硫酸鹽侵蝕下鐵路混凝土含氣量控制標準研究

劉 斌，劉東鋒，王亞萍，馬 旭

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024)

我國鹽漬土壤分布十分廣泛,尤其是濱海以及西部鹽湖地區存在較高濃度的硫酸鹽根離子。近年來,隨著鐵路基礎建設的不斷推進,大量鐵路軌道、路基、橋隧建筑物等混凝土主體結構存在硫酸鹽侵蝕風險,長期處于硫酸鹽侵蝕環境下的鐵路混凝土會出現膨脹、開裂、剝落、腐蝕變質等現象,使混凝土的強度和耐久性能出現劣化,嚴重影響工程結構的安全性和可靠性[1-4]。大量研究和工程實踐表明,硫酸鹽侵蝕對混凝土性能劣化的影響很大,破壞力更強[5-8]。

鐵道行業標準TB 10424—2018鐵路混凝土工程施工質量驗收標準中規定:處于鹽類結晶破壞環境的混凝土含氣量不低于4.0%,并且必須采取減水劑和引氣劑雙摻的方式進行配制。混凝土中引入適宜均勻分布穩定且封閉的微小氣泡,可提高其工作性和耐久性[9]。但規范中并未針對不同強度等級混凝土做出明確的含氣量上限控制要求,這樣可能會造成混凝土含氣量過高,不僅會增加膠凝材料和外加劑的用量,而且也不利于混凝土質量和成本控制。本文以不同中強混凝土(C35,C40和C50)作為研究對象,研究不同含氣量變化對抗壓強度耐蝕系數的影響規律,從而得到針對不同強度等級混凝土含氣量的控制要求。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:山東東華水泥有限公司淄博萬華分公司生產的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥,28 d膠砂強度為48.2 MPa;粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰,需水量比96%;細骨料:中砂,細度模數為2.8的河砂;粗骨料:由粒徑5 mm～10 mm,10 mm～20 mm與20 mm～31.5 mm的碎石按照質量比2∶5∶3混合后使用;減水劑:山西方興建材有限公司生產的FX-1H緩凝型高性能聚羧酸減水劑,減水率30%;引氣劑:山西方興建筑材料有限公司生產的FX-9型引氣劑;拌合水:自來水。

1.2 混凝土配合比

TB 10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范中要求處于硫酸鹽環境的主體結構混凝土最低強度等級為C35,故設計C35,C40和C50三個強度等級混凝土進行試驗。通過調整外加劑摻量,將混凝土坍落度控制在(220±10)mm,4種含氣量控制在(2±0.2)%,(4±0.2)%,(6±0.2)%和(8±0.2)%范圍內。混凝土配合比見表1。

1.3 試驗方法

試驗按照GB/T 50081—2019普通混凝土力學性能試驗方法標準和GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準將試塊養護56 d后進行抗硫酸鹽侵蝕試驗,1次干濕循環周期為1 d,侵蝕溶液為質量濃度5%的硫酸鈉溶液,每隔30次干濕循環檢測抗壓強度耐蝕系數變化情況,直至300次干濕循環。

2 結果與討論

2.1 含氣量對C35混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響

C35混凝土硫酸鹽溶液干濕循環后的抗壓強度耐蝕系數變化情況見圖1。由圖1可知,各循環周期下C35混凝土抗壓強度耐蝕系數均存在先增大后降低的趨勢,這是因為在干濕循環初期,混凝土內部形成的鹽晶體和未反應的粉煤灰進一步水化,起到填充空隙和密實的作用,使得混凝土的強度增加,但是隨著干濕循環的持續,鹽晶體繼續富集和長大,引起混凝土孔結構的破壞,導致強度急劇降低。

