凍融循環(huán)及硫酸鹽侵蝕對混凝土耐久性的影響研究

孫剛鋒， 緱彥強(qiáng)

(1.陜西省涇惠渠灌溉管理局， 陜西 咸陽 713800；2.水電四局投資開發(fā)有限公司， 青海 西寧 810007)

水工混凝土是水工建筑物中的主要建筑材料。在我國高寒地區(qū)，水工混凝土受到大溫差、強(qiáng)腐蝕的自然因素的影響，其力學(xué)性能及耐久性能都會受到較大的影響[1]。因此，復(fù)雜環(huán)境下的水工混凝土耐久性及力學(xué)性能研究對于水工混凝土在高寒地區(qū)的推廣具有重要的意義[2]。

近5年—10年來，國內(nèi)外學(xué)者對于水工混凝土在凍融循環(huán)以及硫酸鹽侵蝕研究方面取得了一定的進(jìn)展[3-9]。研究發(fā)現(xiàn)：普通混凝土的質(zhì)量損失率在凍融循環(huán)的過程中出現(xiàn)緩慢增大的趨勢，然而其相對動彈性模量出現(xiàn)減小的趨勢；當(dāng)混凝土凍融循環(huán)的介質(zhì)為鹽水時，鹽凍情況下對于水工混凝土的損傷一般會大于其在清水介質(zhì)中的損傷；在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加一定量的礦物摻合料及外加劑(引氣劑及減水劑)的混凝土比未摻加的混凝土抗凍性較強(qiáng)；高強(qiáng)度等級的混凝土的抗凍性較好。苑立冬等[10]發(fā)現(xiàn)在硫酸鎂溶液和較低濃度的硫酸鈉溶液中進(jìn)行混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，相比在較高濃度的硫酸鈉溶液中進(jìn)行混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)，前者對于混凝土的損傷更加嚴(yán)重。而孫迎召等[11]通過試驗(yàn)研究表明了相反的觀點(diǎn)：高濃度的硫酸鈉溶液反而加劇了混凝土的抗凍性。

目前，國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)研究了在單一因素作用下的混凝土的耐久性，而在混凝土實(shí)際服役環(huán)境中，大多是多種因素共同影響混凝土的耐久性。因此，硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下的混凝土的耐久性是目前急需研究的科學(xué)問題。本文對單一因素和多因素作用下混凝土的耐久性進(jìn)行綜合考慮，對比分析混凝土的耐久性，為實(shí)際工程的設(shè)計提供依據(jù)，以期延長混凝土在極端服役環(huán)境下的服役壽命。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中混凝土配合比為某混凝土面板堆石壩面板混凝土，采用安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(強(qiáng)度等級為42.5)，選用的粗骨料為粒徑5 mm～30 mm的二級配天然卵石，細(xì)骨料為河砂(細(xì)度模數(shù)2.68)。試驗(yàn)還選用了寶鋼電廠的Ⅱ級粉煤灰，以及聚羧酸高效減水劑和三萜皂甙引氣劑兩種外加劑。

1.2 混凝土配合比設(shè)計

本試驗(yàn)將粗骨料分為兩個級配(5 mm～20 mm和20 mm～30 mm)，等比例混合?；炷僚浜媳葒?yán)格按照規(guī)范《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[12](SL 352—2006)設(shè)計，配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)的試件為圓柱體試件，尺寸為Φ100 mm×200 mm。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13](GB/T 50082—2009)(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，將混凝土試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后再進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

按照《標(biāo)準(zhǔn)》[13]中的“快速凍融循環(huán)”方法進(jìn)行試驗(yàn)。將混凝土試件分為6組，每組3個試件，共計18個試件。當(dāng)試件到達(dá)預(yù)定齡期的前4 d，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中取出，放入(20±2)℃的水中浸泡4 d，從浸泡液中取出后將試件置于凍融循環(huán)機(jī)中開始混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)(見圖1)，并且將溫度設(shè)定為-18℃～5℃。

