多因素協(xié)同作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕性研究

孫建新

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176)

在實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)受到外部荷載，環(huán)境中腐蝕介質(zhì)及凍融循環(huán)共同作用而引起的破壞實(shí)例比較常見。針對(duì)該環(huán)境特征，開展了混凝土材料在硫酸鹽侵蝕、外部彎曲應(yīng)力及凍融循環(huán)三種破壞性因素協(xié)同作用下的研究，以期能為該環(huán)境中高性能混凝土材料的設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為北京興發(fā)水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥;粉煤灰為內(nèi)蒙古元寶山熱電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰;砂為河砂，細(xì)度模數(shù)為3.2;外加劑為河北青華鐵園生產(chǎn)的萘系高效減水劑;石子為花崗巖碎石，粒徑為5～10 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體混凝土試件來進(jìn)行?；炷猎嚰尚? d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，分別浸泡于10%Na2SO4溶液和水中。測(cè)定其不同齡期的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，每個(gè)混凝土配合比成型3條試件，試驗(yàn)結(jié)果取3條試件測(cè)試值的平均值，以抗彎拉抗蝕系數(shù)Kp和抗壓抗蝕系數(shù) Kc表示［1］。

式中:Rp、Rc表示試件在侵蝕液中浸泡一定齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度;表示與侵蝕液同齡期水養(yǎng)護(hù)試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

加載裝置和加載方法:加載試驗(yàn)采用圖1所示的加載裝置對(duì)試件進(jìn)行三分點(diǎn)受彎加荷［2］。該加載裝置是通過壓縮彈簧變形來對(duì)試件施加荷載的。預(yù)先測(cè)定彈簧的剛度，根據(jù)力與變形成正比的關(guān)系，通過控制彈簧壓縮變形來控制荷載的大小。加載前測(cè)定試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度，以抗折強(qiáng)度為基準(zhǔn)對(duì)持荷試件施加應(yīng)力比為0、15%和35%三個(gè)水平的荷載。抗凍性試驗(yàn)采用GBJ 82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中快凍法進(jìn)行。

1.3 混凝土配合比

試驗(yàn)用混凝土配比設(shè)計(jì)按 JGJ55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行，見表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2是兩種混凝土材料在硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，彎曲應(yīng)力的存在都加速了混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的速度，且這種加速破壞的作用隨其應(yīng)力水平的增大而增大。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，粉煤灰對(duì)混凝土在硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下的抗蝕性能有明顯的改善作用。

2.2 硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)協(xié)同作用下的試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3是兩種混凝土材料在硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)協(xié)同作用下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在三因素協(xié)同作用下，兩種混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能都大大降低，且這種降低作用隨外部彎曲應(yīng)力水平的增大而加劇。三因素協(xié)同作用下，當(dāng)彎曲應(yīng)力水平達(dá)到35%時(shí)兩種混凝土材料都表現(xiàn)出突然的脆性破壞，破壞前的相對(duì)抗折強(qiáng)度都很高，突然斷裂后抗折強(qiáng)度相對(duì)變化率下降到－100%。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，在硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)協(xié)同作用下，粉煤灰對(duì)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響，且隨著彎曲應(yīng)力水平的增大，這種不利影響會(huì)加劇。

從試驗(yàn)中還可以看出，與硫酸鹽侵蝕單一因素作用相比，硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)的協(xié)同作用對(duì)混凝土的損傷要嚴(yán)重得多;與硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力雙因素作用相比，凍融循環(huán)的存在大大加劇了混凝土材料的破壞速度。

圖2 硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下混凝土相對(duì)強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化

圖3 硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)協(xié)同作用下混凝土相對(duì)強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化

3 結(jié)論

1)硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力協(xié)同作用下，外部彎曲應(yīng)力的存在加速了混凝土材料硫酸鹽侵蝕破壞的速度，且這種加速破壞作用隨著應(yīng)力水平的增大而加劇。粉煤灰對(duì)混凝土材料在該環(huán)境下的抗硫酸鹽侵蝕性能有明顯的改善作用。

2)硫酸鹽侵蝕、彎曲應(yīng)力和凍融循環(huán)協(xié)同作用下，混凝土材料的抗硫酸鹽侵蝕性能比硫酸鹽侵蝕單因素和硫酸鹽侵蝕和彎曲應(yīng)力雙因素協(xié)同作用下的都大大降低，且摻粉煤灰的混凝土性能更加劣化。

［1］高禮雄.摻礦物摻合料水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性研究［D］.北京:中國建筑材料科學(xué)研究總院，2005.

［2］慕儒，孫偉，繆昌文.荷載作用下高強(qiáng)混凝土的硫酸鹽侵蝕［J］.工業(yè)建筑，1999，28(8):52-63.

［3］胡江，黃佳木，李化建，等.摻合料混凝土抗凍性能及氣泡特征參數(shù)的研究［J］.鐵道建筑，2009(6):124-127.

［4］李樹彬.青藏高原多年凍土區(qū)橋梁混凝土抗裂施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2007(9):23-24，91.