抗硫酸鹽水泥混凝土的合理試件尺寸選取

喬宏霞 何海杰 何忠茂 曹 輝

（1蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅土木工程科學研究院，甘肅 蘭州 730020）

我國西部鹽漬土區域以內蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆等六省最為突出。這些地區的鹽漬土大部分為硫酸鹽漬土，所 以在該地區建設的水泥混凝土道路橋梁基礎建設，必然不同程度的受到硫酸鹽腐蝕，研究混凝土硫酸鹽腐蝕問題成為該地區混凝土結構耐久性面臨的最大問題。對于混凝土抗硫酸鹽腐蝕性試驗評價參數，作者在《蘭州理工大學學報》2009年第4期《GHPC抗硫酸鹽腐蝕性的評價參數設計》中做了詳細的設計和研究，本文考慮了實驗室進行快速破壞實驗的便利和減少由于不同試件帶來的試驗誤差，選擇了無破損檢測混凝土耐久性的評價參數[1]，動彈性模量評價參數1ω和質量評價參數2ω評價參數[2]評定規則相同，均為：評價參數小于零時混凝土失效，評價參數小于1時混凝土性能劣化，評價參數大于1時混凝土性能加強[3][4][5]。 對于綠色高性能混凝土硫酸鹽腐蝕試驗的選用最佳試件尺寸問題通常認為：試件的形狀(特別是表面積與體積之比)對侵蝕的速度有著很大的影響。在體積相同的情況下，表面積越大的試件受侵蝕面越大，侵蝕的速度越快。若試件的斷面為正方形，邊長為a，則試件的表面積與體積之比約為4/a，即邊長a越小，該比值越大，受侵蝕的相對面積越大。因此，為了加快試驗的速度，宜選擇盡量小的試件尺寸，這也是很多研究者進行試驗時選擇的試件尺寸[6][7][8]。

但是，如果試件尺寸過小，成型和破壞時的試驗條件和環境條件的微小變化都對試驗結果產生顯著的影響，使試驗結果的離散性很大，從而影響試驗結果分析。為了獲得合適的試件尺寸，本文選用兩種不同尺寸的試件進行了混凝土在硫酸鹽環境中的快速破壞試驗研究，選取進行混凝土抗硫酸鹽腐蝕性試驗研究的最佳試件尺寸。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料及其性能

試驗采用兩種不同尺寸混凝土試件，其中編號前為X的混凝土試件采用中砂和細石配制，試件尺寸為，編號前為B的混凝土試件采用粗砂和碎石配制，試件尺寸為100mmx100mmx400mm，編號后的數字代表混凝土強度等級；這兩種混凝土均無礦物摻和料，采用42.5級高抗硫酸鹽水泥配制，采用復合高效減水劑提高強度和和易性。其中XP45試件的原材料見參考文獻[1]；其中BP45試件用碎石由隆鑫混凝土公司提供，石子粒徑為5mm～31.5mm，為連續級配，其各項指標見表1，其余原材料見參考文獻[1]，混凝土配合比見表2。

表1 碎石性能指標

表2 混凝土配合比

1.2 試驗方法

試驗采用無水硫酸鈉配制硫酸鹽溶液作為干濕循環中的浸泡液，3種浸泡液中離子濃度為：，選取飲用水（A）作為對比，共3組浸泡液，兩種干濕循環制度，XR45混凝土試件采用循環制度一：試件分別在3種不同的浸泡液A、B、C中分別浸泡12h，然后在烘箱中65-76℃烘干12h，每24h作為一個循環，一天可進行一個循環。

為了使試驗結果具有對比性，使BR45混凝土試件達到與XR45混凝土試件相同的烘干效果，采用循環制度二：試件分別在3種不同的浸泡液A、B、C中分別浸泡12h，然后在烘箱中100-105℃烘干12h，每24h作為一個循環，一天可進行一個循環。

混凝土試件均為標準養護28d，測定試件浸水飽和后的基準重量和動彈性模量，在每20次循環后檢測試件的重量和動彈性模量，計算混凝土試件的動彈性模量評價參數1ω和質量評價參數2ω，具體計算見參考文獻[1]，在3種浸泡液中干濕循環時有一個評價參數達到破壞即停止試驗。

