半暴露橋墩混凝土受硫酸鈉破壞的研究

徐旭東，劉贊群

(1.河南城際鐵路有限公司，河南 鄭州 450052；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

我國(guó)高速鐵路一個(gè)重要特點(diǎn)是以橋代路，以利于保護(hù)耕地資源，完善道路條件。然而，當(dāng)線(xiàn)路通過(guò)含有硫酸鹽(主要是硫酸鈉)的地下水或者地表水時(shí)，橋墩混凝土就會(huì)受到硫酸鹽的侵蝕產(chǎn)生破壞作用。其破壞特點(diǎn)是暴露在空氣中的水分蒸發(fā)區(qū)的混凝土破壞嚴(yán)重，而直接浸泡在水中的混凝土破壞不明顯，通常定義這種破壞為硫酸鹽結(jié)晶破壞[1]。但越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，蒸發(fā)區(qū)的破壞包括兩個(gè)方面[2-4]：表層碳化混凝土內(nèi)部發(fā)生了物理鹽結(jié)晶破壞，而在混凝土內(nèi)部是一種高濃度硫酸鹽化學(xué)侵蝕破壞。

半暴露在鹽環(huán)境中的多孔材料內(nèi)部溶液的傳輸機(jī)理被稱(chēng)為“燈芯效應(yīng)”，燈芯效應(yīng)包括兩個(gè)過(guò)程[5]，毛細(xì)吸附過(guò)程，溶液通過(guò)毛細(xì)吸附進(jìn)入多孔材料內(nèi)部，到達(dá)暴露在空氣中的部位(蒸發(fā)區(qū))；水分蒸發(fā)過(guò)程，蒸發(fā)區(qū)中發(fā)生水分蒸發(fā)，內(nèi)部溶液濃度升高。燈芯效應(yīng)傳輸受混凝土水灰比影響：隨著水灰比降低，混凝土內(nèi)部孔徑細(xì)化與孔隙率降低。孔徑細(xì)化，毛細(xì)吸附高度越高，促使溶液進(jìn)入混凝土蒸發(fā)區(qū)；但材料內(nèi)部連通孔隙率降低，又會(huì)阻礙溶液進(jìn)入材料內(nèi)部。因此，降低水灰比，既有利于溶液進(jìn)入水分蒸發(fā)區(qū)，又不利于溶液進(jìn)入水分蒸發(fā)區(qū)，相互矛盾的影響使得并不是水灰比越低、硫酸鹽離子進(jìn)入水分蒸發(fā)區(qū)中的量越少，而應(yīng)該是存在一個(gè)矛盾相互平衡點(diǎn)，促使和阻礙作用共同使得進(jìn)入水蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的硫酸根離子量最少。

本文采用半浸泡方式，通過(guò)測(cè)試水分蒸發(fā)速率，采用離子色譜檢測(cè)不同階段浸泡溶液中的硫酸根離子濃度，擬合計(jì)算混凝土硫酸根離子在孔隙內(nèi)的固化量，研究不同水灰比 (W/C=0.35、0.40、0.45、0.50、0.55)對(duì)進(jìn)入水分蒸發(fā)區(qū)中硫酸根離子量的影響規(guī)律，為鐵路橋墩混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試過(guò)程

如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)分為三部分，其中①為測(cè)試對(duì)象，②為靜水天平，③是環(huán)境箱。裝置①中，將混凝土圓柱試件放置于塑料容器中，容器內(nèi)裝有固定體積的硫酸鈉溶液。在20℃下，在環(huán)境箱③內(nèi)配制硝酸鎂過(guò)飽和鹽溶液控制濕度為55.87±0.27%。

圖1 半浸泡混凝土實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖2所示為半浸泡實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組，混凝土圓柱試件放在裝有500.00 g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%硫酸鈉溶液的盒子內(nèi)，對(duì)照組用防水薄膜包住，半浸泡放入500.00 g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%硫酸鈉溶液的盒子內(nèi)。然后將整個(gè)盒子放在天平上檢測(cè)質(zhì)量變化，則蒸發(fā)區(qū)水分蒸發(fā)平均速率：

式中：Mn為第n組在t小時(shí)內(nèi)(150 h)的質(zhì)量損失，包括蒸發(fā)區(qū)和液面的蒸發(fā)量；M0為對(duì)照組在t小時(shí)內(nèi)(150 h)的質(zhì)量損失，即液面的蒸發(fā)量。

