抗硫酸鹽水泥混凝土的合理試件尺寸選取

喬宏霞 何海杰 何忠茂 曹 輝

（1蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅土木工程科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730020）

我國西部鹽漬土區(qū)域以內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、甘肅、青海、新疆等六省最為突出。這些地區(qū)的鹽漬土大部分為硫酸鹽漬土，所 以在該地區(qū)建設(shè)的水泥混凝土道路橋梁基礎(chǔ)建設(shè)，必然不同程度的受到硫酸鹽腐蝕，研究混凝土硫酸鹽腐蝕問題成為該地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性面臨的最大問題。對(duì)于混凝土抗硫酸鹽腐蝕性試驗(yàn)評(píng)價(jià)參數(shù)，作者在《蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2009年第4期《GHPC抗硫酸鹽腐蝕性的評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)計(jì)》中做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和研究，本文考慮了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行快速破壞實(shí)驗(yàn)的便利和減少由于不同試件帶來的試驗(yàn)誤差，選擇了無破損檢測(cè)混凝土耐久性的評(píng)價(jià)參數(shù)[1]，動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)2ω評(píng)價(jià)參數(shù)[2]評(píng)定規(guī)則相同，均為：評(píng)價(jià)參數(shù)小于零時(shí)混凝土失效，評(píng)價(jià)參數(shù)小于1時(shí)混凝土性能劣化，評(píng)價(jià)參數(shù)大于1時(shí)混凝土性能加強(qiáng)[3][4][5]。 對(duì)于綠色高性能混凝土硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)的選用最佳試件尺寸問題通常認(rèn)為：試件的形狀(特別是表面積與體積之比)對(duì)侵蝕的速度有著很大的影響。在體積相同的情況下，表面積越大的試件受侵蝕面越大，侵蝕的速度越快。若試件的斷面為正方形，邊長為a，則試件的表面積與體積之比約為4/a，即邊長a越小，該比值越大，受侵蝕的相對(duì)面積越大。因此，為了加快試驗(yàn)的速度，宜選擇盡量小的試件尺寸，這也是很多研究者進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)選擇的試件尺寸[6][7][8]。

但是，如果試件尺寸過小，成型和破壞時(shí)的試驗(yàn)條件和環(huán)境條件的微小變化都對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，使試驗(yàn)結(jié)果的離散性很大，從而影響試驗(yàn)結(jié)果分析。為了獲得合適的試件尺寸，本文選用兩種不同尺寸的試件進(jìn)行了混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的快速破壞試驗(yàn)研究，選取進(jìn)行混凝土抗硫酸鹽腐蝕性試驗(yàn)研究的最佳試件尺寸。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料及其性能

試驗(yàn)采用兩種不同尺寸混凝土試件，其中編號(hào)前為X的混凝土試件采用中砂和細(xì)石配制，試件尺寸為，編號(hào)前為B的混凝土試件采用粗砂和碎石配制，試件尺寸為100mmx100mmx400mm，編號(hào)后的數(shù)字代表混凝土強(qiáng)度等級(jí)；這兩種混凝土均無礦物摻和料，采用42.5級(jí)高抗硫酸鹽水泥配制，采用復(fù)合高效減水劑提高強(qiáng)度和和易性。其中XP45試件的原材料見參考文獻(xiàn)[1]；其中BP45試件用碎石由隆鑫混凝土公司提供，石子粒徑為5mm～31.5mm，為連續(xù)級(jí)配，其各項(xiàng)指標(biāo)見表1，其余原材料見參考文獻(xiàn)[1]，混凝土配合比見表2。

表1 碎石性能指標(biāo)

表2 混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用無水硫酸鈉配制硫酸鹽溶液作為干濕循環(huán)中的浸泡液，3種浸泡液中離子濃度為：，選取飲用水（A）作為對(duì)比，共3組浸泡液，兩種干濕循環(huán)制度，XR45混凝土試件采用循環(huán)制度一：試件分別在3種不同的浸泡液A、B、C中分別浸泡12h，然后在烘箱中65-76℃烘干12h，每24h作為一個(gè)循環(huán)，一天可進(jìn)行一個(gè)循環(huán)。

為了使試驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性，使BR45混凝土試件達(dá)到與XR45混凝土試件相同的烘干效果，采用循環(huán)制度二：試件分別在3種不同的浸泡液A、B、C中分別浸泡12h，然后在烘箱中100-105℃烘干12h，每24h作為一個(gè)循環(huán)，一天可進(jìn)行一個(gè)循環(huán)。

混凝土試件均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，測(cè)定試件浸水飽和后的基準(zhǔn)重量和動(dòng)彈性模量，在每20次循環(huán)后檢測(cè)試件的重量和動(dòng)彈性模量，計(jì)算混凝土試件的動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)2ω，具體計(jì)算見參考文獻(xiàn)[1]，在3種浸泡液中干濕循環(huán)時(shí)有一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)達(dá)到破壞即停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

