恒載作用下混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗研究

吳 斌 （江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147）

1 引言

在東部沿海地區(qū)及西部鹽漬地區(qū)，硫酸鹽的侵蝕已經(jīng)成為影響混凝土耐久性的重要因素之一。尤其是東部沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，由于水位變動區(qū)、浪濺區(qū)的存在，在硫酸鹽與干濕循環(huán)的雙重作用下，更加劇了混凝土的腐蝕[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土的硫酸鹽侵蝕進行了大量的研究，然而大多數(shù)的研究成果只是建立在硫酸鹽單因素或硫酸鹽-干濕循環(huán)雙因素的環(huán)境上[2]。而在實際情況中，混凝土結(jié)構(gòu)往往處于荷載-硫酸鹽-干濕循環(huán)多因素的環(huán)境中，損傷機理也會更為復(fù)雜[3-6]。

本文通過在室內(nèi)模擬軸心受壓狀態(tài)下混凝土試件的硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程，以質(zhì)量、抗壓強度及動彈性模量為評價指標(biāo)，以荷載水平為研究參數(shù)，分析不同荷載水平下硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕對混凝土力學(xué)性能的影響。

2 試驗方案

2.1 試件原材料及配合比

本次試驗混凝土試件強度采用C40，膠凝材料用量控制為440kg/m3，設(shè)計水膠比為0.34。其中，水泥采用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥；礦物摻和料采用Ⅰ級粉煤灰與S95級礦粉；細集料采用細度模數(shù)2.90的中砂；粗集料級配為5mm～25mm連續(xù)級配；減水劑摻量為膠凝材料總量的2%。礦物摻合料等量取代水泥，粉煤灰摻量為20%，磨細礦粉摻量為40%，配合比如表1所示[1]。試件經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后測得試件軸心抗壓強度為38.86MPa。

混凝土配合比（kg/m3） 表1

2.2 試驗方法

本次試驗采用尺寸為150mm×150mm×300mm的標(biāo)準(zhǔn)軸心抗壓強度試件，共制作48塊試件，其中40塊試件用于質(zhì)量及軸心抗壓強度的測試，分為4組，每組10塊，剩余8塊試件用于動彈性模量的測試。將試件置于全自動混凝土硫酸鹽侵蝕試驗機中進行硫酸鹽的干濕循環(huán)侵蝕試驗，設(shè)置硫酸鹽溶液濃度為5%[1]。

混凝土試件軸心荷載的加載裝置如圖1所示。本加載裝置通過加載后擰緊螺栓保持對混凝土試件的持續(xù)加載。該裝置中的高強螺桿與底座固定，頂座在對應(yīng)位置開孔便于螺桿穿入，加載裝置各部件均做好防腐處理。采用千斤頂配合加壓裝置對混凝土試件進行施載，施載至預(yù)定荷載后擰緊螺栓，千斤頂卸載后移出，完成試件的加載，施載裝置如圖2所示。

圖1 試件加載裝置

圖2 試件施載裝置

考慮到混凝土徐變效應(yīng)的存在，會導(dǎo)致試件實際承受的荷載小于試驗預(yù)定荷載，因此對試件進行加強養(yǎng)護，試件澆筑完成后進行高溫蒸養(yǎng)24h，拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d，之后自然養(yǎng)護60d。試件進入干濕循環(huán)周期后每隔5d對施加的荷載進行觀測調(diào)整，確保試件處于恒載狀態(tài)。

試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后，設(shè)置在20～25℃的5.0%硫酸鈉溶液中浸泡15h后風(fēng)干1h，再進行溫度為80±5℃的烘干6h，最后降溫2h為一個干濕循環(huán)周期，為保證硫酸根離子濃度，每隔15d更換一次溶液。在混凝土試件經(jīng)歷0、30、60、90、120、150次循環(huán)后進行質(zhì)量、抗壓強度及動彈性模量的測試。本試驗棱柱體混凝土試件的動彈性模量采用超聲儀測定，將棱柱體試件的長度（mm）除以測得的聲時（us）得到超聲聲速（m/s）通過聲速來比較試件動彈性模量的變化[1]。

本次試驗共設(shè)置四檔荷載水平，分別為試件承載能力極限值的0%，10%，20%，30%。通過28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件軸心抗壓強度實測值確定四檔荷載水平分別為0kN，87.4kN，174.9kN，262.3kN，為方便操作，選擇施加0kN，90kN，180kN，270kN荷載。

2.3 檢測指標(biāo)

采用相對質(zhì)量Km=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后質(zhì)量的變化情況，其中mi（kg）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后混凝土試件的質(zhì)量，i=0，30，60，90，120，150（0表示未受侵蝕）；m28（kg）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后混凝土試件的質(zhì)量。

采用軸心相對抗壓強度系數(shù)KP=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后軸心抗壓強度的變化情況，其中Pi（kPa）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后混凝土試件的軸心抗壓強度，此處i同上；P28（kPa）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后混凝土試件的軸心抗壓強度。

