復摻技術對混凝土抗硫酸鹽干濕循環性能的影響

黃維蓉，楊德斌，周建庭，嚴海彬

(重慶交通大學山區道路結構與材料重慶市重點實驗室，重慶400074)

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力［1］。不同因素對混凝土耐久性的影響程度是不相同的，干濕循環作用下的物理腐蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸鹽存在的環境下，混凝土在干濕循環和硫酸鹽浸蝕雙重因素的作用下破壞更嚴重［2－4］。目前國內外大部分混凝土的抗硫酸鹽浸蝕研究沒有控制或者沒有連續控制浸蝕溶液的pH值，多采取試件在靜止鹽溶液中連續浸泡的方法進行，其結果不能真實反映出實際條件下環境水滲流或者流動時的浸蝕狀況。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用28 d實測抗壓強度為52.1 MPa的 P.O 42.5R水泥，細度模數為2.4 的中砂，壓碎值為7.6%的5～10 mm石灰巖碎石。活性指數106%的硅灰，活性指數97%的礦渣，活性指數90%的粉煤灰。選用引氣劑為十二烷基硫酸鈉(K12)，纖維為聚丙烯纖維。

1.2 試驗方案設計

1.2.1 混凝土配合比設計

經實驗室試配調整確定普通混凝土配合比，在普通混凝土配合比的基礎上，硅灰、礦渣、粉煤灰等礦物摻合料以40%的比例取代普通混凝土中的水泥配成多元礦物摻合料混凝土，再摻加不同摻量的引氣劑和聚丙烯纖維，聚丙烯纖維摻量是混凝土體積百分比，引氣劑摻量為膠凝材料質量百分比。設計出多元礦物摻合料與引氣劑或聚丙烯纖維復摻混凝土，試驗用配合比見表1。A2配合比新拌混凝土含氣量4.7%，A3配合比新拌混凝土含氣量5.9%。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete proportion

1.2.2 試驗方法

1)不控制pH值靜止溶液浸蝕試驗方法

以GB/T 749—2008為依據，參照高禮雄，等［5］的研究結果，試驗用集料最大粒徑10 mm，浸蝕溶液是質量濃度10%的硫酸鈉溶液，參照水泥膠砂強度試件的制作方法制作本研究用40 mm×40 mm×160 mm細石混凝土試件，振實成型的細石混凝土試件帶模養護1 d，脫模后標準養護至28 d，然后開始浸蝕試驗。試件分別浸泡在硫酸鈉溶液和水中，試件之間間距大于10 mm，液面高出試件頂面30 mm以上，容器加蓋。試驗過程中不控制溶液的pH值，每隔一個月更換一次水和溶液。該試驗方法簡稱為“靜止溶液浸蝕方法”。

2)控制pH值流動循環溶液浸蝕試驗方法

試件尺寸、溶液濃度和試件入浸方式均與不控制pH值靜止溶液浸蝕方法相同，但試件在受侵過程中采用如圖1的試驗方法，在試驗過程中通過pH值控制器和加酸計量泵自動控制硫酸鹽溶液的pH值，使溶液pH值始終在7.0～7.5之間，且浸蝕溶液每隔一個月更換一次［6］。該試驗方法簡稱為“流動溶液浸蝕方法”。

圖1 控制pH值流動循環溶液侵蝕試驗方法簡圖Fig.1 The diagram of test method for the flow loop erosion solution which controls pH value

3)混凝土干濕循環試驗

混凝土干濕循環試驗采取不控制pH值流動循環溶液浸蝕和控制pH靜止鹽溶液浸蝕兩種方法。試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的細石棱柱體混凝土試件，干濕循環試驗方法:標養28 d的試件先在質量濃度為10%的硫酸鈉溶液中浸泡14 h→取出放置1 h→放入60℃恒溫箱中烘8 h→取出冷卻1 h→再放入硫酸鈉溶液中浸泡，如此24 h為一次循環，該混凝土最大循環次數定為180次。干濕循環試驗前先測標養28 d的混凝土干燥質量和基準動彈模量，然后每15次干濕循環后進行一次質量和動彈模量測試，以抗鹽結晶浸蝕系數、質量損失百分率和相對動彈模量作為評價指標。抗鹽結晶浸蝕系數=試件干濕循環n次的相對動彈模量/相同配比試件經硫酸鹽溶液浸蝕n天的相對動彈模量。以質量損失率大于5%，或相對動彈性模量小于60%作為試件破壞的評定標準，以相同循環次數時的質量損失百分率、相對動彈模量及抗鹽結晶浸蝕系數的大小及經時變化規律評定混凝土的抗硫酸鹽干濕循環性能。

