強(qiáng)堿溶液環(huán)境下混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

范向前，朱海堂，胡少偉，張啟明

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210024;2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州450001;3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029)

堿性環(huán)境對(duì)混凝土具有一定的保護(hù)作用，但是，對(duì)于氧化鋁廠混凝土建筑物、堿回收站車(chē)間地面等一些特殊環(huán)境，混凝土長(zhǎng)期與強(qiáng)堿性溶液或者強(qiáng)堿性蒸汽接觸，其破壞程度依然相當(dāng)嚴(yán)重［1－2］.迄今為止，提高強(qiáng)堿環(huán)境下混凝土耐久性的試驗(yàn)研究成果極為少見(jiàn)［2－4］.隨著高效混凝土外加劑技術(shù)的快速發(fā)展，耐堿劑應(yīng)運(yùn)而生，為混凝土的抗堿腐蝕提供了有利條件，但耐堿劑對(duì)混凝土抗堿腐蝕能力的改善研究還遠(yuǎn)滯后于工程應(yīng)用.筆者在進(jìn)行耐堿劑對(duì)混凝土力學(xué)性能影響研究［5］的基礎(chǔ)上，研究強(qiáng)堿環(huán)境下耐堿劑對(duì)普通混凝土和鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，分析耐堿劑對(duì)強(qiáng)堿腐蝕的抵抗機(jī)理，為耐堿混凝土在強(qiáng)堿環(huán)境中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥;粗骨料:粒徑為5～10 mm的碎石，級(jí)配合格;細(xì)骨料:細(xì)度模數(shù)為2.52的河砂，級(jí)配合格;鋼纖維:采用冷軋帶鋼剪切型鋼纖維，纖維長(zhǎng)度為14 mm，長(zhǎng)徑比為49.6;添加劑:微硅高效水泥砂漿和混凝土耐堿劑，其主要成分由多種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料復(fù)合而成，主要為CaO/SiO2/Al2O3復(fù)合礦粉，少量的活性二氧化硅粉和含沸石粉等.

1.2 堿性腐蝕溶液的配制

根據(jù)溶液pH值的計(jì)算公式，取1 kg NaOH并將其溶解于25 kg生活飲用水中，即可配制出試驗(yàn)所需要的pH=14的強(qiáng)堿溶液.

1.3 試件設(shè)計(jì)與制作

共設(shè)計(jì)4組試件，每組3個(gè)，混凝土強(qiáng)度為35 MPa.混凝土配合比見(jiàn)表1.表1中試件編號(hào)的含義為:C35表示普通混凝土，F(xiàn)C35I表示纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維混凝土，C35A表示普通混凝土中添加耐堿劑，F(xiàn)C35AI表示鋼纖維混凝土中添加耐堿劑.其中耐堿劑摻量為水泥用量的7%.

為便于進(jìn)行快速腐蝕試驗(yàn)，參考文獻(xiàn)［6］的方法，采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，并按照表1所示的設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行人工澆筑成型，置于室溫環(huán)境下的清水中養(yǎng)護(hù)28 d.其后，將試件分別浸泡于清水中(作為對(duì)比組)和強(qiáng)堿溶液中(pH=14).到達(dá)設(shè)定的試驗(yàn)齡期時(shí)取出試件進(jìn)行 抗折強(qiáng)度和折后抗壓強(qiáng)度測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 主要試驗(yàn)結(jié)果

以1個(gè)月為1個(gè)腐蝕齡期，共設(shè)計(jì)6個(gè)齡期，總腐蝕期為6個(gè)月.每個(gè)齡期結(jié)束次日，測(cè)試強(qiáng)堿溶液和對(duì)比組溶液中試件的混凝土抗折強(qiáng)度和折后抗壓強(qiáng)度.抗折強(qiáng)度按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13∶2009)［7］進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，對(duì)于每組試件，結(jié)果取不偏離均值15%的3個(gè)試件的平均值;折斷后，按照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5126—2001)［8］中的試驗(yàn)方法測(cè)試折斷后試件的抗壓強(qiáng)度，每個(gè)試件測(cè)試2個(gè)抗壓強(qiáng)度值，并參考該規(guī)范，去掉6個(gè)數(shù)據(jù)中偏離平均值最遠(yuǎn)的2個(gè)數(shù)值，將剩余4個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，作為該組試件最終試驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果見(jiàn)表2.