2.1 混凝土在A溶液中循環(huán)后的數(shù)據(jù)分析

不同尺寸的混凝土試件在A溶液中經(jīng)歷干濕循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω變化如圖1和圖2所示。

圖1 A溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω1

圖2 A溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω2

圖1可見：BR45的1ω在60次循環(huán)以前上下略有波動(dòng)，在60次循環(huán)后1ω開始較快速的下降，直到循環(huán)結(jié)束時(shí)1ω下降到0以下，顯示此時(shí)混凝土BR45已經(jīng)失效；XR45的1ω在20次循環(huán)時(shí)就快速降到了接近0的位置，顯示此時(shí)混凝土XR45已經(jīng)瀕臨失效，在隨后的循環(huán)中1ω很快下降到0以下，在40次循環(huán)時(shí)小尺寸試件XR45的1ω接近-0.2左右，顯示混凝土XR45已經(jīng)嚴(yán)重破壞并且失效，在后面繼續(xù)循環(huán)時(shí)，小尺寸試件XR45的1ω開始回升，在100次循環(huán)結(jié)束時(shí)1ω回升到0.6以上，這種回升不能說明混凝土試件XR45的損傷愈合，因?yàn)樵?0次循環(huán)時(shí)混凝土XR45已經(jīng)嚴(yán)重失效，應(yīng)該評(píng)定該混凝土僅能在20次干濕循環(huán)以內(nèi)是有效的，40次循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)1ω的這種回升是由試件尺寸太小引起的損傷假性愈合。

圖2可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在循環(huán)過程中基本上均低于1，說明抗硫酸鹽水泥混凝土性能在劣化：BR45的2ω在循環(huán)過程中基本上在0.95左右上下波動(dòng)，在循環(huán)結(jié)束時(shí)接近1.0，可見大尺寸試件BR45重量變化不是很大；XR45的2ω在40次循環(huán)前一直在降低，在40次循環(huán)時(shí)降到0.85左右，說明混凝土XR45的性能在劣化，在隨后的循環(huán)過程中ω2開始升高，在100次循環(huán)結(jié)束時(shí)ω2約為0.95，可見小尺寸試件XR45的重量在增加，但是試件重量的這種增加并不能說明混凝土XR45的損傷在愈合。

在水中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)高抗硫酸鹽水泥混凝土的ω1和ω2均評(píng)定混凝土處于性能劣化狀態(tài)，并且劣化速度較快，特別是小尺寸試件XR45，它的劣化速度加快了很多，這種現(xiàn)象的主要原因是高抗硫酸鹽水泥中的C3A含量較低造成的。

2.2 混凝土在B溶液中循環(huán)后的數(shù)據(jù)分析

不同尺寸的混凝土試件在B溶液中經(jīng)歷干濕循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω變化如圖3和圖4所示。

圖3 B溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω1

圖4 B溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω2

圖3可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土在B溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)表現(xiàn)出較好的耐侵蝕性能：BR45的1ω在70次循環(huán)以前基本上保持在0.9左右，性能沒有嚴(yán)重的劣化，在70次循環(huán)后，1ω開始下降，下降速度和下降幅度不大，在110次循環(huán)結(jié)束時(shí)1ω在0.6以上，說明混凝土BR45在B溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)過程中性能在劣化，尚未失效；XR45的1ω在60次循環(huán)前下降速度較快，在60次循環(huán)時(shí)下降到0.2以下，沒有到達(dá)0，說明混凝土XR45的性能在劣化但未失效，在隨后的循環(huán)中XR45的1ω開始回升，在100次循環(huán)結(jié)束時(shí)回升到0.4左右，這種回升的一個(gè)重要原因是試件尺寸太小和外界各種因素對(duì)其影響太大造成的。

圖4可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在循環(huán)過程中均高于0.95，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有失效：XR45的2ω在循環(huán)過程中上下波動(dòng)，在100次循環(huán)結(jié)束時(shí)仍大于1，2ω評(píng)定混凝土XR45性能處于強(qiáng)化狀態(tài)，說明混凝土XR45在B溶液中干濕循環(huán)時(shí)試件重量增加；BR45的2ω在90次循環(huán)以前基本上在1的左右上下波動(dòng)，在100循環(huán)時(shí)2ω降到0.95，隨后在110次循環(huán)結(jié)束時(shí)又上升到1.05以上，變化不大。

