L1——参数对比的试件一定龄期的长度，mm；L0——试件原始长度，mm. ASTM CA52，胶砂比采用1：，试体尺寸为25mm×25mm×285mm，初期养护后测定初始长度，并将所有试体浸入硫酸盐溶液中，在各龄期测定长度。在成型测长砂浆棒的同时，还成型立方体试件，以检测强度变化。测试一种水泥所需的一套试件由6个砂浆棒和多达21个立方体组成。
　　这两种测试方法都考虑了Na2S04和MgS04两种侵蚀溶液的影响，在ASTM CA52测试方法中，硫酸盐是作为混合物加到砂浆中的，棱柱体存放于水中，这样不能正确评价混合水泥和粉煤灰及矿渣与硅酸盐水泥混合物的抗硫酸盐侵蚀性能，而ASTM C1012是将试件浸在硫酸盐溶液中，所以可以用来研究各种水泥的抗硫酸盐侵蚀性能。然而ASTM CA52和ASTM C1012共同的不足之处是试件尺寸采用25mm×25mm×285mm，由于试件体积小，成型时的微小变化都可能对试验的结果产生显着的影响，从而使试验结果的离散性很大。
　　在英国、日本等国对抗蚀性本身不做任何规定，只规定抗硫酸盐水泥的品质指标，认为达到该指标的水泥均具有一定的抗硫酸盐侵蚀性能。
　　在德国，采用了氧扩散法[刮，试件的灰砂比为1：3，规格为10mm×40mm×l60mm.试件成型2d后脱模，放人20℃的Ca2饱和溶液中，在14d时再移人％的Na2S04溶液中，分别在5℃或20℃的温度下养护。在各龄期连续测定试件的长度变化、共振频率和质量变化，并计算试件的弹性模量。采用氧扩散法测定经20℃硫酸盐溶液浸养试件的渗气性并计算它们的有效扩散系数。
　　最后就是以前苏联、罗马尼亚等国为代表，采用水泥试件在侵蚀环境中一定龄期的强度与淡水中相同龄期强度的比值来评价抗蚀性。
4 国内科研单位提出的抗硫酸盐侵蚀方法及评价指标
　　目前，国内在研究混凝土受硫酸盐等盐类侵蚀时，各科研单位有提出过相应的试验方法和评价指标，但是这些方法都不同程度地效仿了上述国家的三类标准测试方法，因此也具有一定的局限性。
　　华南理工大学与广东省水利厅的试验方法采用砂浆试件，将40cm×40cm×l60cm的棱柱体试件在50℃水中养护7d后进行侵蚀试验。于室温下浸泡16h，一组浸泡在20℃水中，另两组分别浸泡在％的Na2SO4和3％的Na2SO4溶液中，于75℃烘7h，冷却1h，以此作为一个循环，共进行28个循环，然后测试砂浆的抗折强度，并按下式计算其相对抗折强度K：K=砂浆在硫酸钠溶液中循环后的抗折强度／砂浆在自来水中相同循环后的抗折强度最后试验结果以K值的大小来相对的评价砂浆的抗侵蚀性能。

　　东南大学与南京长江二桥建设指挥部的试验方法采用混凝土试件，参考水泥抗硫酸盐侵蚀标准GB 749—65方法进行，试件尺寸为l0cm×l0cm×10cm，成型后标养28d，一组浸泡在3％的Na2SO4溶液中，每两个月换一次溶液，浸泡150d，另一组于水中养护。最后以混凝土的抗压强度变化率来相对的比较混凝土的抗侵蚀的能力。
　　暨南大学与广州大学的试验方法采用混凝土试件，试件尺寸10cm×l0cm×l0cm，成型后标养7d，将试件边角易损部分小心清理干净，放于5％2SO4和5％Na2SO4溶液中，1d后，测体积为原始体积，28d后再测体积，其间不调整溶剂，不调整pH值，两体积之差为混凝土体积的膨胀值，均采用排水法测体积。测完体积后分别再测混凝土的抗压强度。最后以体积膨胀值和强度损失率来比较混凝土的抗侵蚀性能。
　　西北院科研所的试验方法[10]采用砂浆试件，分为“快蚀法”和“慢蚀法”两种方法。均将MgSO4和Na2SO4加入蒸馏水中配置成SO42 －的含量分为7000mg／L、20250mg／L和3000mg／L的溶液：“快蚀法”，根据“水泥抗硫酸盐试验方法GB 2420—80"进行，控制试件胶砂比为1：，水灰比为，试件尺寸10mm×l0mm×60mm，采用挤压成型，24h脱模，将试件放在50℃水中养护7d，然后分别放入侵蚀液中浸泡28d，然后测抗折强度。
　　K=浸泡在侵蚀液后的抗折强度／自来水中浸泡相同龄期的抗折强度最后以“抗蚀系数”K的大小来评价各种材料的相对抗侵蚀性能。
　　“慢蚀法”，根据“水泥抗硫酸盐试验方法GB 749—65”进行，此法控制胶砂比为1：，水灰比为，试件尺寸为10 mm×l0 mm×30mm，采用挤压成型立即脱模，先在相对湿度大于90％的湿气中养护1d，再放人淡水中养护14d，然后在侵蚀液中浸泡6个月。