2 試驗結果與分析

2.1 不控制pH值靜止溶液浸蝕下混凝土干濕循環試驗結果及分析

標養28 d后在靜止溶液浸蝕方法下，混凝土相對動彈模量、質量損失率、抗鹽結晶浸蝕系數等與干濕循環作用次數的關系如圖2。

圖2 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環試驗結果Fig.2 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖2(a)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的相對動彈模量呈增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對動彈模量相對普通混凝土明顯提高。普通混凝土相對動彈模量在循環135次時就開始低于60%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土循環180次其相對動彈模量大于60%，質量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土相對動彈模量為61.6%，而多元礦物摻合料與引氣劑復摻的混凝土相對動彈模量分別為70.3%，88%，提高了14.1%和42.9%;而多元礦物摻合料與纖維復摻的混凝土相對動彈模量分別為74.6%，86%，提高了121.1%和39.6%。

由圖2(b)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土質量呈增加狀態，后期混凝土的質量損失，但摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質量損失率低于普通混凝土，干濕循環次數越多，加摻合料的混凝土優勢越明顯。普通混凝土質量損失率在干濕循環165次時超過了5%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗結束時質量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土質量損失率為3%，而多元礦物摻合料與引氣劑復摻的混凝土質量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%;而多元礦物摻合料與纖維復摻的混凝土質量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%。

由圖2(c)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的抗鹽結晶浸蝕系數均呈現增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對普通混凝土明顯提高。在干濕循環180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數為0.658，而多元礦物摻合料與引氣劑復摻的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數分別為0.704，0.86，提高了7%和30.7%;而多元礦物摻合料與纖維復摻的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數分別為0.758，0.854，提高了 15.2%和 29.8%。

2.2 控制pH值流動循環溶液浸蝕下混凝土干濕循環試驗結果及分析

標養28 d后在流動循環溶液浸蝕方法下，混凝土相對動彈模量、質量損失率、抗鹽結晶浸蝕系數等與干濕循環作用次數的關系如圖3。

圖3 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環試驗結果Fig.3 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖3(a)可知，在流動循環溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的相對動彈模量呈增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對動彈模量比普通混凝土高。普通混凝土相對動彈模量在循環120次時就開始低于60%，已破壞。摻多元礦物摻合料的混凝土相對動彈模量在干濕循環165次后開始低于60%，已破壞;多元礦物摻合料與引氣劑或纖維的混凝土干濕循環180次后相對動彈模量大于60%，未破壞。

由圖3(b)可知，在流動循環溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土質量損失率為負值，呈現質量增加的狀態，后期摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質量損失率低于普通混凝土，干濕循環次數越多，優勢越明顯。普通混凝土質量損失率在干濕循環150次時超過了5%，已破壞;在循環165次時已斷裂，無法測得相應的指標值。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗結束時質量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土質量損失率為3.78%，而多元礦物摻合料與引氣劑復摻的混凝土質量損失率為2.3%，降低了39.2%;而多元礦物摻合料與纖維復摻的混凝土質量損失率分別為2.47%，降低了34.7%。

由圖3(c)可知，在流動循環溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的抗鹽結晶浸蝕系數均呈現增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對普通混凝土明顯提高。在干濕循環180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數為0.556，而多元礦物摻合料與引氣劑復摻的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數為0.742，提高了33.5%;而多元礦物摻合料與纖維復摻的混凝土抗鹽結晶浸蝕系數為0.725，提高了30.4%。

2.3 復摻技術對混凝土抗干濕循環性能的改善原因分析

多元礦物摻合料復摻混凝土優于普通混凝土，多元礦物摻合料與纖維復摻和多元礦物摻合料與引氣劑復摻混凝土的抗干濕循環性能優于多元礦物摻合料復摻混凝土。因混凝土在硫酸鹽溶液中經干濕循環作用后，不但硫酸鹽浸蝕會加劇，而且硫酸鹽還會析晶膨脹，由物理鹽結晶浸蝕及硫酸鹽化學浸蝕造成的復合損傷更為嚴重［6－7］。多元礦物摻合料的微集料復合效應、活性效應、火山灰復合效應使混凝土內部孔徑更細小，連通孔隙的數量也減少，二次水化反應使氫氧化鈣轉化為C-S-H凝膠，提高了混凝土密實度、抗滲性，從而抵抗硫酸鹽侵入的能力增強，混凝土破壞速度延緩。

在多元礦物摻合料復摻混凝土中加入引氣劑后，引入的大量微小氣泡可阻斷毛細孔，改善孔結構，減小了混凝土在干濕循環條件下硫酸鹽化學浸蝕產物對混凝土的膨脹壓力，使混凝土的抗干濕循環性能提高。