浸泡周期18 d，分5個(gè)周期，總時(shí)長(zhǎng)90 d。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，每18 d更換一次侵蝕溶液，以此保證外界條件的穩(wěn)定性；每次取出時(shí)將混凝土蒸發(fā)區(qū)表面結(jié)晶清理干凈，分別稱(chēng)量并記錄混凝土試件質(zhì)量、試件蒸發(fā)區(qū)表面晶體質(zhì)量以及裝有溶液的盒子的質(zhì)量；同時(shí)，將更換前的溶液取樣進(jìn)行離子色譜檢測(cè)。

1.2 原材料及配合比

試驗(yàn)采用符合 GB 8076—2008 標(biāo)準(zhǔn)的混凝土外加劑檢驗(yàn)專(zhuān)用基準(zhǔn)水泥，砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，骨料為碎石粒徑5～10 mm的碎石，清洗干凈。拌合水和配制溶液采用自來(lái)水，采用化學(xué)分析純Mg(NO3)2·6H2O、NaCl、Na2SO4。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土試件配合比設(shè)計(jì)

1.3 試件成型

混凝土模具為公稱(chēng)內(nèi)徑為70 mm，高為105±2 mm的PVC管，底部用防水塑料膜封底，并用透明膠布固定在模具上。將攪拌均勻的漿體澆筑于模具內(nèi)并充分振搗，然后用塑料薄膜蓋住頂部，放置在20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室?guī)＞唣B(yǎng)護(hù)28 d。試件養(yǎng)護(hù)完成之后取出，用切割機(jī)將模具劈裂，再使用小型水冷切割機(jī)打磨試件頂、底端，盡量保證試件高度在100±2 mm，將打磨完成后試件放到室溫為20±2 ℃的真空硅膠干燥皿中干燥7 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀(guān)變化

如圖2為在浸泡90 d后，試件破壞情況，由圖可見(jiàn)，水灰比為0.35、0.4、0.45三組混凝土試件表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，但0.50和0.55兩種混凝土出現(xiàn)較明顯的破壞現(xiàn)象。這說(shuō)明當(dāng)水灰比以0.45為分界，水灰比大于0.45的混凝土，半浸泡在硫酸鈉溶液中更容易出現(xiàn)劣化破壞。

圖2 浸泡90 d后試件的破壞情況

2.2 水分蒸發(fā)平均速率曲線(xiàn)

圖3為5種混凝土全時(shí)段的水分蒸發(fā)平均速率曲線(xiàn)，整個(gè)階段可以大致分成以下幾個(gè)階段：

圖3 R1-R5的水分蒸發(fā)平均速率曲線(xiàn)

(1) 0 h～130 h～600 h，水分蒸發(fā)速率迅速增大后又迅速降低，根據(jù)蒸發(fā)速率的大小，5種混凝土可以大致分成3組：0.55為一組，蒸發(fā)速率大，0.50和0.45為一組，蒸發(fā)速率中等，0.5和0.35為一組，蒸發(fā)速率最低；

(2) 600 h～1 200 h和1 500 h，水分蒸發(fā)區(qū)緩慢增加，根據(jù)蒸發(fā)速率大小，5組混凝土又重新分類(lèi)：0.35為一組， 0.50和0.55為一組，這3中混凝土的蒸發(fā)速率相差不大；0.40和0.45為一組，蒸發(fā)速率顯著降低。0.35、0.40和0.45混凝土到1 200 h時(shí)，蒸發(fā)速率達(dá)到峰值；0.50和0.55混凝土帶1 500 h，蒸發(fā)速率達(dá)到峰值；

(3) 1 200 h和 1 500 h～2 100 h，0.55混凝土蒸發(fā)速率顯著降低，0.50混凝土蒸發(fā)速率也有較明顯下降，0.35、0.40、0.45 下降平緩。

當(dāng)混凝土半浸泡在溶液中時(shí)，其水分蒸發(fā)速率受孔隙結(jié)構(gòu)的影響：孔徑減少，有利于溶液上升至水分蒸發(fā)區(qū)，但水分蒸發(fā)越困難；連通孔隙率減少，不利于溶液進(jìn)入混凝土水分蒸發(fā)區(qū)；隨著侵蝕過(guò)程的進(jìn)行，生成的化學(xué)侵蝕產(chǎn)物細(xì)化和堵塞孔隙。

2.3 硫酸根離子的固化度M

為了描述不同水灰比半浸泡混凝土的抗侵蝕能力，本文引入了固化度：被混凝土活性物質(zhì)結(jié)合而無(wú)法自由移動(dòng)的硫酸根的量，該值量化半浸泡混凝土在燈芯效應(yīng)過(guò)程中的侵蝕程度。

