硫酸硝酸混合溶液侵蚀后混凝土抗压性能试验研究
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摘 要：为了模拟酸雨环境，本文采用加速腐蚀的试验方法，配置两同浓度的硫酸和硝酸混合溶液（ph值为2.5和3.5），对C40混凝土进行腐蚀。研究了混凝土腐蚀后的质量损失、抗压强度等力学性能。试验结果表明，保持ph值恒定的情况下，氢离子溶解水泥石中的Ca(OH)2造成的质量损失增加明显，在腐蚀初期，混凝土强度减小，中期增强，而后降低的变化规律，期中酸度较浓的溶液浸泡的试块，中期强度增强明显，表明硫酸根例子与硬化水泥石作用生成膨胀性的物质使混凝土密实，增强了混凝土的抗压强度，混凝土试块强度损失率与弹性损失率变化趋势基本一致。
关键词：混凝土；腐蚀；质量损失
1 引言
混凝土材料是当今建设工程中使用最大宗的建筑材料，其性能的优劣对建设工程质量有重大的影响；而酸雨是目前全世界范围内的环境污染问题，人们称之为“空中杀手”[1]酸雨不仅会使混凝土变色，表层剥落，还会降低混凝土的强度，对混凝土建（构）筑物的正常使用和耐久性造成影响。
目前国内外关于酸雨溶液腐蚀研究不多，且大多基于定性的研究，或基于化学分析和其他手段腐蚀研究，因此在实验室建立加速腐蚀试验，研究混凝土受酸雨腐蚀的影响是十分有意义的[2]。本文采用酸雨的主要成分（H2SO4+HNO3）快速腐蚀的试验方法，研究了酸雨腐蚀后混凝土的质量损失、抗压强度、弹性模量等各项数据，得出受酸雨腐蚀混凝土的抗压强度、弹性模量等各项力学性质与受腐蚀程度间的关系。
2酸雨对混凝土的腐蚀机理
大气中的酸性气体主要是指CO2、SOX、H2S和NOX等气体。NOX和SOX气体在大气中还经常与水结合，形成酸雨，对混凝土形成酸蚀。本文主要针对我国酸雨是典型的硫酸型酸雨，采用化学试剂（H2SO4+HNO3）来模拟酸雨，酸雨对材料的侵蚀是酸雨中 H+和SO42-共同侵蚀作用的结果：即H+将溶解硬化水泥石中的Ca(OH)2，SO42- 将与硬化水泥石作用生成膨胀性的物质，CaSO4・2H2O,CaAl2Si2O8,Ca-Fe-Al-S-Si-O甚至体积更大的3CaO・A12O3・3CaSO4 ，因此，酸雨对非金属建筑材料的侵蚀，主要是H+ 引起的溶解侵蚀和SO42-引起的膨胀侵蚀。
试验研究
针对桥梁工程中常用的C40混凝土，采用C40商品混凝土，其中水泥采用普通42.5R级水泥，砂子为大沙河中砂，石子为5-25mm的青碎石，混凝土配合比如表1.1所示。
表1.1 混凝土配合比
Tab. 1.1 Mix proportion of the concrete
试件参考普通混凝土力学性能试验方法标准《GB/T50081-2002》进行制作，抗压、弹性模量测试试件采用150mm×150mm×300mm的棱柱体，共制作了325个，并同期制作了150mm×150mm×150mm立方体试件共9个，测试28天抗压强度。
待混凝土试件标准养护28天，按标准试验方法测试轴心抗压强度、弹性模量在实验室中干燥5天后，对每个试件称其重量，然后按照分组分别放入装有不同pH值溶液的抗腐蚀的容器中，即将试件浸泡于模拟酸雨中(图a)。试验在室温和常压下进行，浸泡溶液的酸度每天用pH值酸度计测定，试验中保持pH值恒定，pH值大小用HNO3来调至原酸度，每隔10天换一次溶液。浸泡过程中，温度、湿度均以试验室内为准，不加以任何控制。待达到设计的腐蚀时间后将其取出，擦干表面溶液称量每个试件(图b的重量然后自然放置5天，使其干燥，准备进行力学性能试验
(a)混凝土浸泡在模拟酸雨中 （b）混凝土棱柱体试块
图1 混凝土侵蚀试验
FigConcrete immersed in the simulated acid rain solution
4试验结果与分析
4.1 腐蚀后混凝土质量变化规律
为了定量描述不同腐蚀程度混凝土的质量变化规律，引入质量变化率。首先将经历一定时间酸雨腐蚀后的一组混凝土试块（6个）进行干燥处理，而后称其重量，并将6个试块的质量平均，可以求得质量变化率。
其中，为质量变化率（%）； 为初始质量（）；为腐蚀相应天数混凝土质量（）
图2 质量损失率与腐蚀时间的关系
Fig.2the relation between mass loss ratio and corrosion time
