硫酸鹽腐蝕后混凝土測強(qiáng)曲線研究

孫子玉

（山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006）

硫酸鹽腐蝕后混凝土測強(qiáng)曲線研究

孫子玉

（山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006）

采用干濕交替腐蝕的方法，進(jìn)行了襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕試驗。結(jié)果表明，混凝土在硫酸鹽的作用下，其后強(qiáng)度損失幅度很大。把參數(shù)回彈值、波速與抗壓強(qiáng)度整理進(jìn)行回歸分析，給出襯砌混凝土受硫酸鹽腐蝕后測強(qiáng)公式。

干濕交替；硫酸鹽；回歸；測強(qiáng)曲線

我國幅員遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，土的化學(xué)污染物不同程度地存留；近些年來隨著工業(yè)化的發(fā)展，土壤不同程度地受到了各種腐蝕物質(zhì)的污染；冬季北方地區(qū)因交通通行的需要，往往在公路上撒鹽除雪，這些都不同程度地污染了其周邊的水域與土地。為此，在其附近修建的隧道襯砌混凝土與土接觸以后，也對混凝土造成了一定的腐蝕破壞，從而影響了隧道的使用壽命。

從全國隧道來看，隧道襯砌混凝土滲漏、剝落事故常有發(fā)生［1-2］，隧道安全受到威脅［3-4］。

隧道襯砌混凝土破損后，需要對隧道的安全狀態(tài)進(jìn)行評定，常見的方法有無損檢測和有損檢測2種［5］。無損檢測就是通過超聲波波速的方法，評定混凝土內(nèi)部損傷狀態(tài)，有損檢測則是通過鉆心取樣的方法，通過壓力機(jī)檢測混凝土的實際強(qiáng)度。無損檢測不損傷結(jié)構(gòu)，施工量小，精度高，因而得到了工程界的普遍接受，但目前還沒有大量數(shù)據(jù)支持無損檢測方法用于腐蝕后的混凝土。為此，本文通過試驗，回歸無損檢測測強(qiáng)曲線。

在氯鹽、硝酸鹽及硫酸鹽中，硫酸鹽對混凝土的破壞更為嚴(yán)重破壞［6-8］。鑒于此，本文通過無損檢測方法［9-12］進(jìn)行試驗，建立混凝土在硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的無損檢測測強(qiáng)曲線。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料性能

水泥：采用亞泰水泥有限公司生產(chǎn)的425普通硅酸鹽水泥，水泥的物理性能見表1。

表1 水泥物理性能

粉煤灰：為深海熱電I級粉煤灰。各項性能指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰物理性能

砂：細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂。

減水劑：沈陽砼行建筑材料科技有限公司生產(chǎn)的TX-1001聚羧酸高性能減水劑；性能指標(biāo)見表3。

表3 減水劑指標(biāo)

續(xù)表

硫酸鹽：沈陽市新化試劑廠生產(chǎn)的Na2SO4試劑。

速凝劑：市售有堿粉體速凝劑；性能指標(biāo)見表4。

表4 速凝劑性能指標(biāo)

粗骨料：為5～10mm石灰?guī)r。

水：為普通自來水。

1.2 配合比

根據(jù)上述原材料進(jìn)行兩種不同強(qiáng)度等級混凝土配合比設(shè)計，每立方米混凝土所用材料用量見表5，外加劑及摻合料用量見表6。

表5 混凝土配合比

表6 摻合料、外加劑 （m3）

1.3 試驗方法

將成型后的試塊放在溫度為20±2℃的不流動氫氧化鈣飽和溶液中養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行腐蝕試驗：試塊在硫酸鹽溶液中浸泡36小時，取出晾曬1小時后，放入80℃±5℃烘箱恒溫烘10小時取出，自然環(huán)境中放置1小時。溶液采用15%濃度Na2SO4，共進(jìn)行36次循環(huán)，每4個循環(huán)進(jìn)行無損檢測和抗壓強(qiáng)度試驗。所有抗壓試驗在萬能壓力機(jī)上進(jìn)行?；貜梼x采用ZC3-A型；超聲波檢測儀采為NM-4A型。測試8天、16天、24天、32天、40天、48天、56天、64天、72天腐蝕后試塊的抗壓強(qiáng)度。

2 腐蝕試驗

2.1 試驗現(xiàn)象

可以看出隨著腐蝕次數(shù)的增加，混凝土表面出現(xiàn)花斑，并逐漸發(fā)白，伴隨邊緣脫落現(xiàn)象，表明隨著干濕循環(huán)的增加，腐蝕破壞逐漸加重，其中混凝土試塊角部更為嚴(yán)重 （如圖1），原因是角部受3個方向腐蝕溶液的同時腐蝕，硫酸鹽侵蝕更為嚴(yán)重，客觀上加劇了破壞的速度。

