硫酸鹽侵蝕環境下凍融循環和干濕循環混凝土劣化規律研究

張標富

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350108）

0 引言

混凝土的耐久性研究是土木工程領域長期以來的課題，這是因為混凝土的侵蝕過程涉及到一系列的物理化學過程，與混凝土所處的周邊環境也密切相關，特別是在酸堿水土環境中，在有害介質的侵蝕下，會加速混凝土的劣化過程，導致混凝土出現酥松、開裂、剝落和內部鋼筋銹蝕等不良現象，嚴重破壞了結構的整體承載力[1]。針對硫酸鹽侵蝕混凝土的研究，目前主要集中在單一因素的硫酸鹽環境，而對混凝土的劣化過程受到硫酸鹽與循環凍融環境和干濕循環條件相互耦合、共同作用的研究相對較少，因此，結合工程環境中出現循環凍融以及干濕循環工況，對硫酸鹽侵蝕導致混凝土的劣化規律展開進一步研究顯得尤為重要[2]。

1 混凝土試件的基本物理力學性能

選取P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥、河砂、自來水、石灰巖粗骨料、S95 級礦渣、II級粉煤灰等材料制作C40混凝土[3]。

其中P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥的標準稠度用水量為26.4%，燒失量為1.19%，細度為3.8%，初凝時間為1.66h，終凝時間為3h，3d 抗折強度為4.5MPa，28d抗折強度為7.0MPa，3d抗壓強度為20.2MPa，28d 抗壓強度為48.1MPa。P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥化學成分質量分數分別為SiO2含量占比21.66%、Al2O3含量占比5.13%、MgO 含量占比1.06%、CaO 含量占比64.37%、SO3含量占比2.03%、Fe2O3含量占比5.25%。

粉煤灰化學成分質量分數分別為SiO2含量占比49.02%、Al2O3含量占比31.56%、MgO 含量占比0.83%、CaO 含量占比4.88%、SO3含量占比1.2%、Fe2O3含量占比6.97%、Na2O 含量占比0.43%、K2O 含量占比1.36%。粉煤灰的含水量為0.3%，燒失量為3.65%，需水比為94%，細度為18%，密度為2.3g/cm3。混凝土試塊細骨料采用新鮮河砂，篩分后得到其平均細度模數為2.68，粗骨料采用具有棱角的新鮮石灰巖塊，經過壓碎值測試，石塊的壓碎指標為5%，室內試驗表明，細骨料的表觀密度為2.65g/cm3，粗骨料的表觀密度比細骨料略大，其大小為2.82g/cm3。

分別制作邊長150mm 和100mm的混凝土立方塊，進行物理指標和強度指標測試。在混凝土的配合比設計中，試塊為水膠比0.35，即膠凝材料457kg/m3，水160kg/m3，同時為了改善混凝土的強度特性，摻入了20%的粉煤灰摻和0.7%的減水劑，粗骨料和細骨料每立方米分別配比1266kg、517kg。在物理指標方面，主要測量混凝土的表觀密度參數，測試結果如圖1 所示，在強度指標方面，主要測量4 個參數，分別是立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂強度和彈性模型，測試結果如圖2所示。

圖1 混凝土的表觀密度測試成果

圖2 混凝土的強度指標測試成果

圖1 中的測試結果表明，混凝土試塊的表觀密度平均值為2420kg/m3，從圖2 中的測試結果表明混凝土試塊的立方體抗壓強度平均值為67.7MPa，軸心抗壓強度平均值為50.5MPa，劈裂強度為6.9MPa，彈性模量為38.02GPa。

2 干濕循環與硫酸鹽共同作用下混凝土物理力學性能的演化特征

混凝土的干濕循環模擬通過在室內試驗中對混凝土試塊的溶液浸泡和自然風干來進行，單周期干濕循環共計15d，其中溶液浸泡8d，隨后取出自然風干7d，試驗過程共進行24 個循環，即試驗時間長度為360d[4]。為了研究混凝土受到硫酸根和干濕循環侵蝕作用的影響程度，制作了水膠比分別為0.35、0.45 和0.55 的混凝土試塊，硫酸鹽溶液也配置了質量濃度分別為1%、5%和20%的Na2SO4溶液。觀測混凝土的質量在受到干濕循環和Na2SO4溶液侵蝕作用下的變化規律，結果如圖3所示。

圖3 混凝土質量在干濕循環環境和Na2SO4溶液侵蝕作用下的變化規律

從圖3（a）中可以看出，隨著時間的增長，不同水膠比的混凝土質量損失曲線變化規律較為相似，整體上均呈指數增加的趨勢，在180d 內質量損失率較小，而在180d 之后質量損失率快速增加。在240d以內，水膠比與混凝土的質量損失相關關系為負相關，而在大于240d 之后，水膠比與混凝土的質量損失之間呈現正相關關系[5]。從圖3（b）中可以看出，隨著時間的增長，不同質量濃度Na2SO4溶液侵蝕下混凝土質量損失整體上均呈指數增加的趨勢，但在240d以內，質量濃度對混凝土的質量損失影響不明顯，而在大于240d 之后，Na2SO4溶液質量濃度越大，混凝土的質量損失越大。

