硫酸钠盐结晶对混凝土破坏的影响杨全兵，杨钱荣(同济大学材料工程研究所, 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200433)摘要：研究了Na2SO4盐结晶对干湿循环作用下混凝土剥蚀破坏、膨胀率和强度的影响，以及降温作用下Na2SO4溶液体积膨胀率和结晶压的变化。
结果表明：Na2SO4盐结晶产生的混凝土膨胀和剥蚀破坏随着盐浓度和干湿循环次数的增加明显增大，且超过一定循环次数后，经干燥后的混凝土非但不收缩，反而继续膨胀。
在降温作用下，Na2SO4溶液盐结晶体积膨胀率和结晶压随着盐浓度增加显著增大，且开始出现膨胀和结晶压的温度也提高，其产生的盐结晶压可超过7MPa，足以引起混凝土破坏。
关键词：混凝土；硫酸钠；盐结晶；膨胀率；结晶压中图分类号：O482.3 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2007)07–0877–04EFFECTS OF SALT-CRYSTALLIZATION OF SODIUM SULFATE ON DETERIORATIONOF CONCRETEYANG Quanbing，YANG Qianrong(Lab of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Research Laboratory ofMaterials Engineering, Tongji University, Shanghai 200433, China)Abstract: The effects of salt-crystallization of Na2SO4 on the scaling deterioration, expansion and strength of concrete exposed to drying-wetting cycles, and the variation of volume expansion and salt-crystallization pressure of Na2SO4 solution due to the cooling action were investigated. The results show that the scaling and expansion of concrete due to the action of salt-crystallization obviously increase with the increase of the salt-concentration and the number of drying–wetting cycles, and the concrete after drying does not shrink, but expands when the number of drying–wetting cycles is over a certain value. The volume expansion and salt-crystallization pressure of the Na2SO4 solution due to the cooling action increase obviously with the increase of the Na2SO4 concentration, and the temperature that starts to generate the volume expansion and salt-crystallization pressure becomes higher. The salt-crystallization pressure can be over 7 MPa, high enough to cause the deterioration of concrete.Key words: concrete; sodium sulfate; salt-crystallization; expansion; salt-crystallization pressure在含盐的使用环境中，盐结晶是导致石材或混凝土材料破坏的主要原因[1–2]。
在自然环境最常遇到的盐中，Na2SO4被认为是产生破坏最严重的盐，因此，Na2SO4产生的盐结晶而导致的破坏实验被用来快速评估多孔建筑石材的耐久性[3]，还用于评估骨料的坚固性[4]。
Na2SO4盐结晶破坏机理一般可归为3类：(1)固相体积膨胀理论，无水盐Na2SO4转化为Na2SO4·10H2O将产生约314%的固相体积增加[5–6]；(2)盐的水化压假说，无水盐Na2SO4吸水溶解过程将产生压力而引起破坏[7]；(3)盐结晶压假说，盐在溶液中因过饱和结晶析出，晶体生长过程将产生很大结晶压[5–6,8]。
研究Na2SO4盐结晶对干湿循环作用下混凝土剥蚀破坏、膨胀率和强度的影响，以及降温作用下Na2SO4溶液体积膨胀率和结晶压的变化。
1 试验1.1 原材料与配合比用冀东42.5普通硅酸盐水泥，其密度为 3.10 g/cm3。
细骨料为标准砂，其密度为2.62g/cm3。
粗骨料为4～12mm大理石，其密度为2.71g/cm3。
