交通基礎設施受硫酸鹽侵蝕過程中混凝土強度變化試驗研究

汪林華,楊云龍,范長利,彭 勇,奚歡歡

(成都建工蓉睿建材有限公司,四川 成都 610000)

1 試驗設計

1.1 原材料及混凝土配合比設計

表1 材料參數表 單位:kg/m3

設計水灰比為0.35,混凝土試塊澆筑完成1 d后對其進行自然養護,養護時間為標準條件下28 d。

侵蝕溶液采用無水硫酸鈉溶液進行配置,濃度分別為0%、3%、6%、9%,為探究不同侵蝕濃度下,立方體混凝土試塊在不同時期表觀變化、強度變化及彈性模量,每組試塊數量為個8塊,分別浸泡在不同濃度的硫酸鹽溶液中,在相對應的時間段取出試塊觀察表觀變化,隨后進行抗壓強度測試,抗壓強度測試實驗包括立方體抗壓強度和彈性模量變化實驗。

1.2 試驗過程

養護完成的立方體試塊隨機分成四組,每組試塊數量為8個,共計32個混凝土試塊,分別浸泡在四種濃度的溶液中,在不同時間段,同時取出四種溶液中浸泡的立方體試塊進行強度測試及表觀變化分析。混凝土立方體抗壓強度是衡量混凝土強度的重要指標,彈性模量是反映混凝土應力應變之間的對應關系,混凝土強度等級越高其彈性模量也就越大,試驗中采用壓力試驗機可測取相關數據,試驗過程均按照標準測試方法進行。

2 試驗結果及分析

2.1 試件表觀變化特征

同一時間段時間節點下不同硫酸鹽濃度條件下的混凝土立方體試件表觀變化情況。

同一時間節點下,不同濃度侵蝕溶液中混凝土試塊表觀過程,由于初始狀態(侵蝕時長為0 d)時各混凝土塊無表觀變化,因此略去此過程。橫向對比可以看出,在同一時間節點下,不同濃度的侵蝕溶液對混凝土試塊的侵蝕程度并不相同。侵蝕前期,四種濃度的混凝土試塊表觀上差異不大,均有少量白色晶體附著于表面。該晶體為硫酸鹽溶液結晶體,實際工程中也能發現。在酸性較強的混凝土工程結構物表面,時常附著有不同程度的結晶體。自然條件下,侵蝕離子更為多樣化,此變化會更加明顯。侵蝕中期,不同溶液中的混凝土試塊開始出現點狀侵蝕坑洞。濃度為0%的試塊表面幾乎無變化,隨著溶液硫酸鹽濃度的增加,坑洞分布逐漸密集。統計試塊單面坑洞數量及深度可以發現,濃度為9%的侵蝕環境下,試件表面坑洞面積達4.2%,比濃度3%侵蝕環境多2.9%。但其坑洞開口大小卻比6%濃度侵蝕條件下的試塊坑洞開口小,在6%侵蝕條件下,混凝土試塊表面坑洞數量較少,但開口較大,深度較淺,呈圓形點狀不規則分布于試塊表面。侵蝕中期,試塊棱邊完整,但頂角處出現不同程度的破損,在實際工程中也可以發現,混凝土結構物受環境侵蝕往往從頂角處開始出現破壞,原因在于這些節點處常常有硫酸鹽結晶堆積,侵蝕濃度更大。侵蝕后期,混凝土試塊表面顏色發生變化,顏色由之前的深褐色轉為淺灰色,試塊表面呈現條紋狀結晶體,表面坑洞開口變大,多處細小開口連成片狀,試件表面開始出現片狀剝落區域。在濃度為9%的侵蝕溶液中,試塊棱邊出現齒狀破壞,侵蝕程度最為嚴重。

從試件表觀變化規律可以看出,侵蝕溶液濃度越大,混凝土試塊侵蝕程度越嚴重,且隨時間的增長,侵蝕破壞會從混凝土試件頂角處開始,逐步向棱邊進行,最終導致混凝土結構整體發生侵蝕剝落,嚴重威脅結構物的安全性能[4]。

