恒載作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)研究

吳 斌 （江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147）

1 引言

在東部沿海地區(qū)及西部鹽漬地區(qū)，硫酸鹽的侵蝕已經(jīng)成為影響混凝土耐久性的重要因素之一。尤其是東部沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于水位變動區(qū)、浪濺區(qū)的存在，在硫酸鹽與干濕循環(huán)的雙重作用下，更加劇了混凝土的腐蝕[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土的硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了大量的研究，然而大多數(shù)的研究成果只是建立在硫酸鹽單因素或硫酸鹽-干濕循環(huán)雙因素的環(huán)境上[2]。而在實(shí)際情況中，混凝土結(jié)構(gòu)往往處于荷載-硫酸鹽-干濕循環(huán)多因素的環(huán)境中，損傷機(jī)理也會更為復(fù)雜[3-6]。

本文通過在室內(nèi)模擬軸心受壓狀態(tài)下混凝土試件的硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程，以質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及動彈性模量為評價指標(biāo)，以荷載水平為研究參數(shù)，分析不同荷載水平下硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕對混凝土力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件原材料及配合比

本次試驗(yàn)混凝土試件強(qiáng)度采用C40，膠凝材料用量控制為440kg/m3，設(shè)計水膠比為0.34。其中，水泥采用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥；礦物摻和料采用Ⅰ級粉煤灰與S95級礦粉；細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)2.90的中砂；粗集料級配為5mm～25mm連續(xù)級配；減水劑摻量為膠凝材料總量的2%。礦物摻合料等量取代水泥，粉煤灰摻量為20%，磨細(xì)礦粉摻量為40%，配合比如表1所示[1]。試件經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后測得試件軸心抗壓強(qiáng)度為38.86MPa。

混凝土配合比（kg/m3） 表1

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)軸心抗壓強(qiáng)度試件，共制作48塊試件，其中40塊試件用于質(zhì)量及軸心抗壓強(qiáng)度的測試，分為4組，每組10塊，剩余8塊試件用于動彈性模量的測試。將試件置于全自動混凝土硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行硫酸鹽的干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)，設(shè)置硫酸鹽溶液濃度為5%[1]。

混凝土試件軸心荷載的加載裝置如圖1所示。本加載裝置通過加載后擰緊螺栓保持對混凝土試件的持續(xù)加載。該裝置中的高強(qiáng)螺桿與底座固定，頂座在對應(yīng)位置開孔便于螺桿穿入，加載裝置各部件均做好防腐處理。采用千斤頂配合加壓裝置對混凝土試件進(jìn)行施載，施載至預(yù)定荷載后擰緊螺栓，千斤頂卸載后移出，完成試件的加載，施載裝置如圖2所示。

圖1 試件加載裝置

圖2 試件施載裝置

考慮到混凝土徐變效應(yīng)的存在，會導(dǎo)致試件實(shí)際承受的荷載小于試驗(yàn)預(yù)定荷載，因此對試件進(jìn)行加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，試件澆筑完成后進(jìn)行高溫蒸養(yǎng)24h，拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，之后自然養(yǎng)護(hù)60d。試件進(jìn)入干濕循環(huán)周期后每隔5d對施加的荷載進(jìn)行觀測調(diào)整，確保試件處于恒載狀態(tài)。

試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，設(shè)置在20～25℃的5.0%硫酸鈉溶液中浸泡15h后風(fēng)干1h，再進(jìn)行溫度為80±5℃的烘干6h，最后降溫2h為一個干濕循環(huán)周期，為保證硫酸根離子濃度，每隔15d更換一次溶液。在混凝土試件經(jīng)歷0、30、60、90、120、150次循環(huán)后進(jìn)行質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度及動彈性模量的測試。本試驗(yàn)棱柱體混凝土試件的動彈性模量采用超聲儀測定，將棱柱體試件的長度（mm）除以測得的聲時（us）得到超聲聲速（m/s）通過聲速來比較試件動彈性模量的變化[1]。

本次試驗(yàn)共設(shè)置四檔荷載水平，分別為試件承載能力極限值的0%，10%，20%，30%。通過28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測值確定四檔荷載水平分別為0kN，87.4kN，174.9kN，262.3kN，為方便操作，選擇施加0kN，90kN，180kN，270kN荷載。

2.3 檢測指標(biāo)

采用相對質(zhì)量Km=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后質(zhì)量的變化情況，其中mi（kg）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量，i=0，30，60，90，120，150（0表示未受侵蝕）；m28（kg）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土試件的質(zhì)量。

采用軸心相對抗壓強(qiáng)度系數(shù)KP=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后軸心抗壓強(qiáng)度的變化情況，其中Pi（kPa）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度，此處i同上；P28（kPa）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度。