推算固化度的前提是清楚硫酸鈉的分布情況，然后通過(guò)質(zhì)量守恒擬合出硫酸根離子的固化度。每個(gè)周期的試驗(yàn)系統(tǒng)已給定500.00 g，5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸鈉溶液，其硫酸鈉含量H為固定值25 g，而硫酸鈉在燈芯效應(yīng)過(guò)程中只會(huì)分布在四個(gè)部分：盒子內(nèi)剩余溶液中J、孔隙溶液K、表面硫酸鈉結(jié)晶L以及固化度M，即：

假設(shè)剩余溶液部分只有Na+(實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明其他陽(yáng)離子含量可忽略)，則溶液中硫酸鈉含量J可以通過(guò)式(3)近似計(jì)算得到：

式中：c為溶液中硫酸根離子濃度，色譜測(cè)試得到；q為剩余溶液的質(zhì)量，測(cè)試得到。

為了計(jì)算孔隙溶液中的硫酸鈉質(zhì)量K，不同試驗(yàn)組共同假設(shè)兩個(gè)條件。

(1)條件1：已知孔隙溶液質(zhì)量?Q等于浸泡前后試件(已清理表面結(jié)晶)的質(zhì)量差，但孔隙溶液可以分為兩部分：蒸發(fā)區(qū)和浸泡區(qū)。據(jù)直觀(guān)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)浸泡區(qū)高度總是蒸發(fā)區(qū)的3倍，因此假設(shè)各試件蒸發(fā)區(qū)占整個(gè)孔溶液的1/4，浸泡區(qū)占3/4。

(2)條件2：已知浸泡區(qū)濃度即為溶液濃度c，但根據(jù)燈芯效應(yīng)原理，蒸發(fā)區(qū)(包括水膜區(qū)和結(jié)晶區(qū))的濃度會(huì)更大。研究結(jié)果表明，水泥漿體的蒸發(fā)區(qū)硫酸鈉濃度近似飽和狀態(tài)。為了便于計(jì)算，假設(shè)該情況下蒸發(fā)區(qū)溶液均為飽和狀態(tài)，此時(shí)可通過(guò)晶體飽和溶解度S估算出溶液中所含的硫酸鈉質(zhì)量，已知20℃下，硫酸鈉溶解度為19.5 g/100 mL，則：

將各值進(jìn)行帶入計(jì)算得到表2的固化度M結(jié)果，表中表頭意義第一階段(0～432 h)、第二階段(432～864 h)、第三階段 (864～1 296 h)、第四階段 (1 296～1 728 h)、第五階段 (1 728～2 160 h)。

將表2中離子固化度對(duì)應(yīng)不同浸泡齡期做圖，如圖4所示。

圖4 5種混凝土各階段固化度M對(duì)比

表2 各周期固化度M擬合結(jié)果 單位：g

從圖4可見(jiàn)，在相同的侵蝕時(shí)間段內(nèi)，混凝土中的硫酸根離子固化量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但隨著降低，然后再緩慢升高的趨勢(shì)，與圖3中水分蒸發(fā)速率變化趨勢(shì)基本一致。開(kāi)始將干燥的混凝土試件半浸泡在硫酸鈉溶液中時(shí)，由于毛細(xì)吸附使得混凝土中硫酸根離子量增加，但由于時(shí)間延長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)消耗硫酸根離子，其生產(chǎn)產(chǎn)物堵塞毛細(xì)孔，反而其離子固化量下降。但隨時(shí)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，孔隙結(jié)構(gòu)的變化由促使更多的硫酸根離子進(jìn)入混凝土中。對(duì)所有固化硫酸根離子量進(jìn)行累計(jì)后發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.50和0.55混凝土中固化的離子量是最多的，而水灰比為0.45混凝土中固化的硫酸根離子量最少，可以建議在對(duì)半浸泡在硫酸鹽環(huán)境的橋墩混凝土中進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，最好采用水灰比不大于0.5的混凝土。

3 結(jié)語(yǔ)

本文模擬了水灰比對(duì)鐵路橋墩半浸泡在硫酸鈉水環(huán)境中受硫酸鹽侵蝕破壞的影響，得到以下研究結(jié)果：

(1)半浸泡在硫酸鈉溶液中水灰比為0.35、0.40、0.45、0.50和0.55五種混凝土，水灰比為0.45的混凝土中進(jìn)入硫酸根離子量最少。

(2)綜合考慮試件破壞外觀(guān)特征、水分蒸發(fā)速率變化和試件中離子固化量的試驗(yàn)結(jié)果，建議半浸泡在硫酸鹽環(huán)境中的橋墩混凝土水灰比不大于0.50。