圖4為在干濕循環條件和Na2SO4溶液共同作用下，混凝土相對動彈模量的演變特征。從圖4（a）中可以看出，在干濕循環條件和Na2SO4溶液共同作用下，3 個水膠比等級的混凝土相對彈性模量表現出類似的變化規律，均表現為隨著時間的增長，其相對動彈模量不斷降低，且具有明顯的非線性，且隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現出負相關關系。從圖4（b）中可以看出，在不同質量濃度的Na2SO4溶條件下，混凝土相對動彈模量曲線表現出類似的變化規律，均表現為隨著時間的增長，其相對動彈模量不斷降低，且表現出明顯的非線性，且隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現出負相關關系。

圖4 在干濕循環和Na2SO4溶液共同作用下，混凝土相對動彈模量的演變特征

3 凍融循環與硫酸鹽共同作用下混凝土的物理力學性能演化特征

混凝土的凍融循環主要是在室內試驗中，依托快速凍融設備對試塊的反復凍結和融解實現，首先將混凝土試塊標準養護90d，隨后將其浸泡在溶液中，浸泡時間長度為4d，將其放入快速凍融機中，凍結持續時間為4h，解凍持續時間為4h，共凍融循環400 次，凍結溫度控制在-18℃～5℃[6-7]。

為了研究混凝土受到硫酸根和凍融循環侵蝕作用的影響程度，將水膠比為0.35 的混凝土試塊放入4 種不同溶液中進行凍融循環，4 種不同溶液分別為H2O，5%的MgSO4溶液、5%的Na2SO4溶液、1%的Na2SO4溶液[8-9]。觀測凍融循環與硫酸根溶液共同作用下，混凝土的質量變化特征，結果如圖5 所示。從圖5 可以看出，所有溶液中的混凝土，其質量損失率隨著凍融循環次數的增加表現出類似的演化過程，均表現為非線性增加。其中，質量濃度為5%的MgSO4溶液中凍融循環的混凝土，其質量損失最大，而H2O中凍融循環的混凝土，質量損失次之，濃度為5%的Na2SO4溶液和1%的Na2SO4溶液中的混凝土質量損失率最小，且兩者相近。

圖5 混凝土質量在干濕循環環境

為了研究不同溶液和不同硫酸鹽濃度對混凝土強度造成的劣化效果，定義混凝土的劣化指標為損失值，其定義如公式（1）所示。

式中：D為混凝土凍融循環后的損失值；E1為混凝土未凍融時的彈性模量；E2為混凝土凍融循環結束后的彈性模量。

表1 為不同溶液和不同硫酸鹽濃度循環凍融作用下混凝土的損失值變化規律。從表1 中可以看出，隨著凍融循環次數的增加，所有溶液中的混凝土損失值均呈現近線性增加，經歷400 次凍融循環作用后，5%的MgSO4溶液中的混凝土損失值最大，損失值大小為0.185，H2O 的混凝土損失值最小，損失值大小為0.122，1% 的Na2SO4溶液和5% 的Na2SO4溶液中的混凝土損失值介于兩者之間，損失值大小分別為0.160、0.135。

表1 不同溶液和溶液質量濃度作用下混凝土的損失值變化規律

4 結論

基于室內試驗方法制作混凝土試塊，在研究常溫狀態下基本物理力學性質的基礎上，分析混凝土的劣化過程受到硫酸鹽與循環凍融環境和干濕循環條件相互耦合、共同作用的演變規律，得到以下幾個結論。

①隨著干濕循環次數的增長，不同水膠比的混凝土質量損失整體上均呈指數增加的趨勢。不同質量濃度Na2SO4溶液侵蝕下混凝土質量損失整體上均呈指數增加的趨勢。在不同質量濃度的Na2SO4溶條件下，混凝土的相對動彈模量變化規律較為一致，均表現為隨著時間的增長，相對動彈模量不斷降低，且表現出明顯的非線性，隨著水膠比的增加，相對動彈模量表現出負相關關系。

②所有溶液中的混凝土，其質量損失率隨著凍融循環次數的增加表現出類似的演化過程，均表現為非線性增加。其中，質量濃度為5%的MgSO4溶液中凍融循環的混凝土質量損失最大，而H2O 中凍融循環的混凝土，質量損失次之，濃度為5%的Na2SO4溶液和1%的Na2SO4溶液中的混凝土質量損失率最小，且兩者相近。

③所有溶液中的混凝土損失值均隨凍融循環次數呈現近線性增加，經歷400 次凍融循環作用后，5%的MgSO4溶液中的混凝土損失值最大，H2O 的混凝土損失值最小，1%的Na2SO4溶液和5%的Na2SO4溶液中的混凝土損失值介于兩者之間。