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(xué)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(tài)，具體是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部致密程度很高的混凝土在路面、橋梁結(jié)構(gòu)的浪濺區(qū)使用時，無法使試件內(nèi)部處于飽和狀態(tài)。這種工作狀態(tài)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(fā)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(jié)構(gòu)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(xiàn)行抗凍方法存在的不足

國內(nèi)試驗方法中慢凍法借鑒參考東歐以及蘇聯(lián)的方法，在長期的實踐過程中發(fā)現(xiàn)由于慢凍法采用的是抗壓強度作為評定指標(biāo)，按規(guī)范要求成型較多的試件，導(dǎo)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(biāo)，但經(jīng)常出現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加試件重量卻增大的情況［1］;一次循環(huán)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(yǎng)生條件的差異所帶來的影響，對于密實程度高、抗?jié)B性能好的現(xiàn)場試件，內(nèi)部處于干燥狀態(tài)，不受冰凍影響，表現(xiàn)為強度損失僅在表面發(fā)生，與標(biāo)養(yǎng)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(dǎo)致試件的重量損失被滲入的水分所彌補，表現(xiàn)并不明顯，結(jié)果導(dǎo)致試驗結(jié)果的再現(xiàn)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(gòu)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(huán)能力，而干燥的混凝土則不受凍融循環(huán)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(huán)損壞的危險。即使是經(jīng)濕養(yǎng)護的混凝土試件，其內(nèi)部孔隙也不可能完全由水所充滿［3］。大多數(shù)的應(yīng)用中混凝土處于部分干燥狀態(tài)，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(nèi)部是處于相對干燥狀態(tài)的，因此其破壞是從表面向內(nèi)逐層破壞的，而不是像飽和混凝土，冰凍破壞在表面和內(nèi)部同時發(fā)生(表面凍融次數(shù)可能會多些，破壞會相對快些)，在設(shè)計試驗方法時，嘗試找到一種方法，能夠模擬產(chǎn)生類似冰凍的破壞，但僅在表面發(fā)生，發(fā)生的范圍局限于水的滲入范圍，在研究了各種無機物的結(jié)晶后，認(rèn)為利用硫酸鈉進行試驗可以較好的達到試驗?zāi)康模?］。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(jié)晶破壞，可以在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的膨脹壓力，可以近似模擬冰凍的狀態(tài)，但膨脹應(yīng)力要大于冰凍應(yīng)力，可以加速破壞的過程。2)發(fā)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(jié)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(jié)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(jié)晶硫酸鈉(工業(yè)用);5)鋼絲刷。

2．3 準(zhǔn)備工作

1)硫酸鈉溶液的配制:取一定數(shù)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(yīng)保持在 1．151 ～1．174(波美度為 18．9 ～21．4)范圍內(nèi)。試驗時容器底部應(yīng)無結(jié)晶存在。

2)試件的制備:按照《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》的規(guī)定制備標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，如需要同時測定動彈模，試件尺寸應(yīng)為40 cm×10 cm×10 cm，并標(biāo)養(yǎng)28 d。每組應(yīng)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(yīng)保持在20℃ ～25℃，試件底部距容器底部應(yīng)不小于30 mm，試件頂部距離液面應(yīng)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(yīng)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(huán)的試驗。5)反復(fù)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(shù)的中值作為該組試件的破壞值。7)確定試驗參數(shù)。為找到合適的試驗方法，確定試驗參數(shù)，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(fù)調(diào)整，最終確定了試驗參數(shù)如下:烘干溫度:70℃ ±5℃。烘干時間:12 h。浸泡時間:12 h。破壞狀態(tài):表面50%發(fā)生破壞。

3 試驗結(jié)果整理及其分析

在調(diào)整穩(wěn)定試驗方法后，進行了11組配合比的完整試驗，并對1組現(xiàn)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(zhì)量的變化情況。作為對比，還進行了現(xiàn)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(xì)試驗結(jié)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(huán)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(jié)果匯總表

試驗結(jié)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(guān)關(guān)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(dǎo)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(guān)關(guān)系，破壞迅速的紅磚甚至發(fā)生了烘干后重量大幅度上升的現(xiàn)象。

4 硫酸鈉表面侵蝕試驗方法的特點

在對大量的試驗結(jié)果整理分析的基礎(chǔ)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(xiàn)行的集料、巖石和混凝土試驗規(guī)程中的成熟方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過整理、分析提出的，并對試驗參數(shù)進行了認(rèn)真的驗證，試驗結(jié)果顯示了良好的規(guī)律性，這些方法都反映出試驗方法是穩(wěn)定可靠的，在妥善利用的情況下，可以很好的指導(dǎo)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(jié)果。這個溫度可以使硫酸鈉充分結(jié)晶，又避免了對混凝土強度的損壞，表1中動彈模的變化規(guī)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(shù)據(jù)分析表明，可用20次～25次循環(huán)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(jié)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(xiàn)場試件與標(biāo)養(yǎng)試件檢驗結(jié)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(xué)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(shù)的探討［J］．混凝土，2008(4):118-119．