非飽和混凝土硫酸鈉表面侵蝕試驗方法及特點

董黨鋒

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

非飽和混凝土是水工混凝土工程中的一種常見工作狀態，具體是指結構內部致密程度很高的混凝土在路面、橋梁結構的浪濺區使用時，無法使試件內部處于飽和狀態。這種工作狀態在水工混凝土中所占比例很大。與飽和混凝土不同，在低溫作用下，此類混凝土僅在表面發生了冰凍破壞。因此，我們有必要提出一種專門的試驗方法評價非飽和混凝土結構的抗凍性能，從而為獲得一種成本低、速度快的抗凍性能評價方法提供了條件。

1 現行抗凍方法存在的不足

國內試驗方法中慢凍法借鑒參考東歐以及蘇聯的方法，在長期的實踐過程中發現由于慢凍法采用的是抗壓強度作為評定指標，按規范要求成型較多的試件，導致工作量加大;試驗過程基本是人工操作，試驗誤差較大，失重率作為評定指標，但經常出現隨凍融循環次數的增加試件重量卻增大的情況［1］;一次循環至少8 h，試驗周期較長。雖然快凍法在一定程度上克服了慢凍法在以上三方面的不足，但快凍法存在兩個難以解決的問題:首先是未解決試件養生條件的差異所帶來的影響，對于密實程度高、抗滲性能好的現場試件，內部處于干燥狀態，不受冰凍影響，表現為強度損失僅在表面發生，與標養的保水試件在動彈模的衰減方面存在較大差異［2］;其次是對于非飽和混凝土，在冰凍過程中由于表面不斷破壞，水分逐漸滲入，導致試件的重量損失被滲入的水分所彌補，表現并不明顯，結果導致試驗結果的再現率降低，影響評價的可靠性和合理性。

2 硫酸鈉表面侵蝕試驗

2．1 試驗方法的基本構思

混凝土的飽水程度對其抗凍融破壞有很大的影響。混凝土飽和度低于某個臨界值，混凝土就具有較高的抗凍融循環能力，而干燥的混凝土則不受凍融循環的影響。也就是說若混凝土從未被濕飽和過，也就沒有凍融循環損壞的危險。即使是經濕養護的混凝土試件，其內部孔隙也不可能完全由水所充滿［3］。大多數的應用中混凝土處于部分干燥狀態，在受潮時這種混凝土吸收的水分一般比其已失去的水分少。非飽和混凝土的內部是處于相對干燥狀態的，因此其破壞是從表面向內逐層破壞的，而不是像飽和混凝土，冰凍破壞在表面和內部同時發生(表面凍融次數可能會多些，破壞會相對快些)，在設計試驗方法時，嘗試找到一種方法，能夠模擬產生類似冰凍的破壞，但僅在表面發生，發生的范圍局限于水的滲入范圍，在研究了各種無機物的結晶后，認為利用硫酸鈉進行試驗可以較好的達到試驗目的［4］。使用硫酸鈉試驗具有以下特點:1)可以加速破壞。硫酸鈉的結晶破壞，可以在混凝土內部產生很大的膨脹壓力，可以近似模擬冰凍的狀態，但膨脹應力要大于冰凍應力，可以加速破壞的過程。2)發生的范圍局限于表面。確切說是在非承壓情況下水能夠滲入的部分，與天然的冰凍破壞過程和范圍非常相近。3)硫酸鈉結晶溫度低。帶來的好處是在烘干過程中，不會因高溫影響混凝土的性能，可以使試驗結果更加客觀。

2．2 儀具與材料

1)烘箱:能使溫度控制在105℃ ±5℃;2)米格尺:以cm為單位，透明有機玻璃尺，評價表面破壞情況;3)容器:搪瓷盆或不銹鋼盆，容積不小于試件尺寸;4)試劑:無水硫酸鈉和10水結晶硫酸鈉(工業用);5)鋼絲刷。

2．3 準備工作

1)硫酸鈉溶液的配制:取一定數量的蒸餾水，加溫至30℃～50℃，每1 000 mL蒸餾水加入無水硫酸鈉(Na2SO4)300 g～350 g或10水硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)，用玻璃棒攪拌，使其溶解并飽和，然后冷卻至20℃～25℃;在此溫度下靜置48 h，其相對密度應保持在 1．151 ～1．174(波美度為 18．9 ～21．4)范圍內。試驗時容器底部應無結晶存在。

2)試件的制備:按照《公路工程水泥混凝土試驗規程》的規定制備標準混凝土試件，如需要同時測定動彈模，試件尺寸應為40 cm×10 cm×10 cm，并標養28 d。每組應制備不少于3個試件。

