盐渍土条件下水工混凝土抗腐蚀性分析_朱冰.pdf

82 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）盐渍土条件下水工混凝土抗腐蚀性分析朱 冰（盘锦市水利服务中心，辽宁 盘锦 124010）摘 要：以辽东半岛冲积平原盐渍区盘锦市为例，通过实地取样检测分析了其盐渍土基本特征，并结合盘锦市主要易溶盐含量配制 0.25%、2.5%、5.0%的复合盐侵蚀溶液，以水溶液和单盐侵蚀溶液为对比，试验探讨长龄期浸泡条件下水工混凝土的抗腐蚀性能。结果表明：在单盐和复合盐溶液长期浸泡后，水工混凝土强度和质量均表现出先增加后减小的变化规律，且损伤程度随复合盐浓度的增大而增强；水工混凝土在复合盐溶液中的抗侵蚀性能强于硫酸盐，可以为盐渍土条件下水工混凝土及防护材料耐久性研究提供一定参考。关键词：水工混凝土；抗腐蚀性；盐渍土；盘锦市中图分类号：TV431文献标识码：B据统计，全球约有 9.5 亿 hm2的盐渍土，各种类型的盐渍土广泛分布于半干旱和干旱地带以及百余个国家的滨海、岛屿地区1。盐渍土也广泛分布于我国各地区，盐渍土面积达到约 1 亿 hm2，如海南岛、广东以及广西等滨海盐渍区，辽东半岛冲积平原盐渍区，沿唐古拉山、巴颜克拉山、积石山、西倾山、颍河、淮河一线以北的沙漠环境和半干旱地带的草原及荒漠草原盐渍区，这些地区出流滞缓，地下径流与地面汇集，地势相对低平。盐渍土地区的水环境或土壤中含有大量的、C1-等可溶性盐类，一般盐含量可以达到 0.6%1.0%，局部区域更高，加之土壤排水不畅具有较高的含水率，对混凝土的腐蚀性较强，盐渍土区域的混凝土墩柱、灌注桩、水工构筑物等普遍面临着严重的侵蚀破坏问题2-5。鉴于此，文章实地取样分析了盘锦市盐渍土基本特征，考虑主要易溶盐含量及成分配制0.25%、2.5%、5.0%的复合盐侵蚀溶液，通过模拟实际盐渍土侵蚀环境研究探讨不同盐溶液的侵蚀特征，采用强度衰减、视角观测等方式表征混凝土损伤劣化过程及其机理，旨在为盐渍土条件下水工混凝土防护及其耐久性评价提供科学依据。1 土样特征通过野外实地勘察，在辽东半岛冲积平原盐渍区盘锦市，选取盐渍化较严重且具有代表性的采样点进行土样采集，对距离地表 05cm、525cm、2550cm、5075cm、75100cm 深度范围对各采样点取样，然后送到盘锦市专业检测机构测试分析。根据、M+、K+八大离子在 1m 深度内的浓度测试结果，按照岩土工程勘察规范和水利水电工程土工试验规程中的规定得到盘锦市盐渍土主要为碳酸盐、硫酸盐，土壤总含盐量及理化性质，如表 1 所示。表 1 土壤易溶盐含量及其理化性质深度05cm525cm2550cm5075cm75100cm易溶盐含量/mg（100g）-12812.851650.4692.50451.7240.50理化性质CO32-HCO3-SO42-Cl-/含量(%)0.07220.08610.14910.1025/文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期 2022-09-04作者简介 朱冰（1976-），女，辽宁盘锦人，高级工程师，研究方向为水利工程建设管理、水利工程施工、水利工程监理、混凝土质量控制、水利工程质量安全监督管理等。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.004 83 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）由表 1 可知，盘锦市盐渍土各种离子类型齐全且盐分含量较高，故选择该盐渍土的主要易溶盐成分配制试验所用侵蚀溶液。2 研究方法2.1 侵蚀溶液配制盘锦市盐渍土易溶盐成分以 SO42-、C1-为主，考虑到盐分的积聚特征致使表层土壤含盐量较高的情况，故以 25cm 深度范围内的土样易溶盐（SO42-、C1-）含量实测值，配制基准浓度 0.25%、10 倍基准浓度2.5%和20倍基准浓度5.0%的复合盐溶液，又配制清水溶液。为探讨每种单盐的侵蚀特征和破坏程度，结合试验速度又配制了质量分数 3.8%和1.2%的单种单盐侵蚀溶液，各组溶液浓度及盐用量，如表 2 所示。