干濕交替酸性環境下樁基礎混凝土耐久性試驗

王寶安

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

酸雨對建筑結構的損傷較為嚴重，隨著工業化進程的不斷發展，空氣質量逐漸下降，含硫氣體的排放量不斷增大，而含硫氣體與雨水結合便會形成酸雨，不僅對地表建筑結構產生影響，同時還對深埋土中的樁基礎具有較強的影響[1-2]。

近年來，國內學者對酸性環境下混凝土的耐久性問題進行了較為詳細的研究。王錕[3]通過硫酸鹽來模擬混凝土的附存環境，對混凝土進行干濕循環后的抗壓強度試驗，分析了不同力學參數隨干濕循環次數的分布規律。宋洋等[4]為研究鹽漬土地區隧道襯砌混凝土的耐久性問題，采用硫酸鹽來模擬酸性環境，對混凝土進行干濕循環后的力學特性試驗，同樣對各力學參數的演化情況進行了分析。姜磊[5]基于混凝土的強度檢測試驗，對不同硫酸鹽溶液侵蝕后的混凝土試樣進行了研究，分析酸性環境對混凝土的劣化機理。

已有研究對干濕循環和酸性環境混凝土耐久性進行了較為詳細的分析，本文在總結已有研究的基礎上，結合沈陽某在建民用建筑樁基礎對不同干濕循環次數、不同Na2SO4溶液濃度下的樁基礎混凝土進行單軸壓縮試驗研究，分析不同試驗條件下混凝土的力學參數的演化規律，為工程實際提供可靠的理論支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與配合比

本文試驗用水泥為阜新鷹牌水泥公司生產的型號為42.5R（P·O）普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用粒徑為5～15 mm 的普通級配碎石；細骨料采用普通河沙，細度模數為2.7，堆積密度為1487 kg/m3；外加劑采用普通符合外加劑；水采用普通自來水。

根據工程實際，擬制備混凝土標號為C40，根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》對標號為C40 的水泥混凝土進行配合比設計，首先進行初步配合比設計，對初步配合比設計的混凝土試樣進行室內試驗檢測，根據檢測對初步配合比進行微調，在結合施工現場的實際情況，最終確定本文試驗用水泥混凝土配合比：水灰比0.52，水泥367 kg/m3，水181 kg/m3，石子1453 kg/m3，砂子782 kg/m3，外加劑0.68 kg/m3。

1.2 試驗方法

為研究建筑樁基礎混凝土在干濕交替酸性環境下的力學特性，本文采用Na2SO4溶液來模擬混凝土所處的酸性環境，Na2SO4溶液濃度分別設置為0.02 mol/L、0.04 mol/L、0.06 mol/L和0.08 mol/L，干濕循環次數設置為0 次、5 次、10 次、15 次和20 次。混凝土力學特性試驗采用MTS815.02 多工能巖石三軸試驗系統，該試驗系統廣泛應用于混凝土及巖石類材料的強度測試等試驗中。根據表中混凝土配合比進行制樣，將攪拌均勻的水泥混凝土倒入標準制樣模具中，制得的試樣尺寸為50 mm×100 mm的標準圓柱體。試樣產生一定強度后進行脫模，在標準養護箱中養護28 d，待養護結束后，按試驗方案將不同編號的試樣分別置于不同濃度的Na2SO4溶液中浸泡48 h，然后將試樣置于室溫環境下進行自然風干48 h，此為一個完整的干濕循環過程。將干濕循環完成后的試樣放置在試驗機上對其進行單軸加載試驗，加載速率為0.01 mm/s。

2 試驗結果分析

2.1 應力—應變曲線

限于篇幅僅給出Na2SO4溶液濃度為0.04 mol/L、不同干濕循環次數下的單軸壓縮應力—應變曲線（圖1）。可見同一酸性環境下，不同干濕循環次數水泥混凝土試樣的應力—應變曲線變化趨勢大體相同，與巖石經典單軸壓縮應力—應變曲線類似，酸性環境下不同干濕循環次數水泥混凝土試樣的應力—應變曲線可分為4 個階段，即壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后階段。不同試驗條件下，水泥混凝土的單軸壓縮試驗結果見表1。

