碳化及硫酸鹽侵蝕對混凝土強度性能的影響研究

緱彥強， 孫 陽， 王瑞駿， 徐 帆， 李 陽

(1.西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048； 2.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061)

1 研究背景

混凝土面板堆石壩具有安全性好、工程量小、施工方便、工期短等優點，現已成為許多工程的首選壩型[1]。混凝土材料在服役期間由于受到化學腐蝕等自然因素的作用，導致其強度下降、力學性能退化，從而造成重大的經濟損失并嚴重影響人身財產安全。化學腐蝕主要有硫酸鹽侵蝕、氯離子擴散、混凝土碳化等，其嚴重影響混凝土材料的力學性能。因此，開展環境因素影響下混凝土力學性能的研究具有重要意義[2-4]。

近年來，不少專家學者對硫酸鹽侵蝕和碳化對混凝土力學性能的影響做了一些研究，如：董必欽等[5]探索了混凝土在硫酸根離子作用下的損傷變化，分別總結出混凝土的抗壓強度和抗折強度的曲線圖，并得出一定規律，此外也研究了干濕循環對于強度損傷的探索，得出多種周圍環境影響條件下混凝土構件性能的演變規律比單一影響條件下更有實際參考意義；喬宏霞等[6]及Hadjsadok等[7]研究發現摻加復合摻合料混凝土在硫酸鹽侵蝕后，其抗壓強度和抗折強度比普通混凝土變化小；王懌涵等[8]研究發現混凝土的抗壓強度隨硫酸鹽干濕循環次數的增加而降低，經15次硫酸鹽干濕循環后質量明顯增大，以后隨著干濕循環次數的增加，質量變化不大；趙慶新等[9]、巴明芳等[10]、趙鐵軍等[11]探索了混凝土損傷后進行在二氧化碳環境下的課題，結果顯示，當混凝土的損傷越大時，其對應碳化深度也隨之增大；耿歐等[12]研究發現碳化后混凝土峰值應變基本保持不變，而峰值應力有所提高，原混凝土等級越高，峰值應力提高幅度越大。趙冰華等[13]的試驗表明，碳化可以提高混凝土的抗壓強度，但同時會降低混凝土的抗折強度，滲透性也會因碳化而降低。張金喜等[14]對不同劣化作用下混凝土力學性能的研究發現，碳化后混凝土的抗壓強度增大，短期內硫酸鹽干濕循環對混凝土力學性能的影響不大。

目前，國內外對單因素作用下混凝土強度特性的研究較為全面，而對多因素共同作用下混凝土強度特性的研究相對不夠深入，尤其是在碳化和硫酸鹽侵蝕等共同作用下混凝土強度特性的研究相對較少。為此，本文對碳化與硫酸鹽干濕循環作用下混凝土的強度特性及其演變規律進行了試驗研究，對比分析了單一因素及多因素作用下混凝土力學性能的變化規律，以期為考慮碳化及硫酸鹽侵蝕共同作用下混凝土工程的設計提供參考。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗所用粗骨料為經過篩分后粒徑為5～30 mm的天然卵石；細骨料為河砂(細度模數為2.5)；水泥為陜西秦嶺水泥總廠生產的的秦嶺牌P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；試驗用水為自來水；中科院生產的高效三萜皂甙引氣劑；中科院生產的高效聚羥基酸減水劑。

2.2 面板混凝土配合比設計

本次試驗設計了3種不同水灰比的混凝土，選定混凝土單位用水量為129 kg，粗骨料為二級配，大石子與小石子比例為1∶1，砂率為0.34，減水劑用量為0.8%。混凝土的配合比設計方法，參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》進行。3種編號混凝土的坍落度、保水性及黏聚性均符合混凝土對和易性的要求。各配合比混凝土均符合C25混凝土要求。混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土配合比

2.3 試驗方法

試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》(以下簡稱《標準》)進行操作。試驗均釆用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，混凝土試件均采用機械攪拌，標準鋼模成型，振動臺振搗密實，24 h后拆模，在溫度為20±2℃ ，相對濕度為95%的標準養護箱內養護28 d。在計算機控制的電液伺服試驗機上進行試驗。分別按照上述配合比試驗制作3組試件。

2.3.1 硫酸鹽侵蝕試驗 按照《標準》中的“硫酸鹽干濕循環”方法進行試驗。將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號為S1、S2、S3 ,每組54個試件，其中抗壓和劈裂試驗各27個，共計162個試件，侵蝕溶液均為質量分數5%的硫酸鈉溶液。將試件養護至28 d齡期的前2 d，從標準養護箱中取，擦干表面后放入烘干箱中，在80℃下烘48 h，烘干后將試件在干燥環境中冷卻至室溫，隨后將試件放入硫酸鹽干濕循環試驗機中進行試驗。混凝土硫酸鹽干濕循環試驗如圖1所示。