2 試驗結果和數據分析

2.1 混凝土在A溶液中循環后的數據分析

不同尺寸的混凝土試件在A溶液中經歷干濕循環后評價參數1ω和2ω變化如圖1和圖2所示。

圖1 A溶液中循環后評價參數ω1

圖2 A溶液中循環后評價參數ω2

圖1可見：BR45的1ω在60次循環以前上下略有波動，在60次循環后1ω開始較快速的下降，直到循環結束時1ω下降到0以下，顯示此時混凝土BR45已經失效；XR45的1ω在20次循環時就快速降到了接近0的位置，顯示此時混凝土XR45已經瀕臨失效，在隨后的循環中1ω很快下降到0以下，在40次循環時小尺寸試件XR45的1ω接近-0.2左右，顯示混凝土XR45已經嚴重破壞并且失效，在后面繼續循環時，小尺寸試件XR45的1ω開始回升，在100次循環結束時1ω回升到0.6以上，這種回升不能說明混凝土試件XR45的損傷愈合，因為在40次循環時混凝土XR45已經嚴重失效，應該評定該混凝土僅能在20次干濕循環以內是有效的，40次循環后評價參數1ω的這種回升是由試件尺寸太小引起的損傷假性愈合。

圖2可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在循環過程中基本上均低于1，說明抗硫酸鹽水泥混凝土性能在劣化：BR45的2ω在循環過程中基本上在0.95左右上下波動，在循環結束時接近1.0，可見大尺寸試件BR45重量變化不是很大；XR45的2ω在40次循環前一直在降低，在40次循環時降到0.85左右，說明混凝土XR45的性能在劣化，在隨后的循環過程中ω2開始升高，在100次循環結束時ω2約為0.95，可見小尺寸試件XR45的重量在增加，但是試件重量的這種增加并不能說明混凝土XR45的損傷在愈合。

在水中進行干濕循環時高抗硫酸鹽水泥混凝土的ω1和ω2均評定混凝土處于性能劣化狀態，并且劣化速度較快，特別是小尺寸試件XR45，它的劣化速度加快了很多，這種現象的主要原因是高抗硫酸鹽水泥中的C3A含量較低造成的。

2.2 混凝土在B溶液中循環后的數據分析

不同尺寸的混凝土試件在B溶液中經歷干濕循環后評價參數1ω和2ω變化如圖3和圖4所示。

圖3 B溶液中循環后評價參數ω1

圖4 B溶液中循環后評價參數ω2

圖3可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土在B溶液中進行干濕循環時表現出較好的耐侵蝕性能：BR45的1ω在70次循環以前基本上保持在0.9左右，性能沒有嚴重的劣化，在70次循環后，1ω開始下降，下降速度和下降幅度不大，在110次循環結束時1ω在0.6以上，說明混凝土BR45在B溶液中進行干濕循環過程中性能在劣化，尚未失效；XR45的1ω在60次循環前下降速度較快，在60次循環時下降到0.2以下，沒有到達0，說明混凝土XR45的性能在劣化但未失效，在隨后的循環中XR45的1ω開始回升，在100次循環結束時回升到0.4左右，這種回升的一個重要原因是試件尺寸太小和外界各種因素對其影響太大造成的。

圖4可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在循環過程中均高于0.95，遠遠沒有失效：XR45的2ω在循環過程中上下波動，在100次循環結束時仍大于1，2ω評定混凝土XR45性能處于強化狀態，說明混凝土XR45在B溶液中干濕循環時試件重量增加；BR45的2ω在90次循環以前基本上在1的左右上下波動，在100循環時2ω降到0.95，隨后在110次循環結束時又上升到1.05以上，變化不大。

高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω和2ω在B溶液中進行干濕循環時均評定混凝土未失效，可見高抗硫酸鹽水泥混凝土對于的硫酸鹽溶液有一定的抗侵蝕性。高抗硫酸鹽水泥混凝土僅針對長期浸泡硫酸鹽環境有較好的抗侵蝕性，增加了干濕循環因素的損傷下，加速了高抗硫酸鹽水泥混凝土的性能劣化，這一點體現在圖3的1ω的降低上。

2.3 混凝土在C溶液中循環后的數據分析

不同尺寸的混凝土試件在C溶液中經歷干濕循環后評價參數1ω和2ω變化如圖5和圖6所示。

圖5可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω在C溶液中進行干濕循環時均為下降趨勢，說明抗硫酸鹽水泥混凝土性能處于劣化狀態：BR45的1ω在80次循環以前下降較平緩，在80次循環以后開始加快下降速度，在最終循環結束時評價參數1ω達到0.6以下，說明混凝土BR45的性能劣化不很嚴重；XR45的1ω在循環過程中平緩下降，在80次循環時下降到最低點約0.2左右，在隨后的循環中再沒有下降，100次循環結束時XR45的1ω略高于0.2，說明混凝土XR45在C溶液中干濕循環時性能一直在劣化但未失效。綜合大尺寸試件BR45和小尺寸試件XR45的1ω的變化規律來看，高抗硫酸鹽水泥在硫酸鹽侵蝕環境中發揮了一定的抗侵蝕作用，小尺寸試件XR45受到腐蝕速度較快，性能劣化程度較重。