圖1混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.3.2 硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)的試件共分5組，每組3個。侵蝕溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鈉溶液。養(yǎng)護(hù)至26 d時，將試件取出并擦干表面后放入烘干箱中，烘干2 d。烘干后將其自然冷卻至室溫后再進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)采用干濕循環(huán)方法，將試件置于硫酸鹽干濕循環(huán)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)見圖2。

圖2混凝土硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

1.3.3 硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)交替試驗(yàn)

將混凝土試件分為5組，每組3個試件，共計15個試件。參照1.3.1節(jié)和1.3.2節(jié)的試驗(yàn)步驟，以15次硫酸鹽干濕循環(huán)和20次混凝土凍融循環(huán)為1次交替試驗(yàn)，本試驗(yàn)一共進(jìn)行交替試驗(yàn)5次。

不同因素作用下的混凝土試件表面情況如圖3所示。

圖3不同因素作用后的混凝土試件表面損傷情況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融試驗(yàn)中混凝土質(zhì)量損失率變化及相對動彈性模量演變規(guī)律分別見圖4、圖5。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的質(zhì)量損失率

圖5不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的相對動彈性模量

根據(jù)圖4可以分析，混凝土試件的質(zhì)量損失率在前20次循環(huán)過程中為負(fù)值，表明在這一過程中混凝土的質(zhì)量出現(xiàn)了增加。此時混凝土的質(zhì)量損失率為-0.07%，即質(zhì)量增大。雖然在試驗(yàn)初期，試件表面會出現(xiàn)少量的砂漿脫落的現(xiàn)象，但由于試件內(nèi)部存在的原有孔隙會吸入水分，這會導(dǎo)致吸水量大于砂漿脫落的質(zhì)量，引起試件的質(zhì)量損失率下降。試件受到凍融循環(huán)次數(shù)的影響，試件原有的凍脹破壞進(jìn)一步加劇，試件表面裂縫的寬度及數(shù)量都有所增加，從而出現(xiàn)砂漿的大面積脫落現(xiàn)象，質(zhì)量在此時增大了0.07%。然而在凍融循環(huán)20次以后，試件基本處于飽和狀態(tài)，吸水量非常小，質(zhì)量此時就開始減少，在100次凍融循環(huán)作用后質(zhì)量減少了0.5%。

從圖5可以看出，混凝土試件的相對動彈性模量在凍融循環(huán)作用次數(shù)增加的情況下逐漸減小。在凍融循環(huán)20次、60次、100次后試件的相對動彈性模量分別下降了0.94%、2.65%、7.19%。由圖5中的整體變化趨勢我們可以看出：凍融初期，由于混凝土試件中本身存在部分缺陷，在凍融循環(huán)作用下內(nèi)部微裂紋進(jìn)行了少量擴(kuò)展，相對動彈性模量下降速度相穩(wěn)定，損傷不大，因而在該階段混凝土試件的相對動彈性模量下降的速度緩慢；凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融影響作用也愈加強(qiáng)烈，在老裂縫不斷擴(kuò)展的同時開始出現(xiàn)新的裂縫，混凝土試件的損傷程度增大，相對動彈性模量的下降速度隨之加快[14]。

2.2 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)

不同硫酸鹽干濕循環(huán)作用下混凝土試件的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的質(zhì)量損失率

圖7不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的相對動彈性模量

由圖6可知，增加硫酸鹽干濕循環(huán)的次數(shù)可以使試件的質(zhì)量損失率先降低后提高，試件的最大質(zhì)量出現(xiàn)在硫酸鹽干濕循環(huán)為60次?？赡苁怯捎诨炷亮蛩猁}干濕循環(huán)過程中發(fā)生結(jié)晶物的累積，石膏和鈣礬石等晶體堆積在混凝土毛細(xì)孔中，最終表現(xiàn)出質(zhì)量的增加。然而，硫酸鹽干濕循環(huán)的后期，晶體不再生成，劣化程度的加大使混凝土表面呈現(xiàn)掉渣，故質(zhì)量降低。