　　最后同样用K来评价抗蚀能力，所不同的是，此法用K值小于时就认为该砂浆不耐蚀。
　　该院还利用溶液SO42 －的含量为2500mg／L时的试验数据分析出了“快蚀法”与“慢蚀法”间的规律:
(K-1)
F6=+

　　式中 F6 ——慢蚀系数；K——快蚀系数。
　　5 修订中的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法
　　正在修订中的GBJ 82—85《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》，混凝土抗硫酸盐侵蚀是其中的重要一部分。该标准在修订过程中提出将混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法按混凝土的强度等级分为“全浸泡法”和“干湿循环法”两类，强度等级在C30以下的普通混凝土拟采用“全浸泡法”，强度等级在C30以上的普通混凝土拟采用于湿循环法。这两种方法最后能否采用尚不清楚，但是其独到之处值得学习、借鉴，下面就两种方法做简单介绍。
　　全浸泡法该法成型100mm×l00mm×l00mm的混凝土试件，标养28d将试件取出，然后移入5％Na2SO4溶液中，侵蚀龄期从试件移人起开始计算。按试验设计龄期分别取出一组试件测定在侵蚀介质中以及清水中相同龄期、相同配比的混凝土抗压强度，求出抗腐蚀系数K值。
　　该法与以往国家标准方法主要的不同点是抗腐蚀系数不再沿用以往方法的抗折强度比。硫酸盐侵蚀混凝土后会在混凝土内部产生一定量的钙矾石，这种矿物一般具有典型的发射形针状结构且互相紧密搭接，这样的结构对于提高混凝土的抗折强度是很有利的，因此用抗折强度比来定义抗腐蚀系数容易造成混凝土抗蚀性能的假象。而用抗压强度比来定义抗腐蚀系数显然可以避免这方面的问题。。
　　干湿循环法该法的试验过程与国内一些科研单位提出的相似，但具体的评价指标方面变化较大。试件标养28d进行干湿循环试验。大致循环制度是：试件在适宜的侵蚀溶液中浸泡一段时间，然后放人一定温度的烘箱中烘干一段时间，冷却称重以及测抗压强度为一循环。固定每一循环的时间。每隔一定循环后称一次质量，并做一组抗压强度试验，同时观察经过循环后混凝土表面的破损情况。
　　该方法在评价指标方面也未采用以往的抗折强度比，而是提出两个新评价指标：“强度耐蚀系数”和“质量耐蚀系数”。“强度耐蚀系数”和“质量耐蚀系数”的大致含义是在进行了"次循环后混凝土的相对抗压强度值与当次循环次数占试验最大循环次数的百分数的乘积。
　　该方法还定义当混凝土质量耐蚀系数在95％以上或强度耐蚀系数在75％以上即认为抗硫酸盐侵蚀性能合格。
　　6 结语
　　GB 749—1965、GB／T 2420—1981、GB／T 749—2001三个版本的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法及评价指标本身就存在着不足，确切地说GB 749—1965是用于评定水泥抗侵蚀性的标准，这个标准的优点是与使用环境相似，工程意义明显，其缺点是试验周期太长；而GB／T 2420—1981是用来比较水泥抗侵蚀性的标准，这个标准的优点就是试验周期短，但是其有着重大的缺点，该标准只规定了试验方法等内容，但是试验用试件尺寸偏小，且对试验结果未加任何说明。以至于试验所得的结果对水泥抗侵蚀性的评价无从谈起。而国内一些科研单位采用的试验方法都不同程度的派生于此，也具有局限性。
　　以美国为代表的ASTM方法中，以膨胀性来衡量混凝土的抗侵蚀性，这与混凝土的实际工作环境不符，因为在大量的建筑物中混凝土的侵蚀膨胀破坏有时是在有环境、荷载等约束条件下发生的，而试验中的膨胀是在无约束情况下的膨胀值，因此以该膨胀率来衡量抗侵蚀性能也是不妥的。
　　修订中的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法，拟分为全浸法和干湿循环法两大类。对于全浸法主要的弊端还是试验周期太长，不利于实验室展开研究；对于干湿循环法则主要是利用温度的变化控制来加速侵蚀性离子在混凝土内部的结晶膨胀，但是到底采用多高的温度最适宜研究混凝土的抗侵蚀性能我们不得而知。另外，采用干湿循环法时是否还存在用什么侵蚀溶液浸泡最合适、最佳浸泡浓度是多少、最佳浸泡时间多长等问题需要推敲，这些都需要做进一步的研究。