2．4 試驗步驟

1)用鋼絲刷將試件表面脫模劑、油污等刷凈后，將試件放入70℃ ±5℃烘箱中烘干至恒重(一般12 h)，將試件取出并冷卻至室溫。2)將試件放入盛有硫酸鈉溶液的容器中，溶液體積不小于試件體積的2倍，溫度應保持在20℃ ～25℃，試件底部距容器底部應不小于30 mm，試件頂部距離液面應不小于30 mm。3)浸泡12 h后，從溶液中提出試件，放在70℃ ±5℃烘箱中烘烤12 h，取出后，將試件冷卻至20℃ ～25℃，用鋼絲刷刷去表面已脫落的混凝土(如有)。4)用米格尺測量試件的上表面(也可為其他表面，整個試驗過程中應不變)，評價試件表面損壞情況，測定表面脫落百分率，完成一個循環的試驗。5)反復2)～4)的過程，直至混凝土表面破壞達到50%，完成一組試件的試驗。6)取每組3個試件的破壞次數的中值作為該組試件的破壞值。7)確定試驗參數。為找到合適的試驗方法，確定試驗參數，在試驗過程中進行了不同浸泡時間、不同烘干時間、不同配合比、不同烘干溫度的試驗，通過反復調整，最終確定了試驗參數如下:烘干溫度:70℃ ±5℃。烘干時間:12 h。浸泡時間:12 h。破壞狀態:表面50%發生破壞。

3 試驗結果整理及其分析

在調整穩定試驗方法后，進行了11組配合比的完整試驗，并對1組現場切割取回的老混凝土試件進行了試驗。試驗中，選取了 0．6，0．55，0．5，0．45，0．4，0．35，0．3 共 7 個水灰比進行試驗。其中不摻減水劑的有 4 組，水灰比分別為 0．6，0．55，0．5，0．45;摻木鈣類普通減水劑的有 3 組，水灰比分別為 0．45，0．4，0．35;摻萘系高效減水劑的有3組，水灰比分別為0．4，0．35，0．3。通過對摻加不同外加劑的配合比，用相同的水灰比進行試驗，研究外加劑對混凝土抗凍性能的影響。試驗過程中，為了了解混凝土的整體性能變化情況，同時進行了動彈模試驗，并測定了試驗前后試件質量的變化情況。作為對比，還進行了現有老混凝土、機制混凝土磚和花崗巖的對比試驗，對試驗方法進行驗證。詳細試驗結果見表1。表1中，摻加萘系高效減水劑，水灰比為0．3的試件，在進行43次循環后，表面僅有15%的破壞，因此終止試驗。

表1 混凝土硫酸鈉表面侵蝕試驗結果匯總表

試驗結果表明，混凝土的表面破壞與動彈模的變化之間不存在明顯的相關關系，因此，用動彈模來評定非飽和混凝土的抗凍性能是不合適的，會導致混凝土的性能遠遠高于實際抗凍性能。重量損失同樣與混凝土的表面破壞不存在相關關系，破壞迅速的紅磚甚至發生了烘干后重量大幅度上升的現象。

4 硫酸鈉表面侵蝕試驗方法的特點

在對大量的試驗結果整理分析的基礎上，提出了非飽和混凝土抗凍性能快速檢測的試驗方法。該試驗方法的特點如下:提出的抗凍試驗方法，是在現行的集料、巖石和混凝土試驗規程中的成熟方法的基礎上，經過整理、分析提出的，并對試驗參數進行了認真的驗證，試驗結果顯示了良好的規律性，這些方法都反映出試驗方法是穩定可靠的，在妥善利用的情況下，可以很好的指導工程試件。方法確定試驗溫度為70℃，是綜合考慮了試驗時間、試驗精度等的結果。這個溫度可以使硫酸鈉充分結晶，又避免了對混凝土強度的損壞，表1中動彈模的變化規律就是很好的證明。更低的溫度將使試驗時間大幅度延長，影響試驗效率。試驗數據分析表明，可用20次～25次循環表面損壞不超過50%評價非飽和混凝土試件的抗凍能力是否滿足要求。

5 結語

硫酸鈉表面侵蝕試驗是檢驗混凝土表面抗凍能力的有效方法，克服了快凍法在試驗中的一些不足，適用于非飽和混凝土的抗凍性能試驗。建議開展硫酸鈉表面侵蝕法用于評價飽和混凝土抗凍性的嘗試，解決現場試件與標養試件檢驗結果差距大的問題。

［1］方 璟，武世翔．混凝土在試驗室條件下凍融破壞的特點［J］．混凝土與水泥制品，2003(4):89-92．

［2］姜雙倫，姬立德，吳會強．混凝土的凍融破壞與外加劑［J］．混凝土，2001(2):22-25．

［3］李金玉，曹建國，徐文雨，等．混凝土凍融破壞機理的研究［J］．水利學報，1999(1):77．

［4］楊紹明，周雙喜．混凝土抗凍性試驗方法及其評價參數的探討［J］．混凝土，2008(4):118-119．