硫酸銨溶液對混凝土碳化及力學(xué)性能的影響研究

汪小平，張柳春，帥云飛，李彬

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)水泥為萬年青牌的42.5級水泥；實(shí)驗(yàn)用水為提前在太陽下曝曬后的自來水；細(xì)骨料，采用章江河沙；粗骨料，采用石灰?guī)r碎石，粒徑2.5～5 mm比重15%，粒徑5～9.5 mm比重85%。

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；HX-2型碳化實(shí)驗(yàn)箱；ZC3-A型回彈儀；DYE-2000型壓力機(jī)；HC-TH01型碳化深度儀。

1.2 不同強(qiáng)度等級試塊的制備

設(shè)計制作強(qiáng)度等級分別為C40、C30和C25的三組混凝土試塊，配合比依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，具體見表1。

表1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度等級配合比Table 1 Concrete standard test blockstrength grade mix ratio

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將在水中常溫下養(yǎng)護(hù)7 d后的試塊，分別放入清水、2.5%和5%濃度硫酸銨溶液環(huán)境內(nèi)浸泡，試塊放置在清水內(nèi)的記為S1，放置在2.5%濃度硫酸銨溶液內(nèi)的記為S2，放置在5%濃度硫酸銨溶液內(nèi)的記為S3。試塊浸泡28 d后，取出烘干48 h，接著在碳化箱中進(jìn)行快速碳化實(shí)驗(yàn)，分別碳化至0，3，7，14，28 d時，對試塊進(jìn)行回彈強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和極限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測量其回彈強(qiáng)度值和極限抗壓強(qiáng)度值，最后采用1%濃度酚酞試液與碳化深度儀，測量混凝土試塊碳化深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸銨溶液對混凝土碳化反應(yīng)影響分析

混凝土試塊碳化深度隨齡期變化見圖1。

圖1 混凝土試塊碳化深度變化趨勢Fig.1 Concrete test block total carbonization depth a.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

將三組試塊的碳化數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，去除S2、S3組試塊因硫酸銨溶液作用而出現(xiàn)的“類碳化”部分，重新繪制混凝土試塊實(shí)際碳化深度隨齡期變化，結(jié)果見圖2。

圖2 混凝土試塊實(shí)際碳化深度變化趨勢Fig.2 Concrete test block real carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由圖2還可知，三組混凝土試塊碳化速度都隨著齡期的推移而逐步變緩，分析其原因，主要是由于試塊發(fā)生碳化時產(chǎn)生CaCO3固體物，填充了試塊部分縫隙，從而減緩了CO2滲透速度。在硫酸銨溶液下浸泡的試塊，隨著碳化的進(jìn)行，不僅生成了CaCO3固體物，還會生成石膏和鋁膠等物質(zhì)，進(jìn)一步減緩混凝土試塊的碳化速度。

2.2 硫酸銨溶液對混凝土強(qiáng)度影響分析

2.2.1 硫酸銨溶液對混凝土回彈強(qiáng)度的影響 圖3 給出了混凝土試塊回彈強(qiáng)度的變化趨勢。

圖3 混凝土回彈強(qiáng)度隨碳化深度的變化趨勢Fig.3 Trend of concrete rebound strength with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由圖3可知，各組試塊的回彈強(qiáng)度均隨碳化深度的增加而增強(qiáng)；在碳化期齡及強(qiáng)度等級相同時，隨著硫酸銨溶液濃度增高，其回彈強(qiáng)度相應(yīng)降低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，混凝土試塊碳化所生成的CaCO3固體物會增強(qiáng)混凝土表面硬度，從而增加其回彈強(qiáng)度。而S2和S3組的試塊在硫酸銨溶液作用下，表面一定深度的堿性物質(zhì)在碳化之前就已經(jīng)被消耗掉，因而其表面生成的CaCO3固體物相對于S1組較少，導(dǎo)致回彈法測出的強(qiáng)度值相對S1組更小。另外試塊在硫酸氨溶液侵蝕過程中還產(chǎn)生鈣礬石和鈣硅石等膨脹性產(chǎn)物，使得混凝土表面變的酥脆松軟，從而降低其表面硬度。硫酸銨溶液濃度越高，此過程也越顯著。

2.2.2 硫酸銨溶液對混凝土極限抗壓強(qiáng)度的影響 圖4給出了混凝土試塊極限強(qiáng)度的變化趨勢。

圖4 混凝土極限抗壓強(qiáng)度值隨碳化深度的變化趨勢Fig.4 Trend value of ultimate compressive strength of concrete with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

2.3 回彈法專用測強(qiáng)曲線的制定

按照地區(qū)和專用測強(qiáng)曲線的制定方法要求[16]，回歸方程的函數(shù)關(guān)系應(yīng)符合式(1)：

(1)

0.1 MPa；

Rm——回彈強(qiáng)度平均值，精確到0.1 MPa；

dm——碳化深度平均值，精確到0.1 mm；

a，b，c——常數(shù)系數(shù)。

在測區(qū)強(qiáng)度換算表中[16]，對碳化深度≥6 mm的情況按6 mm進(jìn)行計算。本實(shí)驗(yàn)大部分試塊的碳化深度均>6 mm，故可將式中的dm統(tǒng)一取值 6 mm，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得出a，b，c常數(shù)值，分別制定2.5%和5%濃度硫酸銨溶液環(huán)境下的混凝土回彈專用測強(qiáng)曲線方程，見式(2)、式(3)。

(2)

(3)

經(jīng)誤差計算，制定的兩組專用測強(qiáng)曲線強(qiáng)度平均相對誤差：S2組δ=8.4%≤12%，S3組δ=9.1%≤12%；強(qiáng)度相對標(biāo)準(zhǔn)差：S2組er=8.8%≤14%，S3組er=9.5%≤14%；函數(shù)決定系數(shù)：S2組R2=0.932 4，S3組R2=0.926 3。誤差大部分保持在±10%之間，總體分布比較分散，也比較均勻，滿足規(guī)范要求。

圖5 S2組專用測強(qiáng)曲線圖Fig.5 S2 Group special strength graph

圖6 S3組專用測強(qiáng)曲線圖Fig.6 S3 Group special strength graph

3 結(jié)論

(1)硫酸銨溶液環(huán)境使得混凝土試塊產(chǎn)生 “類碳化”現(xiàn)象，硫酸銨濃度越高，“類碳化”的深度越深。

(2)碳化深度隨著齡期的增長而加深，碳化速度隨著齡期的增長而趨于變緩。硫酸銨溶液使得混凝土更加容易被碳化，硫酸銨溶液濃度越高混凝土碳化作用越強(qiáng)，碳化深度越深。

(3)硫酸銨溶液的侵蝕使得混凝土的回彈強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都相對下降，相同條件下硫酸銨濃度越高，回彈強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都相應(yīng)下降的越多。

(4)制定了2.5%和5%兩種濃度硫酸銨溶液環(huán)境下混凝土專用測強(qiáng)曲線且誤差范圍滿足規(guī)范要求，可供實(shí)際工程參考。