硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)作用下粉煤灰混凝土性能分析

李澤發(fā)

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)水資源逐漸深入開(kāi)發(fā)利用，在沿海區(qū)域建設(shè)水利工程現(xiàn)象較多。該類工程常常選用外摻粉煤灰的碾壓混凝土澆筑，但時(shí)常受到硫酸鈉侵蝕與凍融循環(huán)雙重作用的影響[1]。因此為了保證水電站或水庫(kù)的使用壽命，必須掌握硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重作用不同外摻比例的粉煤灰混凝土性能變化[2]。

本文為了探究硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)雙重影響下粉煤灰外摻比例變化與混凝土性能關(guān)系與影響機(jī)理，設(shè)計(jì)硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)、凍融循環(huán)兩種試驗(yàn)條件，設(shè)定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外摻比例形成對(duì)比試驗(yàn)，選取試驗(yàn)構(gòu)件質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失百分比等各指標(biāo)表征混凝土性能變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的理論指導(dǎo)工程實(shí)踐，提高水利工程質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與混凝土混合比介紹

選擇PO32.5 型號(hào)的水泥與II 級(jí)粉煤灰作為膠凝材料，減水劑型號(hào)為上海某廠提供的JM-III 型，引氣劑型號(hào)為AIR204型。選擇細(xì)度模數(shù)為2.65 的中砂作為細(xì)骨料。粗骨料為粒徑范圍5.0 mm～20.0 mm、20.0 mm～40.0 mm、40.0 mm～80.0 mm 的石灰石，各粒徑范圍石灰石質(zhì)量比例為1∶1∶1.33。水可選用自 來(lái)水即可。試驗(yàn)的混合比見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)中單位體積內(nèi)混凝土混合比

1.2 試驗(yàn)構(gòu)件制作與試驗(yàn)方法介紹

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求澆筑試驗(yàn)構(gòu)件，拌和完成后第一時(shí)間把拌和物倒在濕潤(rùn)的鐵皮上[3]，攪拌均勻后把拌和物分成雙層依次填充進(jìn)200 mm×200 mm×800 mm 棱柱與邊長(zhǎng)為200 mm的立方體模具內(nèi)，下部填筑完成后振搗20.0 s，接著填筑表層，接著振搗20.0 s 后成型。構(gòu)件成型后第一時(shí)間放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，4.0 h 后抹面，1 d 后去除模具后標(biāo)識(shí)試驗(yàn)組及標(biāo)號(hào)。再次放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)3 個(gè)月。試驗(yàn)構(gòu)件規(guī)格與試驗(yàn)組標(biāo)號(hào)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)構(gòu)件規(guī)格與試驗(yàn)組標(biāo)號(hào)、用途

其中設(shè)定試驗(yàn)條件為凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕2 種影響的自由組合，硫酸鹽侵蝕選擇含量5.0%的硫酸鹽溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。D0.0 是粉煤灰外摻比例0.0%時(shí)凍融循環(huán)構(gòu)件，D20.0 是粉煤灰外摻比例20.0%時(shí)凍融循環(huán)構(gòu)件，D40.0 是粉煤灰外摻比例40.0%時(shí)凍融循環(huán)構(gòu)件。QD0.0 是粉煤灰外摻比例0.0%時(shí)硫酸鹽侵蝕的凍融循環(huán)構(gòu)件，QD20.0 是粉煤灰外摻比例20.0%時(shí)硫酸鹽侵蝕的凍融循環(huán)構(gòu)件，QD40.0 是粉煤灰外摻比例40.0%時(shí)硫酸鹽侵蝕的凍融循環(huán)構(gòu)件。

為了保證凍融循環(huán)或凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)效果，在養(yǎng)護(hù)85.0d 時(shí)，將各試驗(yàn)構(gòu)件依次浸泡在20.0℃左右的水箱與5.0%的硫酸鹽溶液箱內(nèi)到3 個(gè)月取出[5～7]。對(duì)構(gòu)件檢測(cè)質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量、波速后依次完成100.0 次、200.0 次、300.0次、400.0 次凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失分析

凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)時(shí)，凍融循環(huán)數(shù)量與構(gòu)件質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與質(zhì)量損失百分比呈正相關(guān)關(guān)系，具體變化曲線見(jiàn)圖1。在400.0 次凍融循環(huán)時(shí)，試驗(yàn)構(gòu)件D0.0、D20.0、D40.0 質(zhì)量損失百分比依次是1.81%、3.08%、4.04%。試驗(yàn)構(gòu)件QD0.0 在400.0 次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)損比例變成4.25%，QD20.0 在300.0 次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)損比例變成3.34%，400.0 次時(shí)變成5.54%，大于5.0%，QD40.0 在200.0 次凍融循環(huán)時(shí)質(zhì)損比例變成4.56%,300.0 次時(shí)變成5.89%。即可推斷濕篩購(gòu)進(jìn)質(zhì)量損失與外摻粉煤灰比例呈正相關(guān)，尤其有硫酸鹽侵蝕的影響時(shí)，抗凍性下降明顯。在凍融循環(huán)數(shù)量一致下，凍融循環(huán)構(gòu)件質(zhì)損比例遠(yuǎn)小于硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)構(gòu)件質(zhì)損比例，同時(shí)凍融循環(huán)數(shù)量上升，硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)構(gòu)件質(zhì)損比例增長(zhǎng)幅度大。

圖1 混凝土構(gòu)件質(zhì)量損失百分比和凍融循環(huán)數(shù)量的關(guān)系曲線圖

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量分析

濕篩混凝土構(gòu)件的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)數(shù)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在400.0 次凍融循環(huán)時(shí)，D0.0、D20.0、D40.0 試驗(yàn)構(gòu)件分別減小至83%、70.1%、59.8%。QD0.0 試驗(yàn)構(gòu)件400.0次凍融循環(huán)時(shí)78.3%，QD20.0 在300.0 次凍融循環(huán)時(shí)變?yōu)?3.3%，400.0 次凍融循環(huán)時(shí)變成62.0%，QD40.0 構(gòu)件在200.0次凍融循環(huán)時(shí)變成80.7%，300.0 次凍融循環(huán)時(shí)變成60.2%，400.0 次后變成40.6%。可以得出，凍融循環(huán)數(shù)量一致時(shí)，濕篩混凝土構(gòu)件抗凍性能與粉煤灰外摻比例呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。凍融前期，降幅較小，隨時(shí)間推移，下降幅度增長(zhǎng)，并以指數(shù)態(tài)勢(shì)發(fā)展。

圖2 是水溶液與鹽溶液分別影響時(shí)混凝土構(gòu)件進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)相對(duì)彈性模量與凍融循環(huán)數(shù)量關(guān)系圖。分析圖2 曲線能夠得到，凍融循環(huán)數(shù)量一致時(shí)，水凍影響的混凝土構(gòu)件相對(duì)動(dòng)彈性模量遠(yuǎn)高出鹽凍影響的混凝土構(gòu)件的彈性模量，并且當(dāng)凍融循環(huán)數(shù)量上升，水凍影響的混凝土降幅小于鹽凍降幅。進(jìn)一步分析說(shuō)明在硫酸鹽侵蝕的影響可加快混凝土破損。

圖2 混凝土構(gòu)件凍融循環(huán)時(shí)相對(duì)彈性模量與凍融循環(huán)數(shù)量關(guān)系圖

分析水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量粉煤灰外摻比例凍融循環(huán)數(shù)量間的方程式，可建立方程式為：

式中：En是凍融多次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量；a1、a2是常數(shù)；n 是凍融循環(huán)數(shù)量；kc與粉煤灰外摻比例相關(guān)的變量，kc=a3c2+a4c+a5，c是粉煤灰外摻比例。

利用回歸分析計(jì)算出鹽凍情形時(shí)方程各標(biāo)量值后得到En=0.9242。

2.3 抗壓強(qiáng)度分析

為了深度分析僅在凍融循環(huán)或硫酸鹽侵蝕或雙重影響時(shí)混凝土力學(xué)性能下降情況，計(jì)算濕篩混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度損失百分比見(jiàn)下式[8]：

式中：Sn代表濕篩混凝土強(qiáng)度損失百分比，%；Pn代表若干凍融循環(huán)時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；P0代表未經(jīng)凍融循環(huán)混凝土初始抗壓強(qiáng)度值，MPa。

試驗(yàn)混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度損失百分比與凍融循環(huán)數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。400.0 次凍融循環(huán)時(shí)，D0.0、D20.0、D40.0 3 個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件分別減小至23.98%、31.27%、43.73%。QD0.0 試驗(yàn)組構(gòu)件400.0 次凍融循環(huán)時(shí)變成41.8%，QD20.0 試驗(yàn)構(gòu)件300.0 次凍融循環(huán)時(shí)變成42.45%，400.0 次時(shí)變成52.75%。QD40.0 試驗(yàn)組構(gòu)件200.0 次凍融循環(huán)下降幅度為47.7%，300.0 次凍融循環(huán)時(shí)為60.55%，400.0 次時(shí)變成68.05%。站在混凝土承載能力的角度來(lái)看再次驗(yàn)證了在凍融循環(huán)數(shù)量一致的情形時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失百分比和粉煤灰外摻比例呈負(fù)相關(guān)，即抗凍性能下降，在凍融破損后期，混凝土承載力降幅最大。