2.2 立方體抗壓強度

取不同侵蝕條件的混凝土試塊進行立方體抗壓性能測試,測試數據統計如圖1所示。

圖1 混凝土試塊抗壓強度變化圖

侵蝕進入中期階段時,混凝土試塊強度開始出現降低。濃度為0%的清水對照組強度變化不大,其余各溶液中混凝土試塊強度均出現下降,其中濃度為3%的侵蝕溶液中的混凝土試塊強度下降幅度為11.4%,降低幅度最大。濃度為6%和9%的侵蝕溶液中的混凝土試塊強度降幅分別為7%和5%。侵蝕進入后期,濃度為9%的侵蝕溶液中的混凝土試塊立方體抗壓強度開始陡降,降低幅度達到18%左右。6%濃度的侵蝕環境中,強度降低12%,3%濃度的侵蝕環境中,強度降低幅度較小,僅為6.5%,未被侵蝕的清水組混凝土試塊強度不降反增。從侵蝕中期到侵蝕后期可以看出,在未被硫酸鹽溶液侵蝕的條件下,混凝土立方體試塊的強度是比較穩定的,本試驗中,該組試塊強度穩定在35 MPa左右,將其作為對照組混凝土試塊的最終強度,可以看出環境中硫酸鹽濃度越大,混凝土最終強度越低,侵蝕之后的混凝土構件強度降低之后可能出現破壞的現象。在實際工程中,混凝土構件簡單受硫酸鹽侵蝕,同時也處于受力狀態,硫酸鹽侵蝕環境更為復雜[7]。從侵蝕中后期的過程可以看出,混凝土結構在受到硫酸鹽侵蝕之后,強度必然降低,但不同濃度的環境下,混凝土強度快速下降的侵蝕周期是不同的。試驗中3%的侵蝕環境,混凝土強度陡降發生在侵蝕中期,6%和9%的侵蝕環境下,混凝土強度陡降發生在侵蝕后期。

2.3 混凝土彈性模量

不同侵蝕環境中混凝土試塊彈性模量隨侵蝕時常的變化規律圖如圖2所示。可以看出,初始狀態下,混凝土試塊彈性模量為26.5 GPa。侵蝕前期,混凝土試塊立方體抗壓強度表現一致,其彈性模量也出現上升的情況。其原因同強度變化一致,侵蝕過程持續進行,清水中的混凝土試塊彈性模量繼續增加,在侵蝕中期和侵蝕后期來到30.5 GPa。在含硫酸鹽的侵蝕環境中,混凝土彈性模量在侵蝕中期就出現降低,且該過程從中期一直持續到侵蝕結束,9%濃度的侵蝕環境下,侵蝕結束后混凝土彈性模量僅為22.5 GPa,6%濃度的侵蝕環境中,混凝土彈模為23.6 GPa,3%的侵蝕環境下,為24.8 GPa。以清水組侵蝕后期的混凝土彈模30.5 GPa為該組混凝土試件在實際工程中的標準彈模,濃度為9%的硫酸鹽侵蝕環境下,最終彈模下降了26%,其他濃度的侵蝕環境,混凝土彈模也有不同程度的降低。從曲線斜率可以看出,混凝土彈性模量的降低過程是連續且均勻的,只要環境中存在一定濃度的硫酸鹽,混凝土結構在長期的侵蝕條件下均會出現彈模降低的情況。混凝土彈性模量降低之后,在外部荷載的作用下,結構容易出現裂縫,混凝土結構內部的受力鋼筋也會受到自然環境中離子的侵蝕,使結構鋼筋銹蝕,嚴重時將影響結構受力,產生安全隱患[8]。

圖2 混凝土試塊彈性模量變化圖

3 結 論

(1)侵蝕溶液濃度越大,混凝土試塊侵蝕程度越嚴重,且隨時間的增減,侵蝕破壞會從混凝土試件頂角處開始,逐步向棱邊進行,最終導致混凝土結構整體發生侵蝕剝落。

(2)混凝土立方體抗壓強度在各濃度的侵蝕環境下,前期均會出現強度上升的情況,隨后在存在硫酸鹽離子的環境中,抗壓強度會降低,濃度為9%的侵蝕溶液中的混凝土試塊立方體抗壓強度降低幅度達到18%左右。

(3)混凝土試塊的彈性模量在侵蝕前期也會出現上升的情況,隨后清水組混凝土試件彈性模量強度維持在30.5 GPa,其余各組彈性模量持續降低,9%濃度的侵蝕環境下,侵蝕結束后混凝土彈性模量僅為22.5 GPa,下降了26%。