2.3.2 碳化試驗 按照《標準》中的“碳化”方法進行試驗。將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號為T1、T2、T3 ,每組24個試件，其中抗壓和劈裂試驗各12個，共計72個試件。當試件到達預定齡期的前2 d，從標準養護箱中取，放入烘干箱中在60℃ 下烘48 h，隨后將試件放入二氧化碳濃度(20±3)%，相對濕度(70±5)%，溫度在(20±2)℃ 的混凝土碳化試驗箱中進行試驗。混凝土碳化試驗如圖2所示。

2.3.3 碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗 將水灰比為0.45、0.40和0.35的混凝土試件分別編號為TS1、TS2 、TS3，每組24個試件，其中抗壓和劈裂試驗各12個，共計72個試件。交替試驗時，按照前面試驗步驟，首先碳化7 d，然后立即取出試件進行硫酸鹽干濕循環試驗，循環15次，以上為一個碳化和硫酸鹽侵蝕交替(TS)循環。重復以上循環，一共完成4個TS循環。

圖1混凝土硫酸鹽干濕循環試驗圖2混凝土碳化試驗

3 試驗結果與分析

3.1 硫酸鹽侵蝕試驗

不同水灰比混凝土試件的抗壓強度及劈裂抗拉強度與硫酸鹽干濕循環次數的關系分別如圖3、4所示。

圖3 不同水灰比混凝土的抗壓強度與硫酸鹽干濕循環次數的關系

圖4 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強度與硫酸鹽干濕循環次數的關系

由圖3、4可知，水灰比與混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度關系密切，水灰比越大，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度越小。

由圖3可以看出，S1、S2、S3試件組在硫酸鹽侵蝕過程中抗壓強度均存在一個強度增長期。S1試件組經15次硫酸鹽干濕循環后抗壓強度上升到最高，為39.8 MPa，增加了2.58%；S2試件組經30次硫酸鹽干濕循環后抗壓強度達到最大，為42.3 MPa，增加了5.22%；S3試件組經45次硫酸鹽干濕循環后抗壓強度達到最大，為47.7 MPa，增加了9.40%。經120次硫酸鹽干濕循環后，S1、S2、S3試件組的抗壓強度分別為32.1，36.2和41.4 MPa，分別比未受硫酸鹽侵蝕前降低了17.27%，9.95%和5.05%。

由圖4可以看出，與抗壓強度一樣，S2、S3試件組的劈裂抗拉強度在硫酸鹽侵蝕過程中也均存在一個強度增長期，S1試件組的劈裂抗拉強度則一直處于下降趨勢，經120次硫酸鹽干濕循環后的劈裂抗拉強度為1.52MPa，降低了24.38%，而S2和S3試件組經120次硫酸鹽干濕循環后的劈裂抗拉強度分別降低了20.33%和14.83%；S3試件組的劈裂抗拉強度在硫酸鹽侵蝕過程中增長和下降趨勢明顯，經45次硫酸鹽干濕循環后達到最大值4.38 MPa，增加了38.17%；與S3試件組一樣，S2試件組的劈裂抗拉強度在硫酸鹽侵蝕過程中也呈現為先增長后下降的趨勢，經30次硫酸鹽干濕循環后達到最大值3.03 MPa，增加了25.73%。由此可以得出，水灰比對混凝土抗硫酸鹽侵蝕有一定的影響，水灰比越小，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力越強。

分析上述試驗結果，混凝土在硫酸鹽侵蝕中的破壞主要有兩個階段，第一階段：干濕循環過程中，烘干時箱內溫度較高，處于高溫環境下的混凝土會產生干縮裂縫，對硫酸鹽滲入混凝土中提供了有利條件；第二階段：硫酸鹽與混凝土中水泥石的某些成分發生化學反應，生成鈣礬石和石膏。當硫酸鹽干濕循環次數較少時，化學反應后生成的鈣礬石和石膏填充了混凝土中的空隙和細小裂縫，因此強度有所增大。隨著硫酸鹽干濕循環次數的增加，鈣礬石和石膏進一步積累產生的壓力對混凝土造成破壞，從而強度又逐漸降低。

3.2 碳化試驗

不同水灰比混凝土試件的抗壓強度及劈裂抗拉強度與碳化齡期的關系分別如圖5、6所示。

圖5 不同水灰比混凝土的抗壓強度與碳化齡期的關系

圖6 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強度與碳化齡期的關系

分析圖5、6可知，混凝土的抗壓強度及劈裂抗拉強度隨碳化時間、水灰比的變化規律相似，皆隨碳化時間的延長而增大，且增大呈現先快后慢的趨勢。T1試件組經14 d碳化后劈裂抗拉強度基本不變。T1、T2、T3試件組經過28 d的碳化，抗壓強度分別達到44.2、45.3、46.6 MPa，分別增加了13.92%、12.69%、6.88%；劈裂抗拉強度分別達到2.99、3.52、3.78 MPa，分別增加了48.76%、46.06%、19.24%。由此可以得出，碳化可以提高混凝土的抗壓強度及劈裂抗拉強度。

影響碳化作用的兩個重要因素是Ca(OH)2的含量和環境中CO2的擴散速度。試驗剛開始時，混凝土中Ca(OH)2含量充足，而且內部孔隙相對比較疏松，這樣CO2的擴散速度就相對比較快，因此碳化速度也較快，但隨著試驗時間的延長，Ca(OH)2和CO2發生反應，Ca(OH)2的含量越來越少，而且反應生成的碳酸鈣填充了混凝土的孔隙結構，提高了密實度，從而減緩了CO2的擴散速度，導致碳化反應越來越慢，因此混凝土的強度增長也越來越慢。