表 2 侵蚀溶液浓度及盐用量编号溶液浓度/%盐类型与用量/gL-1备注Na2SO4NaClP1000自来水P20.251.860.65基准浓度P32.518.606.5010 倍基准浓度P45.037.2013.0020 倍基准浓度P4-13.837.200P4 组 Na2SO4用量P4-21.2013.00P4 组 NaCl用量2.2 原材料准备原材料采用盘锦金润水泥有限责任公司生产的PO42.5 级水泥、粒径 525mm 的石灰岩碎石、细度模数 2.6 的砂子和普通自来水，依据水工混凝土配合比设计规程 合理设计C30混凝土配合比，砂率 40%，水胶比 0.5，如表 3 所示。表 3 试验配合比及 28d 抗压强度强度等级原材料用量/kg（m3）-128d 强度/MPa水胶比水水泥砂碎石C300.5200400680102036.22.3 试验方案根据试验配合比精准称量所需原材料，经拌和、振捣、入模成型和编号标记等试验操作，室内静置24h 拆模，随后置于标养室养护 28d，达到规定龄期后再放置于水溶液和 P1、P2、P3、P4、P4-1、P4-2 侵蚀溶液中，试件上表面距离液面 20cm，以全浸泡的方式进行长龄期侵蚀时间。为减少水分蒸发，在试验过程中利用塑料薄膜密封容器，每隔30d 更换一次溶液以维持浓度不变，侵蚀龄期达到0d、30d、60d、120d 时测试混凝土抗压强度和质量变化率，并观测试件表面变化情况。3 结果与分析3.1 外观现象变化水工混凝土长期浸泡于侵蚀溶液中，其外观形貌发生一定的改变。具体而言，在水溶液中浸泡120d时混凝土的外观形貌与初始状态变化不明显，而在复合盐溶液浸泡 120d 时试件表面发现许多细小裂纹，各边角部位和侵蚀面都发现一定的剥落现象；在 Na2SO4溶液中浸泡 120d 时试件表面特别是半封闭孔处发现有雪花状白色物质，并且表现出一定的聚集特征，表面有鼓包和贯通裂缝，混凝土出现剥落，有碎屑沉积于容器上，混凝土在 Na2SO4溶液中的损伤程度较大；在 NaCl 溶液中浸泡 120d时试件表面发现有片状或小麻点白色聚集物，混凝土体积出现微膨胀，试块表面有微脱落。3.2 质量变化规律各组盐溶液中水工混凝土质量损失率变化规律如图 1，结果表明试件质量损失表现出先减小后增大的变化趋势。复合盐溶液中的 SO42-、C1-离子不断向混凝土内部渗透，并与水化产物反应生成钙矾石和水化氯铝酸钙，所以复合溶液中共同存在两种产物。水泥水化产物与混凝土内部渗入的盐溶液反应生成的盐类矿物量高于溶出量，故浸泡前期试件质量呈增大趋势，随着浸泡龄期的增大生成的晶体逐渐挤压孔壁，从而使得试件出现轻微剥落和裂纹，质量损失率明显增加，并且随着复合盐溶液浓度的增加混凝土质量损失更大6-9。由图 1 可知，水工混凝土长期浸泡于单盐溶液时也产生一定的剥落，试件质量不断衰减，但其变化规律与水溶液存在一定差异，经过水溶液浸泡后水工混凝土的质量损失较小，质量损失率呈缓慢上升趋势，说明混凝土质量受水溶液侵蚀作用较低；而经过单盐溶液浸泡的水工混凝土质量呈现出先小幅增大后逐渐减小的变化特征，究其原因与复合盐溶液基本相同，但其水化氯铝酸钙高于钙矾石的膨胀性，因此前期影响程度为 NaCl 复合盐 Na2SO4。然而，Ca(OH)2在 NaCl 溶液中的溶解度较高，对水泥石造成破坏作用，故后期混凝土质量 84 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）损失率在 NaCl 溶液中最高。-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.00030d60d120d浸泡时间/dP2P3P4相对质量损失率/%-2.00-1.50-1.00-0.500.000.501.001.502.00030d60d120d浸泡时间/d自来水Na2SO4NaCl相对质量损失率/%图 1 水工混凝土相对质量损失率3.3 抗压强度变化水工混凝土抗侵蚀能力可利用抗压系数 K 来表征10-12，其计算公式为K=R溶液/R清水，其中R清水、R 溶液代表浸泡在水溶液和某侵蚀溶液中同一龄期的混凝土抗压强度，不同浸泡龄期时各组盐溶液中的混凝土抗压抗蚀系数，如表 4 和图 2 所示。