采用相對動彈模系數(shù)Kv=表征混凝土試件受硫酸鹽侵蝕后動彈模量的變化情況，其中：vi（m/s）表示經(jīng)歷i次循環(huán)后后聲音在混凝土試件中的傳播速度，此處i同上；v28（m/s）表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后聲音在混凝土試件中的傳播速度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試件質(zhì)量的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對質(zhì)量Km的變化曲線可見，各組試件的質(zhì)量在試驗初期均出現(xiàn)一個小幅的增長階段，隨著試驗的進行，各組試件的質(zhì)量普遍呈下降趨勢。試件質(zhì)量的損失主要與表觀損失有關(guān)。在試驗后期，各組試件均出現(xiàn)了表層剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致試件質(zhì)量的降低。在經(jīng)歷150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件質(zhì)量最終損失率分別為3.4%、5.6%、8.6%、10.8%，試件質(zhì)量的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件的質(zhì)量經(jīng)歷了60次干濕循環(huán)后開始衰減，經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后質(zhì)量損失達到最大。可見，在試驗初期，由于持續(xù)荷載的存在，混凝土內(nèi)部孔隙受到壓縮，在一定程度上抑制了硫酸鹽侵蝕的發(fā)生，但隨著侵蝕作用的進行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響反而對硫酸鹽的侵蝕起到了促進作用，從而加劇了試件的破壞。

圖3 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Km的變化曲線

3.2 試件抗壓強度的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對抗壓強度系數(shù)Kp的變化曲線可見，混凝土試件在整個試驗周期中抗壓強度的變化趨勢與質(zhì)量變化趨勢大致相同，同樣出現(xiàn)了先增長后衰減的趨勢。在經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件抗壓強度最終損失率分別為6.8%、9.5%、12.4%、17.7%，試件抗壓強度的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。混凝土試件抗壓強度在試驗初期增長是因為孔隙內(nèi)侵蝕產(chǎn)物和硫酸鹽結(jié)晶共同作用對試件產(chǎn)生了預(yù)拉應(yīng)力，與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件在試驗初期抗壓強度增長幅度較小，但隨著侵蝕作用的進行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響反而加劇了硫酸鹽的侵蝕，導(dǎo)致混凝土試件的抗壓性能急劇下降。

圖4 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Kp的變化曲線

3.3 試件動彈模量的變化

由干濕循環(huán)作用下各組混凝土試件相對動彈模系數(shù)Kv的變化曲線可見，不同于Km及KP曲線，各組試件的動彈性模量呈持續(xù)下降的趨勢。在侵蝕初期，混凝土的動彈性模量并未出現(xiàn)增長階段，這說明在侵蝕初期，硫酸鹽的干濕循環(huán)作用已經(jīng)對混凝土內(nèi)部造成了損傷并導(dǎo)致了細微裂縫的出現(xiàn)。隨著侵蝕作用的進行，混凝土內(nèi)部裂縫逐漸增多且擴展，造成了動彈性模量的持續(xù)損失。在經(jīng)歷了150次干濕循環(huán)后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷載的試件動彈性模量最終損失率分別為14.8%、20.2%、24.6%、29.8%，試件動彈性模量的最終損失率與施加的荷載水平呈正比關(guān)系。與未施加荷載試件相比，施加270kN荷載試件在試驗初期動彈性模量的損失更小，但隨著侵蝕作用的進行，持續(xù)荷載作用加劇了試件動彈性模量的損失。

圖5 干濕循環(huán)作用下混凝土試件Kv的變化曲線

通過對比，在整個試驗過程中，混凝土試件動彈性模量的變化趨勢與質(zhì)量、抗壓強度的變化趨勢均不同。試件的動彈性模量并未出現(xiàn)上升趨勢，說明在侵蝕初期，硫酸鹽的干濕循環(huán)作用已經(jīng)對混凝土內(nèi)部造成了損傷并產(chǎn)生了微裂縫，但這種現(xiàn)象并不能從試件質(zhì)量及抗壓強度指標(biāo)的變化上反映出來。因此，混凝土動彈性模量的變化規(guī)律能夠更好的反映混凝土試件在整個試驗周期中的受侵蝕情況。

4 結(jié)論

①混凝土試件的動彈性模量指標(biāo)較質(zhì)量及抗壓強度指標(biāo)對硫酸鹽的侵蝕更為敏感，能夠更好的反映出混凝土內(nèi)部的損傷情況。

②本次試驗中，當(dāng)試件受到270kN持續(xù)荷載作用時，經(jīng)歷了150次硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后，混凝土試件的質(zhì)量損失率、抗壓強度損失率、動彈性模量損失率均最大?；炷猎嚰锢碇笜?biāo)的最終損失率與所施加的荷載水平呈正比關(guān)系。

③外界持續(xù)荷載作用對早期混凝土硫酸鹽侵蝕能夠起到一定的抑制作用，但隨著侵蝕作用的進行，持續(xù)荷載對混凝土試件的影響會加劇硫酸鹽的侵蝕，導(dǎo)致混凝土試件的加速劣化。