復(fù)摻技術(shù)對(duì)混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能的影響

黃維蓉，楊德斌，周建庭，嚴(yán)海彬

(重慶交通大學(xué)山區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074)

混凝土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力［1］。不同因素對(duì)混凝土耐久性的影響程度是不相同的，干濕循環(huán)作用下的物理腐蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸鹽存在的環(huán)境下，混凝土在干濕循環(huán)和硫酸鹽浸蝕雙重因素的作用下破壞更嚴(yán)重［2－4］。目前國(guó)內(nèi)外大部分混凝土的抗硫酸鹽浸蝕研究沒有控制或者沒有連續(xù)控制浸蝕溶液的pH值，多采取試件在靜止鹽溶液中連續(xù)浸泡的方法進(jìn)行，其結(jié)果不能真實(shí)反映出實(shí)際條件下環(huán)境水滲流或者流動(dòng)時(shí)的浸蝕狀況。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為52.1 MPa的 P.O 42.5R水泥，細(xì)度模數(shù)為2.4 的中砂，壓碎值為7.6%的5～10 mm石灰?guī)r碎石?；钚灾笖?shù)106%的硅灰，活性指數(shù)97%的礦渣，活性指數(shù)90%的粉煤灰。選用引氣劑為十二烷基硫酸鈉(K12)，纖維為聚丙烯纖維。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試配調(diào)整確定普通混凝土配合比，在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，硅灰、礦渣、粉煤灰等礦物摻合料以40%的比例取代普通混凝土中的水泥配成多元礦物摻合料混凝土，再摻加不同摻量的引氣劑和聚丙烯纖維，聚丙烯纖維摻量是混凝土體積百分比，引氣劑摻量為膠凝材料質(zhì)量百分比。設(shè)計(jì)出多元礦物摻合料與引氣劑或聚丙烯纖維復(fù)摻混凝土，試驗(yàn)用配合比見表1。A2配合比新拌混凝土含氣量4.7%，A3配合比新拌混凝土含氣量5.9%。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete proportion

1.2.2 試驗(yàn)方法

1)不控制pH值靜止溶液浸蝕試驗(yàn)方法

以GB/T 749—2008為依據(jù)，參照高禮雄，等［5］的研究結(jié)果，試驗(yàn)用集料最大粒徑10 mm，浸蝕溶液是質(zhì)量濃度10%的硫酸鈉溶液，參照水泥膠砂強(qiáng)度試件的制作方法制作本研究用40 mm×40 mm×160 mm細(xì)石混凝土試件，振實(shí)成型的細(xì)石混凝土試件帶模養(yǎng)護(hù)1 d，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后開始浸蝕試驗(yàn)。試件分別浸泡在硫酸鈉溶液和水中，試件之間間距大于10 mm，液面高出試件頂面30 mm以上，容器加蓋。試驗(yàn)過程中不控制溶液的pH值，每隔一個(gè)月更換一次水和溶液。該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)稱為“靜止溶液浸蝕方法”。

2)控制pH值流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕試驗(yàn)方法

試件尺寸、溶液濃度和試件入浸方式均與不控制pH值靜止溶液浸蝕方法相同，但試件在受侵過程中采用如圖1的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)過程中通過pH值控制器和加酸計(jì)量泵自動(dòng)控制硫酸鹽溶液的pH值，使溶液pH值始終在7.0～7.5之間，且浸蝕溶液每隔一個(gè)月更換一次［6］。該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)稱為“流動(dòng)溶液浸蝕方法”。

圖1 控制pH值流動(dòng)循環(huán)溶液侵蝕試驗(yàn)方法簡(jiǎn)圖Fig.1 The diagram of test method for the flow loop erosion solution which controls pH value

3)混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)