3.3 碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗

不同水灰比混凝土試件的抗壓強度及劈裂抗拉強度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數的關系分別如圖7、8所示。

由圖7、8可以看出，在碳化和硫酸鹽交替循環作用下，前期TS2和TS3試件組的抗壓強度和劈裂抗拉強度仍然出現增大的過程，經1次交替循環后強度才開始降低。TS1試件組的抗壓強度和劈裂抗拉強度則隨交替次數的增加一直在減小。TS1、TS2、TS3試件組經4次交替作用后劈裂抗拉強度分別為1.41，1.98，2.91 MPa，比未交替作用時分別減小29.85%、17.84%和8.20%。經過4次交替循環后，TS3試件組的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降幅度最小，分別在12.2%和8.2% 以內；而TS1試件組的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降幅度最大，分別下降42.27%和29.85% 。可見水灰比仍然是重要的影響因素，水灰比越小，混凝土在交替循環作用下的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降越慢；水灰比越大，面板混凝土在交替循環下的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降越快。

圖7 不同水灰比混凝土的抗壓強度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數的關系

圖8 不同水灰比混凝土的劈裂抗拉強度與碳化和硫酸鹽侵蝕交替次數的關系

3.4 碳化和硫酸鹽侵蝕單一試驗和交替試驗對比分析

本試驗碳化和硫酸鹽侵蝕交替試驗的3組試件，總共經歷了60次硫酸鹽干濕循環和28 d齡期的碳化。單一因素作用下各組試件的抗壓強度損失率、劈裂抗拉強度損失率的疊加結果與雙重因素交替作用下各組試件抗壓強度損失率和劈裂抗拉強度損失率的結果如表2所示。

表2 各組試件經多次單一碳化和硫酸鹽侵蝕作用及二者交替作用后抗壓強度和劈裂抗拉強度損失率 %

注：表中損失率為正值表示強度降低；損失率為負值表示強度增加，下同。

從表2中各組試件抗壓強度損失率及劈裂抗拉強度損失率的疊加結果可知，單一因素作用下經60次硫酸鹽干濕循環及28 d碳化后，水灰比為0.45、0.40、0.35的3組混凝土試件的抗壓強度損失率分別為-8.0%、-15.7%和-13.5%，劈裂抗拉強度損失率分別為-34.3%、-56.0%和-50.8%。經硫酸鹽侵蝕和碳化雙重因素循環交替作用后，水灰比為0.45、0.40、0.35的3組混凝土試件的抗壓強度損失率分別為42.3%、25.9%和12.2%，劈裂抗拉強度損失率分別為29.9%、17.8%和8.2%。單一因素作用下各組試件的抗壓強度損失率及劈裂抗拉強度損失率的疊加結果都是負值，表示此時各組試件皆處于抗壓強度及劈裂抗拉強度增加的狀態，而交替循環以后，各組試件的抗壓強度及劈裂抗拉強度都出現不同程度的降低。

由以上結果可知，交替作用中碳化和硫酸鹽侵蝕相互起促進作用，加速了混凝土的劣化。經過交替試驗的試件，其強度降低幅度比單一因素碳化和硫酸鹽侵蝕作用下的簡單疊加更大。主要有以下兩方面原因：一方面是在硫酸鹽侵蝕過程中，混凝土試件在干濕循環以及高溫烘烤作用下，混凝土試件表面會產生干縮裂縫。這些干縮裂縫會加速硫酸鹽離子的入侵量，導致混凝土內部孔隙中產生較多鈣礬石以及石膏等晶體，大量的晶體產生會在混凝土孔隙內壁形成拉應力導致孔隙破壞形成裂縫，在宏觀表現為混凝土的力學性質的降低；另一方面，因為硫酸鹽干濕循環過程中產生大量的干縮裂縫，就會加速CO2通過外部進入到混凝土內部，從而與混凝土中的堿性物質Ca(OH)2等物質發生反應，從而導致混凝土內部結構發生變化，因此混凝土的強度會有所降低。這兩個方面的原因相互影響、共同作用加速了混凝土的破壞。

4 結 論

(1)水灰比越小，硫酸鹽侵蝕后混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降幅度越小，混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力越強；劈裂抗拉強度較抗壓強度對硫酸鹽侵蝕產生的損傷更為敏感。

(2)隨著碳化齡期的延長，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度越來越大。水灰比越大，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度增加的速度越快。隨著碳化時間的延長，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的增大呈現先快后慢的趨勢。

(3)混凝土碳化與硫酸鹽侵蝕雙因素作用下，水灰比越小，混凝土在交替循環下的抗壓強度和劈裂抗拉強度下降幅度越小。

(4)碳化與硫酸鹽侵蝕共同作用下，二者對混凝土強度的影響特征并非各自影響效應的簡單疊加，而是相互影響、相互促進。

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