高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω和2ω在B溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)均評(píng)定混凝土未失效，可見高抗硫酸鹽水泥混凝土對(duì)于的硫酸鹽溶液有一定的抗侵蝕性。高抗硫酸鹽水泥混凝土僅針對(duì)長期浸泡硫酸鹽環(huán)境有較好的抗侵蝕性，增加了干濕循環(huán)因素的損傷下，加速了高抗硫酸鹽水泥混凝土的性能劣化，這一點(diǎn)體現(xiàn)在圖3的1ω的降低上。

2.3 混凝土在C溶液中循環(huán)后的數(shù)據(jù)分析

不同尺寸的混凝土試件在C溶液中經(jīng)歷干濕循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω變化如圖5和圖6所示。

圖5可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω在C溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)均為下降趨勢(shì)，說明抗硫酸鹽水泥混凝土性能處于劣化狀態(tài)：BR45的1ω在80次循環(huán)以前下降較平緩，在80次循環(huán)以后開始加快下降速度，在最終循環(huán)結(jié)束時(shí)評(píng)價(jià)參數(shù)1ω達(dá)到0.6以下，說明混凝土BR45的性能劣化不很嚴(yán)重；XR45的1ω在循環(huán)過程中平緩下降，在80次循環(huán)時(shí)下降到最低點(diǎn)約0.2左右，在隨后的循環(huán)中再?zèng)]有下降，100次循環(huán)結(jié)束時(shí)XR45的1ω略高于0.2，說明混凝土XR45在C溶液中干濕循環(huán)時(shí)性能一直在劣化但未失效。綜合大尺寸試件BR45和小尺寸試件XR45的1ω的變化規(guī)律來看，高抗硫酸鹽水泥在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中發(fā)揮了一定的抗侵蝕作用，小尺寸試件XR45受到腐蝕速度較快，性能劣化程度較重。

圖5 C溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω1

圖6可見：高抗硫酸鹽水泥混凝土的2ω在C溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)為先升高后降低：XR45的2ω在60次循環(huán)時(shí)升高到最高點(diǎn)約1.3左右，說明XR45混凝土試件的重量在增加，在隨后的循環(huán)中開始降低，在100次循環(huán)結(jié)束時(shí)下降到1.0以下，說明混凝土XR45進(jìn)入劣化狀態(tài)；BR45的2ω在90次循環(huán)前基本上在1的左右上下波動(dòng)，說明BR45混凝土試件的重量沒有很大變化，在隨后的循環(huán)中開始加速下降，在110次循環(huán)結(jié)束時(shí)下降到0.8左右，評(píng)定此時(shí)混凝土BR45已經(jīng)進(jìn)入劣化狀態(tài)。

圖6 C溶液中循環(huán)后評(píng)價(jià)參數(shù)ω2

高抗硫酸鹽水泥混凝土的1ω和2ω在C溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)均評(píng)定混凝土未失效，可見高抗硫酸鹽水泥混凝土對(duì)于的硫酸鹽溶液也有一定的抗侵蝕性。高抗硫酸鹽水泥混凝土僅針對(duì)長期浸泡硫酸鹽環(huán)境有較好的抗侵蝕性，增加了干濕循環(huán)因素的損傷下，加速了高抗硫酸鹽水泥混凝土的性能劣化，這一點(diǎn)體現(xiàn)在圖5的ω1的降低上，同時(shí)C溶液比B溶液濃度增加了10倍，對(duì)高抗硫酸鹽水泥混凝土的損傷加重，這一點(diǎn)體現(xiàn)在圖5的ω1降低的程度高于圖3的ω1降低的程度。

3 結(jié) 論

1）混凝土無破損檢測(cè)評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω的變化能反映混凝土性能的變化過程，本次試驗(yàn)的混凝土抗硫酸鹽腐蝕耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)選取合理；

2）小尺寸混凝土試件的1ω和2ω的變化趨勢(shì)相異較大，對(duì)混凝土性能狀態(tài)變化的評(píng)定結(jié)果一致性較差；大尺寸混凝土試件的1ω和2ω變化趨勢(shì)較一致，對(duì)混凝土性能變化的評(píng)定結(jié)果具有較好的一致性；

3）大尺寸混凝土試件的評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω比小尺寸混凝土試件的評(píng)價(jià)參數(shù)1ω和2ω更科學(xué)的揭示了混凝土性能劣化的過程，所以推薦試驗(yàn)室進(jìn)行硫酸鹽腐蝕加速試驗(yàn)時(shí)使用尺寸為100mmx100mmx400mm的混凝土試件；

4）設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)參數(shù)經(jīng)過進(jìn)一步設(shè)計(jì)亦可評(píng)價(jià)混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性損傷程度，因本文篇幅限制，進(jìn)一步的抗硫酸鹽腐蝕性損傷程度評(píng)價(jià)將在后續(xù)文章中進(jìn)行。

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