圖3 是水溶液與鹽溶液共同影響時(shí)混凝土構(gòu)件凍融循環(huán)數(shù)量與構(gòu)件抗壓強(qiáng)度損失百分比之間的關(guān)系圖。分析圖3 曲線變化能夠得到：在凍融循環(huán)數(shù)量相同時(shí)，水凍情形時(shí)混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度損失百分比遠(yuǎn)小于鹽凍情形時(shí)混凝土構(gòu)件抗壓強(qiáng)度損失百分比，且在凍融循環(huán)數(shù)量上升時(shí)，鹽凍影響的混凝土抗壓強(qiáng)度損失百分比以指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，外摻粉煤灰混凝土破損傷害十分顯著。

圖3 混凝土構(gòu)件凍融循環(huán)數(shù)量與構(gòu)件抗壓強(qiáng)度損失百分比之間的關(guān)系圖

分析水工混凝土抗壓強(qiáng)度和粉煤灰外摻比例，凍融循環(huán)數(shù)量3 者間方程式，可先建立方程式，利用試驗(yàn)數(shù)值回歸分析計(jì)算出標(biāo)量值，得出Pn=0.9619。

2.4 抗壓強(qiáng)度損失百分比和相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系分析

混凝土抗壓強(qiáng)度表征混凝土承載性能，可反映混凝土抗凍性能[9]。相對(duì)動(dòng)彈性模量是一類無(wú)損測(cè)量方法，可作為反映混凝土抗凍性能的指標(biāo)。選擇外摻粉煤灰混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量來(lái)表征凍融循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度的損失百分比具有很好的效果。

表3 外摻粉煤灰混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失百分比

在粉煤灰外摻比例為20.0%和40.0%的濕篩混凝土受到凍融循環(huán)時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失百分比具備較強(qiáng)的相關(guān)性。綜合公式1 與2 并解析各試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可推斷外摻粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重影響時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)數(shù)量全部大致為指數(shù)相關(guān)，而兩者則為線性相關(guān)。所以設(shè)立相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失百分比的方程式如下：

利用回歸分析計(jì)算硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重影響下混凝土抗壓強(qiáng)度損失百分比和相對(duì)動(dòng)彈性模量、粉煤灰外摻比例3者的方程式，得sn=0.9950。

粉煤灰外摻比例為20.0%的濕篩混凝土在300.0 次凍融時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量只是68.2%，而抗壓強(qiáng)度損失百分比以高達(dá)54.73%，在粉煤灰外摻比例為40.0%的濕篩混凝土在200.0次凍融時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量只是79.74%，而抗壓強(qiáng)度損失百分比已高達(dá)42.83%，即可知凍融循環(huán)外摻粉煤灰混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量減小程度低于抗壓強(qiáng)度損失百分比的降幅，構(gòu)件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后破損與否由其抗壓強(qiáng)度決定。當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量值在60.0%以下時(shí)，顯然不適用在外摻粉煤灰的混凝土，當(dāng)抗壓強(qiáng)度損失百分比超過(guò)50.0%時(shí)，反映出混凝土力學(xué)性能基本喪失，此時(shí)視試件已無(wú)承載能力，按照公式3 可求得其相對(duì)動(dòng)彈性模量小于75.0%.

3 結(jié)論

本文為了探究硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)雙重影響下粉煤灰外摻比例對(duì)混凝土性能的改變，設(shè)計(jì)硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)、凍融循環(huán)兩種試驗(yàn)條件，設(shè)定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外摻比例形成對(duì)比試驗(yàn)。選取試驗(yàn)構(gòu)件質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失百分比等各指標(biāo)表征混凝土性能變化。得出以下結(jié)論：

1）凍融循環(huán)數(shù)量一致條件下，粉煤灰外摻比例上升凍融循環(huán)的濕篩混凝土構(gòu)件質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)下的試驗(yàn)構(gòu)件，即硫酸鹽侵蝕加速混凝土凍融破壞作用。

2）外摻粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕+凍融循環(huán)雙重影響下，相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度和凍融數(shù)量為指函數(shù)趨勢(shì)，兩者為線性相關(guān)。

3）外摻粉煤灰混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量降幅小于抗壓強(qiáng)度。并利用函數(shù)式重新增加粉煤灰混凝土凍融評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：抗壓強(qiáng)度損失百分比大于50.0%，且相對(duì)動(dòng)彈性模量小于75.0%。