四種含氣量的C35混凝土在180次干濕循環下耐蝕系數分別為90.4%,94.1%,86.8%和79.9%,均大于75.0%,滿足KS180等級要求;在300次干濕循環下的耐蝕系數分別為81.3%,83.1%,77.7%和70.0%,含氣量為8.0%的C35混凝土耐蝕系數已不滿足要求。這主要是由于同一強度等級混凝土含氣量在一定范圍內,隨著其內部引入的微小氣泡越多,硫酸鹽環境下引入的封閉氣孔可以作為鹽類結晶壓力的“緩沖區”,其抗硫酸鹽侵蝕性能越好,但是當含氣量過高時有害氣泡數量增多,容易導致氣泡分布不均勻,對混凝土自身強度造成較大損失,其抵抗鹽類結晶壓力破壞的能力大幅降低,抗硫酸鹽侵蝕性降低[10]。

根據C35混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數之間的關聯性,采用二次函數進行擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環試驗后的擬合曲線如圖2所示,相關系數R2均超過了0.95,擬合效果良好。

通過上述二次函數擬合方程式計算不同干濕循環次數下C35混凝土的最優含氣量,即耐蝕系數最大值時所對應的含氣量值,計算結果如表2所示。由表2可知,C35混凝土240次干濕循環下最優含氣量值為3.4%;270次干濕循環下最優含氣量值為4.4%;300次干濕循環下最優含氣量值為3.8%。引氣劑摻量增加會使混凝土成本增加,當含氣量過高時有害氣泡數量增多,會引起混凝土強度下降。因此,綜合考慮經濟性、安全性和規范要求三方面因素,建議C35混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量應控制在4.0%～4.4%。

表2 不同干濕循環次數下C35混凝土的最優含氣量

2.2 含氣量對C40混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響

C40混凝土經硫酸鹽溶液干濕循環后抗壓強度耐蝕系數變化情況見圖3。各循環次數下C40混凝土抗壓強度耐蝕系數均存在先增大后降低的趨勢。四種含氣量的C40混凝土在180次干濕循環下的耐蝕系數分別為97.5%,98.9%,99.29%和94.3%,均大于75.0%,故滿足KS180等級要求;在300次干濕循環下的耐蝕系數分別為82.5%,85.8%,87.8%和80.2%。

根據C40混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數之間的關聯性,采用二次函數擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環試驗后的擬合曲線如圖4所示,相關系數R2均超過了0.90,擬合效果良好。

通過上述二次多項式函數擬合方程式計算不同干濕循環次數下C40混凝土的最優含氣量,計算結果如表3所示。由表3可知,C40混凝土240次干濕循環下最優含氣量值為5.0%;270次干濕循環下最優含氣量值為5.3%;300次干濕循環下最優含氣量值為4.9%。綜合考慮,建議C40混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量應控制在4.0%～5.3%。

表3 不同干濕循環次數下C40混凝土的臨界含氣量

2.3 含氣量對C50混凝土抗壓強度耐蝕系數的影響

C50混凝土經硫酸鹽溶液干濕循環的抗壓強度耐蝕系數變化情況見圖5。各循環次數下C50混凝土抗壓強度耐蝕系數均存在先增大后降低的趨勢。四種含氣量的C50混凝土在180次干濕循環下的耐蝕系數分別為97.3%,98.1%,98.5%和96.3%,均大于75.0%,滿足KS180等級要求;在300次干濕循環下的耐蝕系數分別為85.6%,89.9%,91.0%和85.2%。

根據C50混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數之間的關聯性,采用二次函數擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環試驗后的擬合曲線如圖6所示,相關系數R2均超過了0.93,擬合效果良好。

通過上述二次多項式函數擬合方程式計算不同干濕循環次數下C50混凝土的最優含氣量,計算結果如表4所示。由表4可知,C50混凝土240次干濕循環下最優含氣量值為4.8%;270次干濕循環下最優含氣量值為4.9%;300次干濕循環下最優含氣量值為5.0%。綜合考慮,建議C50混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量應控制在4.0%～5.0%。

表4 不同干濕循環次數下C50混凝土的臨界含氣量

3 結論

1)在干濕循環240次、270次和300次下,C35,C40和C50混凝土抗壓強度侵蝕系數變化與混凝土含氣量呈二次函數關系,相關系數R2均在0.90以上,說明關聯性良好。

2)建議C35混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量控制在4.0%～4.4%;C40混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量控制在4.0%～5.3%;C50混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下的含氣量控制在4.0%～5.0%。