混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)采取不控制pH值流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕和控制pH靜止鹽溶液浸蝕兩種方法。試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的細(xì)石棱柱體混凝土試件，干濕循環(huán)試驗(yàn)方法:標(biāo)養(yǎng)28 d的試件先在質(zhì)量濃度為10%的硫酸鈉溶液中浸泡14 h→取出放置1 h→放入60℃恒溫箱中烘8 h→取出冷卻1 h→再放入硫酸鈉溶液中浸泡，如此24 h為一次循環(huán)，該混凝土最大循環(huán)次數(shù)定為180次。干濕循環(huán)試驗(yàn)前先測(cè)標(biāo)養(yǎng)28 d的混凝土干燥質(zhì)量和基準(zhǔn)動(dòng)彈模量，然后每15次干濕循環(huán)后進(jìn)行一次質(zhì)量和動(dòng)彈模量測(cè)試，以抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)、質(zhì)量損失百分率和相對(duì)動(dòng)彈模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)=試件干濕循環(huán)n次的相對(duì)動(dòng)彈模量/相同配比試件經(jīng)硫酸鹽溶液浸蝕n天的相對(duì)動(dòng)彈模量。以質(zhì)量損失率大于5%，或相對(duì)動(dòng)彈性模量小于60%作為試件破壞的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以相同循環(huán)次數(shù)時(shí)的質(zhì)量損失百分率、相對(duì)動(dòng)彈模量及抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)的大小及經(jīng)時(shí)變化規(guī)律評(píng)定混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不控制pH值靜止溶液浸蝕下混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

標(biāo)養(yǎng)28 d后在靜止溶液浸蝕方法下，混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等與干濕循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系如圖2。

圖2 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖2(a)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對(duì)動(dòng)彈模量相對(duì)普通混凝土明顯提高。普通混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量在循環(huán)135次時(shí)就開始低于60%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土循環(huán)180次其相對(duì)動(dòng)彈模量大于60%，質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時(shí)，摻多元礦物摻合料的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量為61.6%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量分別為70.3%，88%，提高了14.1%和42.9%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量分別為74.6%，86%，提高了121.1%和39.6%。

由圖2(b)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土質(zhì)量呈增加狀態(tài)，后期混凝土的質(zhì)量損失，但摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質(zhì)量損失率低于普通混凝土，干濕循環(huán)次數(shù)越多，加摻合料的混凝土優(yōu)勢(shì)越明顯。普通混凝土質(zhì)量損失率在干濕循環(huán)165次時(shí)超過了5%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗(yàn)結(jié)束時(shí)質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時(shí)，摻多元礦物摻合料的混凝土質(zhì)量損失率為3%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%。

由圖2(c)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土的抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對(duì)普通混凝土明顯提高。在干濕循環(huán)180次時(shí)，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.658，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)分別為0.704，0.86，提高了7%和30.7%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)分別為0.758，0.854，提高了 15.2%和 29.8%。

2.2 控制pH值流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕下混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果及分析

標(biāo)養(yǎng)28 d后在流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下，混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等與干濕循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系如圖3。

圖3 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖3(a)可知，在流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對(duì)動(dòng)彈模量比普通混凝土高。普通混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量在循環(huán)120次時(shí)就開始低于60%，已破壞。摻多元礦物摻合料的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量在干濕循環(huán)165次后開始低于60%，已破壞;多元礦物摻合料與引氣劑或纖維的混凝土干濕循環(huán)180次后相對(duì)動(dòng)彈模量大于60%，未破壞。

由圖3(b)可知，在流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土質(zhì)量損失率為負(fù)值，呈現(xiàn)質(zhì)量增加的狀態(tài)，后期摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質(zhì)量損失率低于普通混凝土，干濕循環(huán)次數(shù)越多，優(yōu)勢(shì)越明顯。普通混凝土質(zhì)量損失率在干濕循環(huán)150次時(shí)超過了5%，已破壞;在循環(huán)165次時(shí)已斷裂，無(wú)法測(cè)得相應(yīng)的指標(biāo)值。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗(yàn)結(jié)束時(shí)質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時(shí)，摻多元礦物摻合料的混凝土質(zhì)量損失率為3.78%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率為2.3%，降低了39.2%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.47%，降低了34.7%。

