鹽漬地區橋梁下部結構C40混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗研究

張瑞斌

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

鹽漬地區土壤中通常含有大量的硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽等對于混凝土和鋼筋具有強腐蝕性作用的有害物質[1]。鹽漬地區橋梁下部結構混凝土保護層在長期使用過程中會受到鹽類物質的腐蝕，硫酸鹽類物質主要是與混凝土中的水泥石發生化學反應產生具有膨脹性的化合物[2-3]，當該類化合物在水泥內部產生的時候會出現混凝土內部拉力，當內拉力超過混凝土的抗拉極限強度時混凝土便會產生大量裂縫。除此之外，由于混凝土強度大小受限于內部粗骨料之間水泥漿的黏結力，當水泥漿與硫酸鹽發生化學反應時也會降低混凝土強度。當橋梁下部結構混凝土保護層受到硫酸鹽腐蝕而開裂的時候，鹽類物質便可以透過裂縫與受力鋼筋接觸發生化學反應而產生銹蝕，鋼筋的強度便會出現明顯的下降。因此，我國西北鹽漬地區橋梁下部結構混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能對于橋梁本身的承載力、耐久性均有很大的影響[4-5]。

粉煤灰是從煤炭燃燒后的煙氣中捕捉的細灰物質，因具有比表面積大的特點，被大量用于混凝土外加劑以增加混凝土密實性[6-8]，但粉煤灰摻量過多會造成膠凝材料中水泥漿體占比降低從而減弱混凝土本身的力學性能[9]。因此本文從經濟性、實用性的角度出發，以鹽漬地區材料為基材的混凝土為研究對象，通過試驗的方法研究當粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%、50%時對C40混凝土150 d抗壓強度耐腐蝕系數、腐蝕前后質量變化系數的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產的P0 42.5型水泥，其技術性能指標如表1所示。

表1 水泥技術性能指標

粗骨料為陽山石料廠生產，最大粒徑為20 mm；沙子為陜西武功砂廠生產，細度模數為2.82；減水劑為北京世紀住邦建材有限公司生產；粉煤灰為華電寧夏靈武發電有限公司生產，粉煤灰主要技術性能指標見表2所示。

表2 粉煤灰技術性能指標

1.2 試驗方案

配合比設計方案如表3所示。考慮到依托工程橋梁下部結構混凝土粉煤灰摻量為20%，因此選取粉煤灰摻量為20%的試驗為基準配合比。混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗采用“混凝土抗硫酸鹽干濕循環試驗機”。硫酸鹽是由硫酸根離子（SO42-）與其他金屬離子組成的化合物，都是電解質，且大多數溶于水，其中最主要的是Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Ba2+、Sr2+、Pb2+、Fe3+、Al3+、Cu2+。儀器如圖1所示，儀器干濕循環步驟如下所示：

表3 試驗配合比方案

圖1 混凝土抗硫酸鹽干濕循環試驗機

a）試件放置入儀器中開始注入5%硫酸鹽溶液進行浸泡15 h，注入溶液時間控制在30 min左右。

b）浸泡過程結束后應立即開始排液，排液時間控制在30 min左右，待排液結束后開始風干過程，風干時間控制在30 min左右。

c）風干完成后立即將試驗箱升溫至80℃，從升溫到冷卻的時間控制在6 h左右。

d）烘干結束后應該立即冷卻到25℃左右，該過程時間控制在2 h左右。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果及數據處理

試件經過150次硫酸鹽循環腐蝕后表面如圖2所示，由圖可知腐蝕后試件表面附著大量橙紅色物質并且表面產生大量細微裂縫，這些細微裂縫是由于硫酸鹽與混凝土中的水泥石產生化學反應生成膨脹性物質，膨脹性物質導致混凝土內部產生拉力，當拉力大于混凝土的抗壓極限強度時，混凝土便產生裂縫。通過對比對照組、腐蝕試件組的混凝土軸心受壓破壞形態可知，腐蝕試件組面層混凝土強度明顯下降，當混凝土試件受到壓力的時候面層迅速脫落如圖3所示。試件面層混凝土強度下降的主要原因有兩個，一是由于硫酸鹽與水泥石反應生成的膨脹性物質導致粗骨料之間黏結力下降；二是由于水泥漿體被大量反應，粗骨料之間失去黏結性物質導致的。

圖2 腐蝕試件組150 d表面裂縫

圖3 腐蝕試件組軸壓破壞形態

測量腐蝕試件組、對比試件組150 d后的質量，測試結果如表4所示，質量變化系數計算方法見式（1）所示，由表4計算結果可知，相較于對比試件組，腐蝕試件組質量均有所提升，這說明試塊在經過150 d的腐蝕之后，硫酸鹽與水泥石發生了充分的反應，產生的膨松性物質增加了混凝土試塊的質量。