圖5 C溶液中循環后評價參數ω1

圖6可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在C溶液中進行干濕循環時為先升高后降低：XR45的2ω在60次循環時升高到最高點約1.3左右，說明XR45混凝土試件的重量在增加，在隨后的循環中開始降低，在100次循環結束時下降到1.0以下，說明混凝土XR45進入劣化狀態；BR45的2ω在90次循環前基本上在1的左右上下波動，說明BR45混凝土試件的重量沒有很大變化，在隨后的循環中開始加速下降，在110次循環結束時下降到0.8左右，評定此時混凝土BR45已經進入劣化狀態。

圖6 C溶液中循環后評價參數ω2

高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω和2ω在C溶液中進行干濕循環時均評定混凝土未失效，可見高抗硫酸鹽水泥混凝土對于的硫酸鹽溶液也有一定的抗侵蝕性。高抗硫酸鹽水泥混凝土僅針對長期浸泡硫酸鹽環境有較好的抗侵蝕性，增加了干濕循環因素的損傷下，加速了高抗硫酸鹽水泥混凝土的性能劣化，這一點體現在圖5的ω1的降低上，同時C溶液比B溶液濃度增加了10倍，對高抗硫酸鹽水泥混凝土的損傷加重，這一點體現在圖5的ω1降低的程度高于圖3的ω1降低的程度。

3 結 論

1）混凝土無破損檢測評價參數1ω和2ω的變化能反映混凝土性能的變化過程，本次試驗的混凝土抗硫酸鹽腐蝕耐久性評價參數選取合理；

2）小尺寸混凝土試件的1ω和2ω的變化趨勢相異較大，對混凝土性能狀態變化的評定結果一致性較差；大尺寸混凝土試件的1ω和2ω變化趨勢較一致，對混凝土性能變化的評定結果具有較好的一致性；

3）大尺寸混凝土試件的評價參數1ω和2ω比小尺寸混凝土試件的評價參數1ω和2ω更科學的揭示了混凝土性能劣化的過程，所以推薦試驗室進行硫酸鹽腐蝕加速試驗時使用尺寸為100mmx100mmx400mm的混凝土試件；

4）設計的評價參數經過進一步設計亦可評價混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性損傷程度，因本文篇幅限制，進一步的抗硫酸鹽腐蝕性損傷程度評價將在后續文章中進行。

[1]喬宏霞,周茗如,朱彥鵬,何忠茂.GHPC抗硫酸鹽腐蝕性的評價參數的設計[J].蘭州理工大學學報,2009.08，No.4（總第35卷），129-132

[2]喬宏霞,周茗如,朱彥鵬,何忠茂.鹽漬土地區混凝土耐久性評價參數的設計和選取[J].工業建筑,2010.06，No.6（總第40卷），27-30

[3]喬宏霞,何忠茂,劉翠蘭.粉煤灰混凝土在硫酸鹽環境中的動彈性模量研究[J].粉煤灰綜合利用,2006.02，No.1（總第95期），6-8

[4]喬宏霞,朱彥鵬,周茗如,何忠茂.參數評價粉煤灰混凝土抗硫酸鹽腐蝕性[J].建筑科學,2009.05，No.5（總第25卷），41-48

[5]喬宏霞，何忠茂，劉翠蘭.無破損方法檢測混凝土耐硫酸鹽侵蝕性[J].低溫建筑技術,2006,No.1（總第109期），3-5

[6]喬宏霞,周茗如,朱彥鵬,何忠茂.混凝土抗硫酸鹽腐蝕性的參數評價[J].粉煤灰綜合利用,2008.05，No.5，3-6

[7]冷發光;丁威;張仁瑜;郭向勇;李章建;李昕成;田冠飛;紀憲坤.尺寸效應對混凝土耐久性影響研究[J].中國建材科技,2008.02，No.2，16-19

[8]劉數華;閻培渝;馮建文.超高強混凝土RPC強度的尺寸效應[J].公路,2011.03，No.3，124-127