考慮到試驗(yàn)齡期內(nèi)，試件混凝土的抗壓強(qiáng)度值和抗折強(qiáng)度值均會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加［9］.為了消除試驗(yàn)過(guò)程中這一增量對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)果的影響，在強(qiáng)堿溶液下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)的同時(shí)，以清水環(huán)境作為對(duì)比組進(jìn)行同齡期試驗(yàn)，并將各試驗(yàn)齡期下強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)定值除以同齡期下對(duì)比組試件混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值，即以抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)和抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)的形式表述強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕劣化作用，具體計(jì)算結(jié)果列于表2.

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.2 強(qiáng)度分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖1給出了強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗(yàn)齡期抗壓強(qiáng)度的變化情況.由圖1可知，對(duì)于普通混凝土C35和C35A，前4個(gè)腐蝕齡期內(nèi)，添加耐堿劑混凝土的抗壓強(qiáng)度值并沒(méi)有明顯提高，相反，C35A的抗壓強(qiáng)度值還有低于C35的情況，而第4個(gè)齡期之后，摻入耐堿劑試件C35A的混凝土抗壓強(qiáng)度則大于普通混凝土試件C35的抗壓強(qiáng)度;強(qiáng)堿腐蝕環(huán)境下，C35A抗壓強(qiáng)度值隨著腐蝕齡期的增加而降低的速率小于普通混凝土試件C35，耐堿劑的加入可以減緩強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕程度;對(duì)于FC35I和FC35AI而言，在各腐蝕齡期內(nèi)，摻加耐堿劑鋼纖維混凝土試件FC35AI的抗壓強(qiáng)度均大于普通鋼纖維混凝土試件FC35I，表明在強(qiáng)堿溶液環(huán)境下，鋼纖維可在一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度.

圖1 試件的抗壓強(qiáng)度

比較試件 C35A和 FC35I的試驗(yàn)結(jié)果可知，C35A和FC35I在各腐蝕齡期的抗壓強(qiáng)度值基本相同，在腐蝕齡期的最后階段，C35A抗壓強(qiáng)度值大于FC35I.可以推測(cè)，強(qiáng)堿腐蝕環(huán)境下，添加水泥用量7%的抗堿劑的普通混凝土優(yōu)于鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1%的鋼纖維混凝土.

綜合以上分析可以得出，在強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境下，試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的4種配合比的混凝土，其抗壓強(qiáng)度均隨試驗(yàn)齡期呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢(shì).在其他條件基本一致的情況下，耐堿劑的添加可以提高普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度，且添加耐堿劑的普通混凝土抗壓強(qiáng)度優(yōu)于鋼纖維混凝土，同時(shí)摻加耐堿劑和鋼纖維的混凝土抵抗強(qiáng)堿溶液腐蝕的能力最強(qiáng).另外，耐堿劑的添加可以減緩強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度的降低速率.

2.2.2 抗折強(qiáng)度

圖2給出了強(qiáng)堿溶液侵蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗(yàn)齡期抗折強(qiáng)度的變化情況.由圖2可知，隨著腐蝕齡期的增加，4種設(shè)計(jì)配合比的混凝土抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且僅有同時(shí)摻加鋼纖維和耐堿劑的FC35AI試件的抗折強(qiáng)度呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，其他3種配合比混凝土的抗折強(qiáng)度均呈曲折增長(zhǎng).

圖2 試件的抗折強(qiáng)度

對(duì)比耐堿劑添加前后的普通混凝土C35和C35A，在前2個(gè)腐蝕齡期內(nèi)，耐堿劑的添加可以?xún)?yōu)化混凝土的抗折強(qiáng)度值;第3～6個(gè)腐蝕齡期內(nèi)，C35A的抗折強(qiáng)度值小于C35的抗折強(qiáng)度值.就整個(gè)腐蝕齡期來(lái)看，耐堿劑的加入可以減小混凝土抗折強(qiáng)度值的波動(dòng)，有利于保證混凝土抗折強(qiáng)度值的穩(wěn)定.

對(duì)比添加耐堿劑的普通混凝土C35A和摻入鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維混凝土FC35I，可以看出，C35A與FC35I的抗折強(qiáng)度均隨試驗(yàn)齡期的增加呈現(xiàn)出微弱增加的趨勢(shì).經(jīng)歷2～5個(gè)齡期的強(qiáng)堿溶液腐蝕后，C35A的抗折強(qiáng)度低于FC35I，但其差值逐漸趨于減小，至第6個(gè)腐蝕齡期時(shí)，C35A與FC35I的抗折強(qiáng)度基本一致.