圖1 混凝土在不同干濕交替腐蝕過程中外觀照片

微觀電鏡掃描 （SEM）結(jié)果表明：0次腐蝕時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密；18次腐蝕時，有結(jié)晶物質(zhì)出現(xiàn)可能為鈣礬石和石膏晶體生成。36次腐蝕時，出現(xiàn)更多孔洞，鈣礬石和石膏晶，微裂很少，裂縫增多，有大量石膏晶體生成。表面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷 （如圖2）。這與混凝土試塊宏觀破壞現(xiàn)象時一致的。現(xiàn)象表明：除了硫酸鹽本身結(jié)晶析出膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力破壞以外，其組分與水泥基組分發(fā)生反應(yīng)，生成強(qiáng)度較低的大晶體物質(zhì)，也造成了強(qiáng)度的降低。

圖2 腐蝕過程中的外觀及SEM圖 （2000倍）

2.2 試驗抗壓強(qiáng)度分析

結(jié)果可以看出，試塊在8次腐蝕循環(huán)后，強(qiáng)度還有所提高。原因是：是硫酸鹽在混凝土中產(chǎn)生了微膨脹，增強(qiáng)了混凝土的密實度，隨循環(huán)次數(shù)持續(xù)的增加，強(qiáng)度開始下降，循環(huán)次數(shù)達(dá)到32次以后強(qiáng)度降低40%左右 （如圖3）?？傮w來看，C30、C35試塊強(qiáng)度降低趨勢基本一致，后期強(qiáng)度損失均呈線性下降趨勢。

圖3 抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)變化

3 測強(qiáng)曲線研究

3.1 超聲法測強(qiáng)曲線

超聲法測強(qiáng)公式回歸示意圖 （如圖4）。

圖4 超聲法測強(qiáng)公式回歸示意圖

超聲波與強(qiáng)度的一元回歸公式見 （表7）。

表7 超聲波與強(qiáng)度的一元回歸結(jié)果

本文采用的多項式、線性方程、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)四種回歸公式，對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，相關(guān)系數(shù)進(jìn)行平均誤差，相對標(biāo)準(zhǔn)差分析，確定多項式平局誤差為6.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為8.5%。從而將多項式類型的回歸公式作為硫酸鹽腐蝕混凝土測強(qiáng)曲線公式。

3.2 回彈法測強(qiáng)曲線

回彈法測強(qiáng)公式回歸示意圖 （如圖5）。

圖5 回彈法測強(qiáng)公式回歸示意圖

回彈值與強(qiáng)度的一元回歸公式 （見表8）。

表8 回彈值與強(qiáng)度的一元回歸結(jié)果

采用同樣方法，確定多項式、線性方程、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)作為回歸方程，根據(jù)相關(guān)系數(shù)、平均誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差分析，確定線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.93、6.4%、17.98%，其誤差最小，為推薦方程形式。

3.3 超聲—回彈綜合法測強(qiáng)曲線

超聲波、回彈值、強(qiáng)度的回歸公式 （見表9）

表9 波速、回彈值與強(qiáng)度回歸結(jié)果

確定多項式、線性方程、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)作為回歸方程，根據(jù)相關(guān)系數(shù)、平均誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差分析，確定線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)、平均誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.95、19.6%、18.0%，其誤差最小，為推薦方程形式。

4 結(jié)論

（1）混凝土受硫酸鹽腐蝕，強(qiáng)度降低嚴(yán)重。

（2）腐蝕后的混凝土抗壓強(qiáng)度、回彈值、超聲波波速之間具有很好的回歸關(guān)系。

（3）超聲法腐蝕后的混凝土測強(qiáng)曲線方程為：f=-477.15+212.25v-21.783v2，回彈法腐蝕后的混凝土測強(qiáng)曲線方程為：f=-2.354+0.682R-0.0085R2，超聲—回彈綜合法超聲法腐蝕后的混凝土測強(qiáng)曲線方程為：f=-257.011+105.578v-10.407v2+1.170R-0.0105R2。

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Research of Strength Figure for Concrete Caused by Sulfate Attack

SUN Zi-yu

Based on accelerated corrosion of wet-dry cycles,the article analyzes the strength figure of tunnel lining concrete caused by sulfate attack.The test results show that the strength loss has big change in subway tunnel lining concrete,and the strength figure of existing is not applicable to this change.The regression of nondestructive testing parameter of rebound,ultrasonic velocity,and damage parameter of compression strength is analyzed to give a conclusion that the strength figure of lining concrete caused by sulfate attack.

wet-dry cycles,sulfate,regression,strength figure

U451+.4

A

1008-3812（2017）04-006-04

2017-06-28

孫子玉 （1996— ），女，遼寧沈陽人。研究方向：材料化學(xué)。