表1 酸性環境下樁基礎水泥混凝土單軸壓縮試驗結果

圖1 不同干濕循環次數水泥混凝土的單軸壓縮應力—應變曲線

2.2 不同干濕循環次數影響分析

根據表中數據繪制各力學參數隨干濕循環次數的分布曲線，如圖2～圖4 所示。可見各力學參數隨干濕循環次數的變化規律大體一致，試樣的單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量均隨干濕循環次數的增多呈逐漸遞減趨勢。以Na2SO4濃度0.04 mol/L 為例，當干濕循環0 次時，試樣的單軸抗壓強度為87.251 MPa，峰值應變為0.760%，彈性模量為10.331 GPa；當干濕循環20 次時，試樣的單軸抗壓強度降為73.371 MPa，峰值應變為0.709%，彈性模量為8.667 GPa；干濕循環次數從0 次上升到20次，試樣的單軸抗壓強度減小了14 MPa、峰值應變減小了0.051%，彈性模量減小了1.664 GPa。可見，干濕循環對建筑樁基礎混凝土力學特性的劣化作用較為明顯，施工前應提前做好水泥混凝土的干濕損傷預測。

圖2 不同Na2SO4 溶液濃度下單軸抗壓強度與干濕循環次數之間關系

圖3 不同Na2SO4 溶液濃度下峰值應變與干濕循環次數之間關系

圖4 不同Na2SO4 溶液濃度下彈性模量與干濕循環次數之間關系

2.3 不同Na2SO4 溶液濃度影響分析

不同干濕循環次數下，試樣的各力學參數隨Na2SO4溶液濃度分布曲線，如圖5～圖7 所示。可見不同干濕循環次數下，試樣的各力學參數隨Na2SO4溶液濃度的變化規律大體相同，單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量均隨Na2SO4溶液濃度呈逐漸遞減變化趨勢。根據表中數據可知，以干濕循環5 次為例，當Na2SO4溶液濃度0.02 mol/L 時，試樣的單軸抗壓強度為88.644 MPa，峰值應變為0.780%，彈性模量為10.069 GPa，當Na2SO4溶液濃度達到0.08 mol/L 時，試樣的單軸抗壓強度為78.301 MPa，峰值應變為0.690%，彈性模量為8.757 GPa，Na2SO4溶液濃度從0.02 mol/L 增大到0.08 mol/L，單軸抗壓強度減小了10.343 MPa，峰值應變減小了0.09%，彈性模量減小了1.312 GPa。可見，Na2SO4溶液濃度越大，建筑柱基礎混凝土的穩定性越弱、承載能力越低。

圖5 不同干濕循環次數下單軸抗壓阿強度與Na2SO4 溶液濃度之間關系

圖6 不同干濕循環次數下峰值應變與Na2SO4 溶液濃度之間關系

圖7 不同干濕循環次數下彈性模量與Na2SO4 溶液濃度之間關系

3 結論

（1）同一Na2SO4溶液濃度下，隨著干濕循環次數的逐漸增多，混凝土試樣的單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量均呈逐漸遞減趨勢，干濕循環次數從0 次上升到20 次，單軸抗壓強度減小了14 MPa、峰值應變減小了0.051%，彈性模量減小了1.664 GPa。

（2）同一干濕循環次數下，隨著Na2SO4溶液濃度逐漸增大，凝土試樣的單軸抗壓強度、峰值應變及彈性模量同樣表現為逐漸減小，Na2SO4溶液濃度從0.02 mol/L 增大到0.08 mol/L，單軸抗壓強度減小了10.343 MPa，峰值應變減小了0.09%，彈性模量減小了1.312 GPa。