對(duì)比FC35I和FC35AI，可以明顯看出，在鋼纖維混凝土中加入耐堿劑之后，對(duì)處于強(qiáng)堿溶液腐蝕條件下的鋼纖維混凝土抗折性能有顯著改善，在整個(gè)試驗(yàn)周期，其抗折強(qiáng)度幾乎仍呈線性增長(zhǎng).

通過(guò)對(duì)4種配合比的混凝土試件經(jīng)歷強(qiáng)堿溶液環(huán)境腐蝕后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分析可知，在試驗(yàn)齡期范圍內(nèi)，抗堿劑的加入對(duì)普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有所提高，含有耐堿劑的普通混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度值稍高于鋼纖維混凝土，而含有抗堿劑的鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度值在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)均基本處于較大值，從而使得含耐堿劑的鋼纖維混凝土具有較強(qiáng)的抵抗強(qiáng)堿腐蝕的能力.

2.3 強(qiáng)度腐蝕系數(shù)分析

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度絕對(duì)值的變化雖能直觀地反映出試件遭受強(qiáng)堿溶液腐蝕的變化情況，但在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的試驗(yàn)齡期內(nèi)，試件充分水化強(qiáng)度逐漸增加這一因素不能消除，可能會(huì)給試驗(yàn)的分析結(jié)果造成一定的誤差.在此，通過(guò)試件抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)和抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，以消除試件強(qiáng)度隨齡期增加這一不利因素的影響.

2.3.1 抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)

圖3給出了強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗(yàn)齡期抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)的變化情況.由圖3可知，C35和C35A，F(xiàn)C35I和FC35AI初始抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)基本一致，添加耐堿劑的試件C35A和FC35AI的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)低于不添加耐堿劑的試件C35和FC35I的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù);最終，C35和FC35I的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)由增大到逐漸變小，而C35A和FC35AI的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)則先變小后變大.

圖3 試件的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)

由對(duì)4種配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的分析和圖3可知，在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)，C35和FC35I的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)變化均較小，第3個(gè)試驗(yàn)齡期之前，C35和FC35I的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，說(shuō)明強(qiáng)堿溶液對(duì)普通混凝土C35和鋼纖維混凝土FC35I不僅沒(méi)有腐蝕作用，相反對(duì)其還有較好的保護(hù)作用，從而使強(qiáng)堿溶液環(huán)境下的混凝土抗壓強(qiáng)度值大于清水環(huán)境;在第3個(gè)試驗(yàn)齡期之后，C35和FC35I的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)開(kāi)始逐漸減小，甚至多次出現(xiàn)小于1的情況，表明在試驗(yàn)后期強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的保護(hù)作用開(kāi)始減弱，最終對(duì)其產(chǎn)生了腐蝕作用.

對(duì)比耐堿劑添加前后的鋼纖維混凝土FC35I和FC35AI兩種構(gòu)件，在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，且FC35AI的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)略大于FC35I.在試驗(yàn)初期，F(xiàn)C35I和FC35AI的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)逐漸增大，隨后逐漸減小，甚至低于同條件下不添加耐堿劑的試件，最終幾個(gè)齡期內(nèi)又逐漸增大而超過(guò)不添加耐堿劑的情況.該變化趨勢(shì)表明，在強(qiáng)堿溶液環(huán)境作用下，耐堿劑耐堿效應(yīng)的發(fā)揮有一個(gè)過(guò)程.在試驗(yàn)初期，耐堿劑尚未能發(fā)揮其效應(yīng)，而堿溶液對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)效應(yīng);但隨著試驗(yàn)齡期的逐漸延長(zhǎng)，強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用逐步減小，甚至開(kāi)始對(duì)其產(chǎn)生腐蝕劣化的時(shí)候，耐堿劑也逐漸發(fā)揮其作用，從而使得混凝土摻加耐堿劑之后，抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)逐步增加.

2.3.2 抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)

圖4給出了強(qiáng)堿溶液腐蝕環(huán)境下不同配合比試件在各試驗(yàn)齡期抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)的變化情況.由圖4可以看出，C35和C35A在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)基本一致，且多數(shù)都大于1，但變化趨勢(shì)稍有區(qū)別:試驗(yàn)前期，兩者均增加，之后不添加耐堿劑的普通混凝土試件C35一直增加，直到第4個(gè)試驗(yàn)齡期開(kāi)始降低，而添加耐堿劑的普通混凝土試件C35A則先降低后增加，并最終超過(guò)了C35.這一規(guī)律同C35和C35A的抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)變化規(guī)律基本一致.