Na2SO4收稿日期：2006–10–10。
修改稿收到日期：2007–02–15。
基金项目：西部交通建设科技(2001–318–788–77)资助项目。
第一作者：杨全兵(1964～)，男，博士，研究员。
Received date:2006–10–10. Approved date: 2007–02–15.First author: YANG Quanbing (1964—), male, doctor, senior researcher. E-mail: qbyang@第35卷第7期2007年7月硅酸盐学报JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol. 35，No. 7J u l y，2007硅酸盐学报· 878 ·2007年为分析纯试剂(质量分数为99.9%)。
混凝土中水泥、水、砂、石的质量比为1:0.5:1.85:3.30。
混凝土28d 抗压强度和抗折强度分别为50.2MPa和7.4MPa。
无特别说明时，混凝土均是成型1d后脱模，并放入(20±2)℃水中养护至28d后进行各种试验。
试件尺寸均为4cm×4cm×16cm。
1.2盐结晶破坏试验方法当混凝土中存在盐时，一旦试件失水或出现温度变化，混凝土中盐溶液就可能产生过饱和现象，盐晶体将在混凝土中析出。
随着干湿循环的进行或温度的不断降低，盐晶体将不断富积和长大，形成更大的膨胀和结晶压。
因此，可以通过测定试件的膨胀率、剥落量和强度，以及盐溶液本身的盐结晶体积膨胀率和结晶压来评估盐结晶破坏。
1.2.1 干湿循环作用用干湿循环快速试验方法来评估Na2SO4结晶对混凝土破坏的影响。
干湿循环制度为混凝土试件在105℃烘24h，冷却后在(20～25)℃的盐溶液中浸泡48h。
以混凝土试件在Na2SO4溶液中经干湿循环作用的膨胀率、剥落量和强度损失作为评价指标，综合评估混凝土盐结晶破坏。
1.2.2 降温作用盐结晶压和结晶体积膨胀率是分析混凝土盐结晶破坏机理的重要参数之一。
盐结晶压测定示意图见图1所示。
把一定体积的Na2SO4溶液放入钢筒中，接着用带橡胶垫圈的不锈钢活塞把溶液约束在钢筒内，然后在活塞上放置测力仪器，并使测力仪器处在完全约束状态下。
从理论上分析，在相同条件下，不同体积或直径的钢筒测定的结晶压是相同的，前期的探索试验证实了这一点。
试验采用的钢筒内径为8mm，体积约为3.55ml。
为了图1 溶液结晶压测定装置示意图Fig.1 Measurement draft on the pressure of salt-crystallization in Na2SO4 solution 保证密封和充分约束状态，在冷冻前，预先施加100 mg的压块。
按图1把溶液装好后，整个装置放入–15℃的冻箱中，同时记录不同时间下测力仪器的数值f，以及筒内溶液温度。
然后，按下式换算成结冰膨胀压P m(MPa)：P m=9.8×(f–100)/(3.14×42) (1) 溶液盐结晶体积膨胀率按图2示意图测定。
选用一根测量精度0.01ml的玻璃管，装入20ml Na2SO4盐溶液，其初始温度为32℃。
为了避免试验时溶液蒸发引入的误差，在溶液上覆盖一层油，约1ml，之后，放入冰箱中冷冻。
通过观察冷却过程中液面或油面的变化，就可得到溶液体积增减量ΔV，然后按下式计算得到溶液的实测体积膨胀率E m：100%20mVEΔ=×(2)图2 结晶体积膨胀率测定示意图Fig.2 Measurement draft on the volume expansion ofsalt-crystallization将温度降低至0℃时Na2SO4溶液的体积膨胀率和结晶压分别定义为该溶液的盐结晶膨胀率和结晶压。
2 结果与讨论2.1 干湿循环作用2.1.1 膨胀率混凝土的Na2SO4结晶膨胀率随干湿循环次数的变化规律见图3。
由图3可知：在淡水中进行干湿循环时，试件长度变化很小，且湿态长度总是大于干态长度。
然而，在Na2SO4溶液中进行干湿循环时，试件的膨胀率逐渐增大，Na2SO4的质量分数越高，膨胀率增加速度越快。
对20%Na2SO4溶液，2次干湿循环后试件干湿态的膨胀率就大于零，5次干湿循环后，试件干燥后就出杨全兵等：硫酸钠盐结晶对混凝土破坏的影响· 879 ·第35卷第7期图3 混凝土的Na2SO4盐结晶膨胀率随干湿循环的变化Fig.3 Expansion of concrete due to Na2SO4 salt-crystallization exposed to drying–wetting cycles现膨胀；对10%Na2SO4溶液，6次干湿循环后试件干湿态的膨胀率才大于零，14次干湿循环后，试件干燥后也开始膨胀。
图3和图4a清楚地说明，经12次干湿循环后，随着Na2SO4质量分数的增大，混凝土的盐结晶膨胀率开始时缓慢增长，随后，迅速增长。
2.1.2 剥落量图4b表明：混凝土的剥蚀破坏随着Na2SO4质量分数的增大而显著提高。
尽管盐结晶引起的剥蚀破坏远比盐冻剥蚀破坏轻，但是，在高浓度Na2SO4溶液和干湿频繁的环境中，盐结晶引起的膨胀还是相当大的，足以引起混凝土开裂破坏。
例如：12次干湿循环后，20% Na2SO4溶液引起的混凝土膨胀率可高达21.8×10–4，剥落量约为754 g/m2。