表4 試件質量測試結果

式中：Km表示混凝土質量變化系數，%；me表示腐蝕試件組平均質量，kg；mc表示對比試件組平均質量，kg。

測量28 d強度組、腐蝕試件組、對比試件組混凝土立方體抗壓強度結果如表5所示。其中28 d強度組表示試塊經過28 d標準養護后的測試強度，腐蝕試件組表示試塊經過硫酸鹽腐蝕后的測試強度，對比試件組表示與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期標準養護的混凝土抗壓強度。混凝土抗壓強度耐腐蝕系數計算方法如式（2）所示。

表5 試件強度測試結果

式中：Kf表示抗壓強度耐腐蝕系數，%；fcn表示硫酸鹽腐蝕后混凝土抗壓強度測試值，MPa，精確至0.1 MPa；fc0表示與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期標準養護的混凝土抗壓強度，MPa。

2.2 混凝土28 d抗壓強度分析

繪制各組試塊混凝土強度有效值隨粉煤灰摻量變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出：

圖4 28 d混凝土強度對比

a）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d立方體抗壓強度呈現“先上升后下降”的趨勢，當粉煤灰摻量為10%的時候強度達到峰值并且為49.66 MPa。

b）當粉煤灰摻量高于30%的時候，混凝土28 d立方體抗壓強度小于40 MPa，當粉煤灰摻量達到50%的時候混凝土立方體抗壓強度僅為32.33 MPa，為基準配合比的72.4%，這說明當混凝土膠凝材料中水泥占比過大后，混凝土粗骨料之間的黏結強度下降，混凝土強度會顯著下降。

c）當粉煤灰摻量為0時，28 d立方體抗壓強度為基準配合比的96.21%；當粉煤灰摻量為10%時，28 d立方體抗壓強度為基準配合比的111.25%；當粉煤灰摻量為30%的時候，28 d立方體抗壓強度為基準配合比的87.39%；當粉煤灰摻量為40%的時候，28 d立方體抗壓強度為基準配合比的83.58%；當粉煤灰摻量為50%的時候，28 d立方體抗壓強度為基準配合比的72.4%。

2.3 混凝土抗壓強度耐腐蝕性能分析

繪制28 d強度組、對比試件組、腐蝕試件組隨粉煤灰摻量變化趨勢如圖5所示，抗壓強度耐腐蝕性系數對比如圖6所示，通過分析圖5、圖6可以得出如下結論：

圖5 試件強度變化趨勢

圖6 抗壓強度耐腐蝕性系數對比

a）由圖5可以看出，腐蝕試件組混凝土抗壓強度明顯低于對比試件組、28 d強度組，這說明硫酸鹽腐蝕可以顯著降低混凝土強度。

b）分析圖5中28 d強度組、對比試件組強度曲線可知，當粉煤灰摻量小于等于20%的時候，經過150 d正常使用環境養護的混凝土強度明顯低于28 d強度組。當粉煤灰摻量大于等于30%的時候，150 d正常使用環境養護的混凝土強度明顯高于28 d強度組。上述現象說明當粉煤灰摻量較低的時候，相較于28 d強度，混凝土150 d軸心抗壓強度有所下降，0.0FA組可下降7.52%；當粉煤灰摻量較高的時候，混凝土150 d軸線抗壓強度會有所提高，0.50FA組可提高12.19%。

d）分析圖6混凝土抗壓強度耐腐蝕性系數隨粉煤灰摻量變化趨勢可知，隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土抗壓強度耐腐蝕性系數呈現“先降低后升高”的趨勢。相較于0.20FA（基準配合比），0.0FA抗壓強度耐腐蝕性系數可提高18.42%。相較于0.20FA（基準配合比），0.50FA抗壓強度耐腐蝕性系數可提高31.58%。

3 結語

針對西北鹽漬地區橋梁下部結構存在較為嚴重的硫酸鹽腐蝕問題，本文以西北鹽漬地區材料為基材的混凝土為研究對象。研究參數為粉煤灰摻量比例，當粉煤灰摻量由0變化到50%，對腐蝕試件組進行了150次硫酸鹽循環腐蝕后測量其抗壓強度，計算其抗壓強度耐腐蝕系數。最終得出以下結論：

a）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d立方體抗壓強度呈現“先上升后下降”的趨勢，當粉煤灰摻量為10%的時候強度達到峰值為49.66 MPa。

b）隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土抗壓強度耐腐蝕性系數呈現“先降低后升高”的趨勢。相較于0.20FA（基準配合比），0.0FA抗壓強度耐腐蝕性系數可提高18.42%。相較于0.20FA（基準配合比），0.50FA抗壓強度耐腐蝕性系數可提高31.58%。

c）0.10FA（粉煤灰摻量10%）混凝土抗壓強度可達到0.20FA（基準配合比）的111.25%，抗壓強度耐腐蝕性系數可達到0.20FA（基準配合比）的111.84%，該組配合比綜合性能較為優良且均衡。

d）0.50FA（粉煤灰摻量50%）混凝土抗壓強度僅為0.20FA（基準配合比）的72.42%，抗壓強度耐腐蝕性系數可達到0.20FA（基準配合比）的131.58%，該組配合比耐腐蝕性能較為優良。