圖4 試件的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)

對(duì)比各試件抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)結(jié)果還可以看出，添加耐堿劑的普通混凝土試件C35A和不添加耐堿劑的鋼纖維混凝土試件FC35I，其抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)較為接近.FC35I在最初的幾個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)，其抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)與C35A和FC35AI的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)相當(dāng)，隨后FC35I的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)開(kāi)始變大，最終又小于C35A和FC35AI的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)，且C35A，F(xiàn)C35I和FC35AI的抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)多大于1.這一現(xiàn)象和抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)的變化規(guī)律基本一致.從而進(jìn)一步表明，強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土試件有一定的增強(qiáng)作用，但其增強(qiáng)效果隨著試驗(yàn)齡期的延長(zhǎng)逐漸變?nèi)?，最終開(kāi)始對(duì)其產(chǎn)生腐蝕;耐堿劑的摻加對(duì)強(qiáng)堿溶液環(huán)境中的混凝土強(qiáng)度具有一定影響，甚至減弱其抗壓和抗折強(qiáng)度，但當(dāng)堿溶液對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用變小甚至出現(xiàn)負(fù)效應(yīng)時(shí)，耐堿劑開(kāi)始發(fā)揮其功效，從而有效提高混凝土抵抗強(qiáng)堿溶液腐蝕的能力.

3 耐堿劑的工作機(jī)理

強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕主要包括物理作用和化學(xué)作用兩個(gè)方面［10］:物理腐蝕是指堿性介質(zhì)通過(guò)混凝土表面孔隙，滲到混凝土表層，并與空氣中的CO2，H2O 反應(yīng)生成 Na2CO3·10H2O，反應(yīng)后體積相比反應(yīng)前增加2.5倍，造成內(nèi)部膨脹，產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu);化學(xué)腐蝕則是指水泥水化物 CaO·SiO2·nH2O，CaO·mAl2O3·xH2O 與強(qiáng)堿溶液中的NaOH反應(yīng)，生成極易為堿性介質(zhì)所溶解的化合物Na2SiO3，NaAlO2，這些反應(yīng)破壞了水泥石結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致混凝土解體.事實(shí)上，強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕，并不是單一的物理腐蝕或者化學(xué)腐蝕，而是這兩種腐蝕同時(shí)進(jìn)行.

耐堿劑摻入水泥砂漿或混凝土中，可以使其達(dá)到大流態(tài)、高密實(shí)、高抗?jié)B、高耐久性，其耐堿溶液腐蝕性更強(qiáng)，是一種綜合的高性能外加劑.耐堿劑的加入可抑制水泥砂漿和混凝土構(gòu)件的堿－集料反應(yīng)，確保其耐久性.通過(guò)添加超微細(xì)粉和防收縮物質(zhì)，使硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)、穩(wěn)定，增強(qiáng)了耐堿混凝土抗物理腐蝕的能力;通過(guò)添加耐堿物質(zhì)，使混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物的化學(xué)環(huán)境更加合理，提高了耐堿混凝土的抗化學(xué)腐蝕能力.

4 結(jié)語(yǔ)

1)在試驗(yàn)周期初期，強(qiáng)堿溶液對(duì)普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度表現(xiàn)為一定的增強(qiáng)作用，其增強(qiáng)幅度隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)逐漸減弱，直至后來(lái)對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕劣化.

2)在強(qiáng)堿溶液浸泡條件下，當(dāng)浸泡周期較長(zhǎng)，強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用減弱甚至產(chǎn)生腐蝕時(shí)，耐堿劑可發(fā)揮其抗堿作用，從而提高混凝土的抗堿腐蝕能力.

3)在強(qiáng)堿溶液浸泡環(huán)境下，普通混凝土添加耐堿劑以后，其抗壓、抗折強(qiáng)度值大于鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維混凝土;摻加耐堿劑的鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度值均最大，抵抗強(qiáng)堿腐蝕的能力較強(qiáng);用抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)和抗折強(qiáng)度腐蝕系數(shù)可以準(zhǔn)確地分析強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度的影響.

4)強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕是包括物理腐蝕和化學(xué)腐蝕在內(nèi)的多種腐蝕因素的綜合反映，耐堿劑的添加有利于混凝土工作性能的改善，從而有助于抵抗強(qiáng)堿溶液對(duì)混凝土的腐蝕.

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