表 4 抗压抗蚀系数编号抗压强度/MPa抗压抗蚀系数初始30d60d120d30d60d120dP136.249.151.043.61.0001.0001.000P236.250.553.645.41.0291.0511.041P336.251.454.546.21.0471.0691.060P436.252.655.847.61.0711.0941.092P4-136.253.052.443.81.0791.0271.005P4-236.250.252.745.51.0221.0331.0440.951.001.051.101.15030d60d120d浸泡时间/dP2P3P4抗压抗蚀系数 0.900.951.001.051.101.15030d60d120d浸泡时间/d自来水Na2SO4NaCl抗压抗蚀系数图 2 水工混凝土抗压抗蚀系数结果表明，在复合溶液浸泡初期，随着侵蚀龄期的延长试件的抗压强度逐渐增大，并且溶液浓度越高抗压强度增幅越大，而后期则表现出小幅下降趋势。在水溶液浸泡前期，随着龄期的延长试件抗压强度增大，这主要与水泥水化有关，持续水化达到稳定后抗压强度基本不变，之后有所衰减，究其原因可能是水分子的不断渗入具有一定溶解侵蚀作用13-15。通过对比 NaCl 和 Na2SO4侵蚀溶液可知，由于浸泡前期 C1-侵蚀的膨胀产物膨胀程度小于 SO42-离子，故试件抗压强度呈 NaCl Na2SO4溶液，浸泡后期由于混凝土内部的孔隙最先被 SO42-侵蚀的膨胀产物充满，所以 180d 龄期时试件强度呈 Na2SO4 NaCl 溶液。通过对比单盐及复合盐溶液可知，混凝土抗压抗蚀系数在复合盐溶液中的排序为 P2 P3 P4，整体高于 Na2SO4溶液中的抗压抗蚀系数，这说明水工混凝土在复合盐溶液优于（下转第 131 页）131 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）扫装置，可以及时清扫钢筋笼外侧保护层，保障灌注桩浇筑质量，有效控制该项目的施工成本。参考文献：1 李永庆，曹良桂，王世强,等.超高层建筑超深桩基水下高性能混凝土的研究与应用 J.建筑施工,2020,42(02):2.2 吴政，张成波，鞠其凤，等.引孔锤击沉管混凝土灌注桩施工工艺研究与应用 J.水利水电技术,2020(S01):7.Na2SO4溶液中的抗侵蚀性能。究其原因，侵蚀溶液中的 SO42-扩散速率约为 C1-的 0.5 倍，水化产物会率先与 C1-反应生成水化氯铝酸钙，其膨胀性低于钙矾石，这在一定程度降低了 SO42-与水化产物生成钙矾石的数量，相当于减轻了硫酸盐溶液对混凝土的损伤作用，但侵蚀后期复合盐溶液中的 C1-延长了侵蚀时间，在一定程度上降低了试件损伤程度。4 结 论1）盘锦市盐渍土中的各种离子类型齐全且盐分含量较高，水工混凝土长期处于该侵蚀环境中势必会损伤其耐久性，水利工程有关部门应高度重视。2）浸泡在单盐和复合盐溶液中的水工混凝土质量均表现出先增大后减小的变化趋势，溶液浓度越大所产生的侵蚀破坏越强，相较于其它组盐溶液，长期浸泡后的水工混凝土质量损失受 NaCl 溶液的影响最大。3）在复合盐溶液中，随着浸泡龄期的延长水工混凝土抗压强度呈先上升后下降的变化趋势，但依然高于 Na2SO4溶液，这说明水工混凝土在复合盐溶液优于在 Na2SO4溶液中的抗侵蚀性能，相较于其它组盐溶液，长期浸泡后的水工混凝土强度衰减受 Na2SO4溶液的影响最大。参考文献：1 袁俊，王学明，魏鹏，等湿养护不充分条件下矿物掺合料对混凝土抗盐渍土性能的影响 J硅酸盐通报,2019,38(07):2829-28342 满都拉，银花，曹美琪盐渍土环境下混凝土耐久性研究进展 J硅酸盐通报，2016，35(11):3575-35803 乔宏霞，何忠茂，刘翠兰硫酸盐环境混凝土动弹性模量及微观研究 J哈尔滨工业大学学报，2008，40(08):1302-13064 黄继兴，樊小伟戈壁滩盐渍土地区桥涵结构物耐久性设计研究 J城市道桥与防洪，2019(07):133-1355 张伟，陈正汉，黄雪峰，等硫酸盐渍土的力学和细观特性试验研究 J建筑科学，2012，28(01):49-546 林德源，亦博，陈云翔，等盐渍土环境下钢筋混凝土腐蚀的研究进展 J材料导报，2014，28(06)：137-1417 张洪萍，杨晓华新疆北部地区盐渍土的腐蚀机理及防治措施 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