由图2可以看出混凝土质量变化率分阶段变化，其中水养组（水中同期养护）混凝土质量总体保持增长，这是因为混凝土持续的水化作用使混凝土质量增重。pH3.5的腐蚀溶液中质量变化前期上升后期下降的趋势在腐蚀大约30天左右，质量上升幅度较大甚至超过了水养组，大约腐蚀80天之后混凝土质量开始下降，一方面，H+能中和浆体中的OH-，溶解Ca(OH)2晶体，降低混凝的pH值，并导致水化产物的分解，导致试件质量下降；另一方面，混凝土试块浸泡模拟酸雨溶液后，溶液中的硫酸根离子侵入试件内部，与材料内部氢氧化钙等易受侵蚀的化合物反应，形成固体化合物而固化其中，使混凝土更密实；试验末期，Ca(OH)2大量溶解流失，硫酸盐侵蚀较严重，腐蚀产物越来越多，并逐渐从试件表面析出，
pH值为2.5的腐蚀溶液侵蚀后混凝土试件的质量变化规律与pH值为3.5的腐蚀溶液侵蚀后混凝土试件的变化趋势大体相同。对于浸泡于pH1.5侵蚀液的混凝土试件，混凝土的质量一开始就降低，并且趋势越来越大，这主要是由于随着酸度的提高，有害介质对混凝土的侵蚀远远大于水化作用和钙矾石导致的混凝土增重。
4.1 腐蚀后混凝土轴心抗压强度变化规律
为了便于分析比较经受不同腐蚀时间的受腐蚀混凝土与未腐蚀混凝土试件的抗压强度的退化规律，定义轴心抗压强度相对变化率为：
其中为抗压变化率（%）；为同期水养组抗压强度（MPa）；为腐蚀相应天数混凝土抗压强度（MPa）。
（a）抗压强度 （b）抗压强度变化率
图3 抗压强度变化与腐蚀时间的关系
Fig.3Relation between and change of the strength and immeration time
由图3（a）可以看出，受pH值为2.5和3.5等两种浓度溶液侵蚀的混凝土轴心抗压强度均呈现先增长而后逐步缓慢降低的趋势，水养组试件强度基本上保持增长，在180天数达到最大值49.3 MPa，pH2.5在腐蚀45天之前一直保持增长，并在腐蚀45天时达到最大值47.1MPa，然后开始急剧下降。大约腐蚀60天后一直保持下降，不过趋势较之前平缓；与pH2.5的相比，pH值为3.5在腐蚀55天时，达到最大值45.8MPa，然后开始下降，pH值为1.5刚开始增长快，与前两种相比pH值为1.5在25天时达到最大值47.2 MPa，然后开始急剧下降，下降幅度大。可见在酸雨侵蚀下混凝土抗压强度体现了试件力学性能劣化的规律。
由图3(b)可以看出随着侵蚀时间的增长，混凝土抗压强度的变化率的关系，其中pH1.5刚开始增长后开始下降，与抗压强度变化规律基本相似，在腐蚀35天之后抗压强度比水养组小，然后开始急剧下降，下降幅度较大。pH2.5刚开始比水养组小，然后开始增长，后开始下降，下降幅度比pH1.5的小，pH3.5趋势基本与pH2.5相同，也是刚开始比水养组小，后下降，其中增长幅度较pH2.5小，下降幅度较pH2.5大。
5结论
本文主要针对C40混凝土，对受不同PH值腐蚀后的混凝土力学性能、质量损失进行了实验研究和理论分析主要得到以下结论：
1、在腐蚀初期，浸泡于pH2.5和pH 3.5的酸雨溶液中混凝土试块质量有微小的增长，随着侵蚀时间的增长，质量损失率在升高。而浸泡于pH 1.5受腐蚀试块质量则一直降低，而在不同酸度的侵蚀液，浸泡在酸液中的混凝土试块都有一个质量损失稳定的阶段，分析其原因，是保持pH值恒定的情况下，氢离子溶解水泥石中的Ca(OH)2造成的质量损失逐渐增加，而硫酸根离子使混凝土质量增重逐渐减小。
2、浸泡于酸雨溶液中混凝土轴心抗压强度先有短暂的增加后随腐蚀时间的延长逐渐减小，且浓度越大，强度降低时间越早，相对变化愈大。究其原因，主要是因为腐蚀初期酸雨中的H+离子和混凝土表面的Ca(OH)2反应速度比较快，造成强度的降低；在腐蚀中期，硫酸根离子进入混凝土内部，形成钙矾石，使混凝土孔隙率降低，强度提高；腐蚀后期，过量的钙矾石形成，形成裂缝，有利于侵蚀液进入混凝土内部，造成强度下降
3、基于混凝土的抗压力学性能试验结果，分别以混凝土质量损失率、抗压强度损失率和等二个指标评价混凝土的损伤程度。研究结果表明，混凝土抗压强度对于混凝土的损伤反映最为敏感。
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