硫酸銨溶液對混凝土碳化及力學性能的影響研究

汪小平，張柳春，帥云飛，李彬

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省環境巖土與工程災害控制重點實驗室，江西 贛州 341000)

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗水泥為萬年青牌的42.5級水泥；實驗用水為提前在太陽下曝曬后的自來水；細骨料，采用章江河沙；粗骨料，采用石灰巖碎石，粒徑2.5～5 mm比重15%，粒徑5～9.5 mm比重85%。

101型電熱鼓風干燥箱；HX-2型碳化實驗箱；ZC3-A型回彈儀；DYE-2000型壓力機；HC-TH01型碳化深度儀。

1.2 不同強度等級試塊的制備

設計制作強度等級分別為C40、C30和C25的三組混凝土試塊，配合比依據相關規范進行設計，具體見表1。

表1 混凝土標準試塊強度等級配合比Table 1 Concrete standard test blockstrength grade mix ratio

1.3 實驗方法

將在水中常溫下養護7 d后的試塊，分別放入清水、2.5%和5%濃度硫酸銨溶液環境內浸泡，試塊放置在清水內的記為S1，放置在2.5%濃度硫酸銨溶液內的記為S2，放置在5%濃度硫酸銨溶液內的記為S3。試塊浸泡28 d后，取出烘干48 h，接著在碳化箱中進行快速碳化實驗，分別碳化至0，3，7，14，28 d時，對試塊進行回彈強度實驗和極限抗壓強度實驗，測量其回彈強度值和極限抗壓強度值，最后采用1%濃度酚酞試液與碳化深度儀，測量混凝土試塊碳化深度。

2 結果與討論

2.1 硫酸銨溶液對混凝土碳化反應影響分析

混凝土試塊碳化深度隨齡期變化見圖1。

圖1 混凝土試塊碳化深度變化趨勢Fig.1 Concrete test block total carbonization depth a.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

將三組試塊的碳化數據進行整合處理，去除S2、S3組試塊因硫酸銨溶液作用而出現的“類碳化”部分，重新繪制混凝土試塊實際碳化深度隨齡期變化，結果見圖2。

圖2 混凝土試塊實際碳化深度變化趨勢Fig.2 Concrete test block real carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由圖2還可知，三組混凝土試塊碳化速度都隨著齡期的推移而逐步變緩，分析其原因，主要是由于試塊發生碳化時產生CaCO3固體物，填充了試塊部分縫隙，從而減緩了CO2滲透速度。在硫酸銨溶液下浸泡的試塊，隨著碳化的進行，不僅生成了CaCO3固體物，還會生成石膏和鋁膠等物質，進一步減緩混凝土試塊的碳化速度。

2.2 硫酸銨溶液對混凝土強度影響分析

2.2.1 硫酸銨溶液對混凝土回彈強度的影響 圖3 給出了混凝土試塊回彈強度的變化趨勢。

圖3 混凝土回彈強度隨碳化深度的變化趨勢Fig.3 Trend of concrete rebound strength with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由圖3可知，各組試塊的回彈強度均隨碳化深度的增加而增強；在碳化期齡及強度等級相同時，隨著硫酸銨溶液濃度增高，其回彈強度相應降低。造成這種現象的主要原因是，混凝土試塊碳化所生成的CaCO3固體物會增強混凝土表面硬度，從而增加其回彈強度。而S2和S3組的試塊在硫酸銨溶液作用下，表面一定深度的堿性物質在碳化之前就已經被消耗掉，因而其表面生成的CaCO3固體物相對于S1組較少，導致回彈法測出的強度值相對S1組更小。另外試塊在硫酸氨溶液侵蝕過程中還產生鈣礬石和鈣硅石等膨脹性產物，使得混凝土表面變的酥脆松軟，從而降低其表面硬度。硫酸銨溶液濃度越高，此過程也越顯著。

2.2.2 硫酸銨溶液對混凝土極限抗壓強度的影響 圖4給出了混凝土試塊極限強度的變化趨勢。

圖4 混凝土極限抗壓強度值隨碳化深度的變化趨勢Fig.4 Trend value of ultimate compressive strength of concrete with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

2.3 回彈法專用測強曲線的制定

按照地區和專用測強曲線的制定方法要求[16]，回歸方程的函數關系應符合式(1)：

(1)

0.1 MPa；

Rm——回彈強度平均值，精確到0.1 MPa；

dm——碳化深度平均值，精確到0.1 mm；

a，b，c——常數系數。

在測區強度換算表中[16]，對碳化深度≥6 mm的情況按6 mm進行計算。本實驗大部分試塊的碳化深度均>6 mm，故可將式中的dm統一取值 6 mm，通過實驗數據計算得出a，b，c常數值，分別制定2.5%和5%濃度硫酸銨溶液環境下的混凝土回彈專用測強曲線方程，見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

經誤差計算，制定的兩組專用測強曲線強度平均相對誤差：S2組δ=8.4%≤12%，S3組δ=9.1%≤12%；強度相對標準差：S2組er=8.8%≤14%，S3組er=9.5%≤14%；函數決定系數：S2組R2=0.932 4，S3組R2=0.926 3。誤差大部分保持在±10%之間，總體分布比較分散，也比較均勻，滿足規范要求。

圖5 S2組專用測強曲線圖Fig.5 S2 Group special strength graph

圖6 S3組專用測強曲線圖Fig.6 S3 Group special strength graph

3 結論

(1)硫酸銨溶液環境使得混凝土試塊產生 “類碳化”現象，硫酸銨濃度越高，“類碳化”的深度越深。

(2)碳化深度隨著齡期的增長而加深，碳化速度隨著齡期的增長而趨于變緩。硫酸銨溶液使得混凝土更加容易被碳化，硫酸銨溶液濃度越高混凝土碳化作用越強，碳化深度越深。

(3)硫酸銨溶液的侵蝕使得混凝土的回彈強度和抗壓強度都相對下降，相同條件下硫酸銨濃度越高，回彈強度和抗壓強度都相應下降的越多。

(4)制定了2.5%和5%兩種濃度硫酸銨溶液環境下混凝土專用測強曲線且誤差范圍滿足規范要求，可供實際工程參考。