采用相對動彈模系數(shù)Kv=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后動彈模量的變化情況，其中：vi（m/s）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后后聲音在混凝土試件中的傳播速度，此處i同上；v28（m/s）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后聲音在混凝土試件中的傳播速度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件質(zhì)量的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對質(zhì)量Km的變化曲線可見，各組試件的質(zhì)量在試驗(yàn)初期均出現(xiàn)一個小幅的增長階段，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，各組試件的質(zhì)量普遍呈下降趨勢。試件質(zhì)量的損失主要與表觀損失有關(guān)。在試驗(yàn)后期，各組試件均出現(xiàn)了表層剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致試件質(zhì)量的降低。在經(jīng)歷150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件質(zhì)量最終損失率分別為3.4%、5.6%、8.6%、10.8%，試件質(zhì)量的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件的質(zhì)量經(jīng)歷了60次干濕循環(huán)后開始衰減，經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后質(zhì)量損失達(dá)到最大。可見，在試驗(yàn)初期，由于持續(xù)荷載的存在，混凝土內(nèi)部孔隙受到壓縮，在一定程度上抑制了硫酸鹽侵蝕的發(fā)生，但隨著侵蝕作用的進(jìn)行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響反而對硫酸鹽的侵蝕起到了促進(jìn)作用，從而加劇了試件的破壞。

圖3 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Km的變化曲線

3.2 試件抗壓強(qiáng)度的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對抗壓強(qiáng)度系數(shù)Kp的變化曲線可見，混凝土試件在整個試驗(yàn)周期中抗壓強(qiáng)度的變化趨勢與質(zhì)量變化趨勢大致相同，同樣出現(xiàn)了先增長后衰減的趨勢。在經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件抗壓強(qiáng)度最終損失率分別為6.8%、9.5%、12.4%、17.7%，試件抗壓強(qiáng)度的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。混凝土試件抗壓強(qiáng)度在試驗(yàn)初期增長是因?yàn)榭紫秲?nèi)侵蝕產(chǎn)物和硫酸鹽結(jié)晶共同作用對試件產(chǎn)生了預(yù)拉應(yīng)力，與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件在試驗(yàn)初期抗壓強(qiáng)度增長幅度較小，但隨著侵蝕作用的進(jìn)行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響反而加劇了硫酸鹽的侵蝕，導(dǎo)致混凝土試件的抗壓性能急劇下降。

圖4 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Kp的變化曲線

3.3 試件動彈模量的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對動彈模系數(shù)Kv的變化曲線可見，不同于Km及KP曲線，各組試件的動彈性模量呈持續(xù)下降的趨勢。在侵蝕初期，混凝土的動彈性模量并未出現(xiàn)增長階段，這說明在侵蝕初期，硫酸鹽的干濕循環(huán)作用已經(jīng)對混凝土內(nèi)部造成了損傷并導(dǎo)致了細(xì)微裂縫的出現(xiàn)。隨著侵蝕作用的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部裂縫逐漸增多且擴(kuò)展，造成了動彈性模量的持續(xù)損失。在經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件動彈性模量最終損失率分別為14.8%、20.2%、24.6%、29.8%，試件動彈性模量的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件在試驗(yàn)初期動彈性模量的損失更小，但隨著侵蝕作用的進(jìn)行，持續(xù)荷載作用加劇了試件動彈性模量的損失。

圖5 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Kv的變化曲線

通過對比，在整個試驗(yàn)過程中，混凝土試件動彈性模量的變化趨勢與質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度的變化趨勢均不同。試件的動彈性模量并未出現(xiàn)上升趨勢，說明在侵蝕初期，硫酸鹽的干濕循環(huán)作用已經(jīng)對混凝土內(nèi)部造成了損傷并產(chǎn)生了微裂縫，但這種現(xiàn)象并不能從試件質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的變化上反映出來。因此，混凝土動彈性模量的變化規(guī)律能夠更好的反映混凝土試件在整個試驗(yàn)周期中的受侵蝕情況。

4 結(jié)論

①混凝土試件的動彈性模量指標(biāo)較質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)對硫酸鹽的侵蝕更為敏感，能夠更好的反映出混凝土內(nèi)部的損傷情況。

②本次試驗(yàn)中，當(dāng)試件受到270kN持續(xù)荷載作用時，經(jīng)歷了150次硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后，混凝土試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率、動彈性模量損失率均最大。混凝土試件物理指標(biāo)的最終損失率與所施加的荷載水平呈正比關(guān)系。

③外界持續(xù)荷載作用對早期混凝土硫酸鹽侵蝕能夠起到一定的抑制作用，但隨著侵蝕作用的進(jìn)行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響會加劇硫酸鹽的侵蝕，導(dǎo)致混凝土試件的加速劣化。