硫酸鹽侵蝕環(huán)境下凍融循環(huán)和干濕循環(huán)混凝土劣化規(guī)律研究

張標(biāo)富

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108）

0 引言

混凝土的耐久性研究是土木工程領(lǐng)域長期以來的課題，這是因?yàn)榛炷恋那治g過程涉及到一系列的物理化學(xué)過程，與混凝土所處的周邊環(huán)境也密切相關(guān)，特別是在酸堿水土環(huán)境中，在有害介質(zhì)的侵蝕下，會加速混凝土的劣化過程，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)酥松、開裂、剝落和內(nèi)部鋼筋銹蝕等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)的整體承載力[1]。針對硫酸鹽侵蝕混凝土的研究，目前主要集中在單一因素的硫酸鹽環(huán)境，而對混凝土的劣化過程受到硫酸鹽與循環(huán)凍融環(huán)境和干濕循環(huán)條件相互耦合、共同作用的研究相對較少，因此，結(jié)合工程環(huán)境中出現(xiàn)循環(huán)凍融以及干濕循環(huán)工況，對硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致混凝土的劣化規(guī)律展開進(jìn)一步研究顯得尤為重要[2]。

1 混凝土試件的基本物理力學(xué)性能

選取P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥、河砂、自來水、石灰?guī)r粗骨料、S95 級礦渣、II級粉煤灰等材料制作C40混凝土[3]。

其中P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.4%，燒失量為1.19%，細(xì)度為3.8%，初凝時間為1.66h，終凝時間為3h，3d 抗折強(qiáng)度為4.5MPa，28d抗折強(qiáng)度為7.0MPa，3d抗壓強(qiáng)度為20.2MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為48.1MPa。P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為SiO2含量占比21.66%、Al2O3含量占比5.13%、MgO 含量占比1.06%、CaO 含量占比64.37%、SO3含量占比2.03%、Fe2O3含量占比5.25%。

粉煤灰化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為SiO2含量占比49.02%、Al2O3含量占比31.56%、MgO 含量占比0.83%、CaO 含量占比4.88%、SO3含量占比1.2%、Fe2O3含量占比6.97%、Na2O 含量占比0.43%、K2O 含量占比1.36%。粉煤灰的含水量為0.3%，燒失量為3.65%，需水比為94%，細(xì)度為18%，密度為2.3g/cm3。混凝土試塊細(xì)骨料采用新鮮河砂，篩分后得到其平均細(xì)度模數(shù)為2.68，粗骨料采用具有棱角的新鮮石灰?guī)r塊，經(jīng)過壓碎值測試，石塊的壓碎指標(biāo)為5%，室內(nèi)試驗(yàn)表明，細(xì)骨料的表觀密度為2.65g/cm3，粗骨料的表觀密度比細(xì)骨料略大，其大小為2.82g/cm3。

分別制作邊長150mm 和100mm的混凝土立方塊，進(jìn)行物理指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo)測試。在混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，試塊為水膠比0.35，即膠凝材料457kg/m3，水160kg/m3，同時為了改善混凝土的強(qiáng)度特性，摻入了20%的粉煤灰摻和0.7%的減水劑，粗骨料和細(xì)骨料每立方米分別配比1266kg、517kg。在物理指標(biāo)方面，主要測量混凝土的表觀密度參數(shù)，測試結(jié)果如圖1 所示，在強(qiáng)度指標(biāo)方面，主要測量4 個參數(shù)，分別是立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和彈性模型，測試結(jié)果如圖2所示。

圖1 混凝土的表觀密度測試成果

圖2 混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)測試成果

圖1 中的測試結(jié)果表明，混凝土試塊的表觀密度平均值為2420kg/m3，從圖2 中的測試結(jié)果表明混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度平均值為67.7MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值為50.5MPa，劈裂強(qiáng)度為6.9MPa，彈性模量為38.02GPa。

2 干濕循環(huán)與硫酸鹽共同作用下混凝土物理力學(xué)性能的演化特征

混凝土的干濕循環(huán)模擬通過在室內(nèi)試驗(yàn)中對混凝土試塊的溶液浸泡和自然風(fēng)干來進(jìn)行，單周期干濕循環(huán)共計(jì)15d，其中溶液浸泡8d，隨后取出自然風(fēng)干7d，試驗(yàn)過程共進(jìn)行24 個循環(huán)，即試驗(yàn)時間長度為360d[4]。為了研究混凝土受到硫酸根和干濕循環(huán)侵蝕作用的影響程度，制作了水膠比分別為0.35、0.45 和0.55 的混凝土試塊，硫酸鹽溶液也配置了質(zhì)量濃度分別為1%、5%和20%的Na2SO4溶液。觀測混凝土的質(zhì)量在受到干濕循環(huán)和Na2SO4溶液侵蝕作用下的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 混凝土質(zhì)量在干濕循環(huán)環(huán)境和Na2SO4溶液侵蝕作用下的變化規(guī)律

從圖3（a）中可以看出，隨著時間的增長，不同水膠比的混凝土質(zhì)量損失曲線變化規(guī)律較為相似，整體上均呈指數(shù)增加的趨勢，在180d 內(nèi)質(zhì)量損失率較小，而在180d 之后質(zhì)量損失率快速增加。在240d以內(nèi)，水膠比與混凝土的質(zhì)量損失相關(guān)關(guān)系為負(fù)相關(guān)，而在大于240d 之后，水膠比與混凝土的質(zhì)量損失之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[5]。從圖3（b）中可以看出，隨著時間的增長，不同質(zhì)量濃度Na2SO4溶液侵蝕下混凝土質(zhì)量損失整體上均呈指數(shù)增加的趨勢，但在240d以內(nèi)，質(zhì)量濃度對混凝土的質(zhì)量損失影響不明顯，而在大于240d 之后，Na2SO4溶液質(zhì)量濃度越大，混凝土的質(zhì)量損失越大。