由圖3(c)可知，在流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗(yàn)前期混凝土的抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對(duì)普通混凝土明顯提高。在干濕循環(huán)180次時(shí)，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.556，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.742，提高了33.5%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.725，提高了30.4%。

2.3 復(fù)摻技術(shù)對(duì)混凝土抗干濕循環(huán)性能的改善原因分析

多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土優(yōu)于普通混凝土，多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻和多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻混凝土的抗干濕循環(huán)性能優(yōu)于多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土。因混凝土在硫酸鹽溶液中經(jīng)干濕循環(huán)作用后，不但硫酸鹽浸蝕會(huì)加劇，而且硫酸鹽還會(huì)析晶膨脹，由物理鹽結(jié)晶浸蝕及硫酸鹽化學(xué)浸蝕造成的復(fù)合損傷更為嚴(yán)重［6－7］。多元礦物摻合料的微集料復(fù)合效應(yīng)、活性效應(yīng)、火山灰復(fù)合效應(yīng)使混凝土內(nèi)部孔徑更細(xì)小，連通孔隙的數(shù)量也減少，二次水化反應(yīng)使氫氧化鈣轉(zhuǎn)化為C-S-H凝膠，提高了混凝土密實(shí)度、抗?jié)B性，從而抵抗硫酸鹽侵入的能力增強(qiáng)，混凝土破壞速度延緩。

在多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土中加入引氣劑后，引入的大量微小氣泡可阻斷毛細(xì)孔，改善孔結(jié)構(gòu)，減小了混凝土在干濕循環(huán)條件下硫酸鹽化學(xué)浸蝕產(chǎn)物對(duì)混凝土的膨脹壓力，使混凝土的抗干濕循環(huán)性能提高。

纖維在水泥混凝土中呈三維亂向分布，可起到“承托”骨料的作用［8－9］，減少混凝土的泌水通道和連通的毛細(xì)孔，可有效抑制混凝土內(nèi)部原生裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，阻斷硫酸鹽溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，降低混凝土遭受浸蝕的幾率。

在普通混凝土中采取摻礦物摻合料、引氣劑及纖維等措施，可以降低混凝土的滲透性，從而達(dá)到改善混凝土抗干濕循環(huán)性能的目的。

2.4 兩種浸蝕方法評(píng)價(jià)

浸泡過程中采取流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法和靜止溶液浸蝕方法對(duì)混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能影響不同，靜止溶液浸蝕方法與結(jié)構(gòu)物所處的實(shí)際環(huán)境相差較遠(yuǎn)，流動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可反映出干濕循環(huán)破壞的加速條件，影響礦物摻合料、聚丙烯纖維、引氣劑改性效應(yīng)發(fā)揮的程度。流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下測(cè)定混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)比靜止溶液浸蝕方法下的測(cè)定值低，混凝土質(zhì)量損失率較大，表明混凝土在流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕下，混凝土抵抗干濕循環(huán)破壞的能力相對(duì)偏低，外摻材料的改善效果較為客觀、真實(shí)。今后應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境條件選擇適宜的浸蝕方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗干濕循環(huán)性能。

3 結(jié)論

1)在流動(dòng)溶液和靜止溶液兩種浸蝕方法下，采用復(fù)摻技術(shù)的混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能增強(qiáng);但流動(dòng)循環(huán)溶液浸蝕方法下，不同改善措施的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失率及抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)所反映的結(jié)果更客觀、真實(shí)。

2)硅粉、粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻有利于改善混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能;礦物摻合料復(fù)摻措施不及礦物摻合料與引氣劑、聚丙烯纖維復(fù)摻的措施，多元材料復(fù)摻技術(shù)對(duì)混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能有良好的改善效果。

3)在混凝土含氣量小于6%、聚丙烯纖維體積摻量小于0.2%時(shí)，混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能隨聚丙烯纖維和引氣劑摻量的增加而增強(qiáng)。

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