由圖7可知，隨著硫酸鹽干濕循環(huán)作用的增多，試件的相對動彈性模量先提高后降低，并在60次硫酸鹽干濕循環(huán)作用處于最高值。原因是侵入混凝土內(nèi)部的硫酸鹽會與混凝土結(jié)晶反應(yīng)生成石膏等。在較少次數(shù)的循環(huán)作用下，石膏等表現(xiàn)出的填充作用可以增加混凝土的密實(shí)度，故增大了動彈性模量；隨后由于石膏等含量的增多，其表現(xiàn)出的膨脹作用增強(qiáng)，加快了試件內(nèi)部裂縫的發(fā)展，破壞了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，故動彈性模量值隨之降低[15-17]。

2.3 凍融與硫酸鹽侵蝕耦合試驗(yàn)

試驗(yàn)中不同時期的混凝土質(zhì)量損失率和相對動彈性模量變化規(guī)律分別如圖8、圖9所示。

圖8 不同交替循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的質(zhì)量損失率

圖9不同交替循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的相對動彈性模量

根據(jù)圖8不難看出，隨著交替循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失率變化的趨勢為先減小后增大。經(jīng)過2次、3次和5次交替循環(huán)后，其質(zhì)量損失率分別為-1.67%、0.13%以及2.13%。交替作用下混凝土質(zhì)量損失率變化主要表現(xiàn)為以下兩個階段：

(1) 質(zhì)量損失率勻速下降階段。這段時間內(nèi)由于硫酸鹽與混凝土內(nèi)部堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且試件中的毛細(xì)孔會吸收部分水分，因此混凝土的質(zhì)量會有所增加；而在這個階段交替循環(huán)的次數(shù)較少，對混凝土的損傷較輕，試件表面砂漿的脫落現(xiàn)象并不嚴(yán)重，質(zhì)量的損失也較少。因此，綜合來看混凝土的質(zhì)量在此階段有一定的增加。

(2) 質(zhì)量損失率加速上升階段。分析原因一方面是由于硫酸鹽在混凝土內(nèi)部反應(yīng)造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙膨脹擴(kuò)展；另一方面是因?yàn)殡S著交替侵蝕試驗(yàn)的進(jìn)行，凍融作用造成混凝土的表層砂漿嚴(yán)重脫落，從而加速了硫酸鹽溶液進(jìn)入到混凝土孔隙內(nèi)部。因此，混凝土試件的質(zhì)量開始減小，且減小的速度有加快的趨勢。

根據(jù)圖9可以分析，在第1次循環(huán)之后混凝土的相對動彈性模量有所增加，增幅為0.36%。然而隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，其相對動彈性模量開始逐漸降低，當(dāng)交替循環(huán)為2次和5次時，相對動彈性模量分別降低至99.72%和86.39%。

上述的相對動彈性模量的變化規(guī)律表明：混凝土的相對動彈性模量在前2次交替循環(huán)試驗(yàn)的過程中變化并不明顯。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，混凝土內(nèi)部硫酸鹽作用的反應(yīng)產(chǎn)物會產(chǎn)生膨脹壓力，從而造成混凝土內(nèi)部的微小結(jié)構(gòu)孔隙出現(xiàn)破碎。此外，凍融作用不僅會使混凝土內(nèi)部的缺陷繼續(xù)擴(kuò)展，也會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生新的缺陷，而新的缺陷也會在后續(xù)的試驗(yàn)中得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，加大混凝土的損傷程度。因此，相對動彈性模量在這個階段下降的速度加大。

2.4 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕單一試驗(yàn)結(jié)果疊加平均值與交替試驗(yàn)結(jié)果對比分析