圖4為在干濕循環(huán)條件和Na2SO4溶液共同作用下，混凝土相對動彈模量的演變特征。從圖4（a）中可以看出，在干濕循環(huán)條件和Na2SO4溶液共同作用下，3 個水膠比等級的混凝土相對彈性模量表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為隨著時間的增長，其相對動彈模量不斷降低，且具有明顯的非線性，且隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。從圖4（b）中可以看出，在不同質(zhì)量濃度的Na2SO4溶條件下，混凝土相對動彈模量曲線表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為隨著時間的增長，其相對動彈模量不斷降低，且表現(xiàn)出明顯的非線性，且隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 在干濕循環(huán)和Na2SO4溶液共同作用下，混凝土相對動彈模量的演變特征

3 凍融循環(huán)與硫酸鹽共同作用下混凝土的物理力學(xué)性能演化特征

混凝土的凍融循環(huán)主要是在室內(nèi)試驗(yàn)中，依托快速凍融設(shè)備對試塊的反復(fù)凍結(jié)和融解實(shí)現(xiàn)，首先將混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90d，隨后將其浸泡在溶液中，浸泡時間長度為4d，將其放入快速凍融機(jī)中，凍結(jié)持續(xù)時間為4h，解凍持續(xù)時間為4h，共凍融循環(huán)400 次，凍結(jié)溫度控制在-18℃～5℃[6-7]。

為了研究混凝土受到硫酸根和凍融循環(huán)侵蝕作用的影響程度，將水膠比為0.35 的混凝土試塊放入4 種不同溶液中進(jìn)行凍融循環(huán)，4 種不同溶液分別為H2O，5%的MgSO4溶液、5%的Na2SO4溶液、1%的Na2SO4溶液[8-9]。觀測凍融循環(huán)與硫酸根溶液共同作用下，混凝土的質(zhì)量變化特征，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，所有溶液中的混凝土，其質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出類似的演化過程，均表現(xiàn)為非線性增加。其中，質(zhì)量濃度為5%的MgSO4溶液中凍融循環(huán)的混凝土，其質(zhì)量損失最大，而H2O中凍融循環(huán)的混凝土，質(zhì)量損失次之，濃度為5%的Na2SO4溶液和1%的Na2SO4溶液中的混凝土質(zhì)量損失率最小，且兩者相近。

圖5 混凝土質(zhì)量在干濕循環(huán)環(huán)境

為了研究不同溶液和不同硫酸鹽濃度對混凝土強(qiáng)度造成的劣化效果，定義混凝土的劣化指標(biāo)為損失值，其定義如公式（1）所示。

式中：D為混凝土凍融循環(huán)后的損失值；E1為混凝土未凍融時的彈性模量；E2為混凝土凍融循環(huán)結(jié)束后的彈性模量。

表1 為不同溶液和不同硫酸鹽濃度循環(huán)凍融作用下混凝土的損失值變化規(guī)律。從表1 中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，所有溶液中的混凝土損失值均呈現(xiàn)近線性增加，經(jīng)歷400 次凍融循環(huán)作用后，5%的MgSO4溶液中的混凝土損失值最大，損失值大小為0.185，H2O 的混凝土損失值最小，損失值大小為0.122，1% 的Na2SO4溶液和5% 的Na2SO4溶液中的混凝土損失值介于兩者之間，損失值大小分別為0.160、0.135。

表1 不同溶液和溶液質(zhì)量濃度作用下混凝土的損失值變化規(guī)律

4 結(jié)論

基于室內(nèi)試驗(yàn)方法制作混凝土試塊，在研究常溫狀態(tài)下基本物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，分析混凝土的劣化過程受到硫酸鹽與循環(huán)凍融環(huán)境和干濕循環(huán)條件相互耦合、共同作用的演變規(guī)律，得到以下幾個結(jié)論。

①隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長，不同水膠比的混凝土質(zhì)量損失整體上均呈指數(shù)增加的趨勢。不同質(zhì)量濃度Na2SO4溶液侵蝕下混凝土質(zhì)量損失整體上均呈指數(shù)增加的趨勢。在不同質(zhì)量濃度的Na2SO4溶條件下，混凝土的相對動彈模量變化規(guī)律較為一致，均表現(xiàn)為隨著時間的增長，相對動彈模量不斷降低，且表現(xiàn)出明顯的非線性，隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

②所有溶液中的混凝土，其質(zhì)量損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出類似的演化過程，均表現(xiàn)為非線性增加。其中，質(zhì)量濃度為5%的MgSO4溶液中凍融循環(huán)的混凝土質(zhì)量損失最大，而H2O 中凍融循環(huán)的混凝土，質(zhì)量損失次之，濃度為5%的Na2SO4溶液和1%的Na2SO4溶液中的混凝土質(zhì)量損失率最小，且兩者相近。

③所有溶液中的混凝土損失值均隨凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)近線性增加，經(jīng)歷400 次凍融循環(huán)作用后，5%的MgSO4溶液中的混凝土損失值最大，H2O 的混凝土損失值最小，1%的Na2SO4溶液和5%的Na2SO4溶液中的混凝土損失值介于兩者之間。