纖維在水泥混凝土中呈三維亂向分布，可起到“承托”骨料的作用［8－9］，減少混凝土的泌水通道和連通的毛細孔，可有效抑制混凝土內部原生裂縫的產生與發展，阻斷硫酸鹽溶液進入混凝土內部的通道，降低混凝土遭受浸蝕的幾率。

在普通混凝土中采取摻礦物摻合料、引氣劑及纖維等措施，可以降低混凝土的滲透性，從而達到改善混凝土抗干濕循環性能的目的。

2.4 兩種浸蝕方法評價

浸泡過程中采取流動循環溶液浸蝕方法和靜止溶液浸蝕方法對混凝土的抗硫酸鹽干濕循環性能影響不同，靜止溶液浸蝕方法與結構物所處的實際環境相差較遠，流動循環試驗結果可反映出干濕循環破壞的加速條件，影響礦物摻合料、聚丙烯纖維、引氣劑改性效應發揮的程度。流動循環溶液浸蝕方法下測定混凝土的相對動彈模量、抗鹽結晶浸蝕系數比靜止溶液浸蝕方法下的測定值低，混凝土質量損失率較大，表明混凝土在流動循環溶液浸蝕下，混凝土抵抗干濕循環破壞的能力相對偏低，外摻材料的改善效果較為客觀、真實。今后應根據具體環境條件選擇適宜的浸蝕方法來評價混凝土的抗干濕循環性能。

3 結論

1)在流動溶液和靜止溶液兩種浸蝕方法下，采用復摻技術的混凝土抗硫酸鹽干濕循環性能增強;但流動循環溶液浸蝕方法下，不同改善措施的混凝土相對動彈模量、質量損失率及抗鹽結晶浸蝕系數等評價指標所反映的結果更客觀、真實。

2)硅粉、粉煤灰、礦渣粉復摻有利于改善混凝土的抗硫酸鹽干濕循環性能;礦物摻合料復摻措施不及礦物摻合料與引氣劑、聚丙烯纖維復摻的措施，多元材料復摻技術對混凝土的抗硫酸鹽干濕循環性能有良好的改善效果。

3)在混凝土含氣量小于6%、聚丙烯纖維體積摻量小于0.2%時，混凝土抗硫酸鹽干濕循環性能隨聚丙烯纖維和引氣劑摻量的增加而增強。

［1］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］胡洋清，張啟美.混凝土耐久性研究與工程應用手冊［M］.北京:中國科技文化出版社，2005.

［3］王媛利，姚燕.重點工程混凝土耐久性的研究與工程應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2001.

［4］Santhanam M，Cohen M D，Olek J.Modeling the effects of solution temperature and concentration during sulfate attack on cement mortars［J］.Cement and Concrete Research，2002，32(4):585－592.

［5］高禮雄，姚燕，王玲，等.水泥混凝土抗硫酸鹽浸蝕試驗方法的探討［J］.混凝土，2004，24(10):12 －13.Gao Lixiong，Yao Yan，Wang Ling，et al.Study on test method for cement concrete to sulphate attack ［J］.Concrete，2004，24(10):12－13.

［6］嚴海彬.硫酸鹽侵蝕及干濕循環條件下改善混凝土耐久性的措施研究［D］.重慶:重慶交通大學，2010.

［7］張亞梅，陳勝霞，高岳毅.浸－烘循環作用下橡膠水泥混凝土的性能研究［J］.建筑材料學報，2005，8(6):665 －671.Zhang Yamei，Chen Shengxia，Gao Yueyi.Study on properties of rubber included cement concrete under wet-dry cycling［J］.Journal of Building Materials，2005，8(6):665 －671.

［8］Mohr B J，Biernacki J J，Kurtis K E.Microstructural and chemical effects of wet/dry cycling on pulp fiber cement composites［J］.Cement and Concrete Research，2006(36):1240－1251.

［9］朱纓.纖維增強混凝土結構防裂和抗滲的研究［J］.混凝土，2003，23(11):31 －32.Zhu Ying.Research on the fiber reinforced concrete in guarding against cracking and seepage［J］.Concrete，2003，23(11):31 －32.

［10］王瑞興，錢春香，丁慶領，等.聚丙烯纖維對混凝土性能的改善研究［J］.混凝土與水泥制品，2004，2(1):41 －43.Wang Ruixing，Qian Chunxiang，Ding Qinglin，et al.Study on the performance improvement of concrete with polypropylene fiber［J］.China Concrete and Cement Products，2004，2(1):41－43.