圖10顯示，當(dāng)凍融循環(huán)以及硫酸鹽干濕循環(huán)進(jìn)行相同的次數(shù)時，交替進(jìn)行相比兩種因素分別進(jìn)行再疊加混凝土試樣的質(zhì)量損失率較大。在兩種因素進(jìn)行的次數(shù)不多時(凍融循環(huán)小于等于30次，硫酸鹽干濕循環(huán)小于等于40次)，交替進(jìn)行與兩種因素分別進(jìn)行再疊加之后對混凝土試樣的質(zhì)量損失率的影響基本一致。在交替循環(huán)5次以后，混凝土試件開始出現(xiàn)質(zhì)量減小的現(xiàn)象，其質(zhì)量損失率大致為1.03%；同等試驗(yàn)條件下，在兩種因素分別進(jìn)行時，其最終疊加的質(zhì)量損失率情況為-2.53%，此種情況表明了混凝土試樣的質(zhì)量在增加。結(jié)合以上兩種情況的分析結(jié)果，可以得出兩種因素分別進(jìn)行再疊加得到的質(zhì)量損失率結(jié)果相比交替進(jìn)行的結(jié)果其差值大致為3.56%?？梢缘贸?，交替進(jìn)行時兩種因素之間起到了相互促進(jìn)的作用，最終導(dǎo)致了被測試樣的加速破壞。

圖10凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕單一試驗(yàn)質(zhì)量損失率疊加平均值與交替試驗(yàn)質(zhì)量損失率

圖11顯示，交替作用進(jìn)行次數(shù)較少的情況下，交替進(jìn)行相比兩種因素分別進(jìn)行再疊加混凝土試樣的相對動彈性模量差別不大。隨著交替循環(huán)的進(jìn)行，在相同的試驗(yàn)條件下，交替試驗(yàn)和兩種因素分別進(jìn)行再疊加之間出現(xiàn)的差值也在逐步擴(kuò)大。

圖11凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕單一試驗(yàn)相對動彈性模量疊加平均值與交替試驗(yàn)相對動彈性模量

在凍融循環(huán)進(jìn)行次數(shù)不大于60次，同時硫酸鹽干濕循環(huán)進(jìn)行次數(shù)不大于45次的情況下，兩種因素分別進(jìn)行再疊加對混凝土的相對動彈性模量的影響相對較小，但是隨著循環(huán)次數(shù)的逐步增加，它們的疊加平均值出現(xiàn)減小的趨勢。比如，在兩種因素進(jìn)行的次數(shù)較少(凍融循環(huán)次數(shù)為40，硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)小于等于30)的情況下，混凝土試樣的相對動彈性模量值大致為99.72%，而在同等的試驗(yàn)條件下，其相對動彈性模量呈現(xiàn)出來的交替作用值為97.85%，其前后的差值為0.41%；在兩種因素侵蝕進(jìn)行的次數(shù)較多時(凍融循環(huán)次數(shù)為100，硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)小于等于75)，其混凝土剩余相對動彈性模量為97.85%，然而交替作用下混凝土剩余相對動彈性模量為86.39%，可以看出前者比后者的相對動彈性模量高出6.42%。因此可以得出，在同等的凍融循環(huán)以及硫酸鹽干濕循環(huán)情況下，兩種因素交替進(jìn)行對混凝土試樣的破壞作用要明顯大于單一因素的作用。

3 結(jié) 論

(1) 在單一凍融、硫酸鹽侵蝕及二者耦合作用下，混凝土的質(zhì)量損失率均先減小后增大，且在單一硫酸鹽侵蝕作用下質(zhì)量損失率的減小幅度最大，經(jīng)60次硫酸鹽侵蝕作用后質(zhì)量損失率達(dá)到最小。

(2) 在單一凍融下，混凝土的相對動彈性模量表現(xiàn)為逐漸降低；在單一硫酸鹽侵蝕、凍融與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，混凝土試樣的相對動彈性模量出現(xiàn)了開始小幅度增加之后又逐步減小的趨勢。

(3) 在相同凍融循環(huán)以及硫酸鹽干濕循環(huán)作用條件下，兩種因素的交替作用對混凝土的破壞并沒有呈現(xiàn)出各個因素的簡單疊加情況，而是這兩種因素之間呈現(xiàn)出相互促進(jìn)的作用，從而導(dǎo)致了混凝土試樣的加速破壞。