軌道交通工程混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境影響下的性能研究**

丁路靜，羅作球，張凱峰，李磊，李微，何明慶，李永，金利杰

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063）

0 引言

近海及濱海地區(qū)由于其地理位置及所處環(huán)境特殊性，發(fā)展城市軌道交通比普通地區(qū)面臨更大的挑戰(zhàn)，對城市軌道交通結(jié)構(gòu)的防腐性能及耐久性能提出更高的要求[1-2]。天津濱海新區(qū)軌道交通工程，設(shè)計使用年限為100 年，混凝土建設(shè)和使用環(huán)境較為惡劣，工程勘察資料顯示，該項目地處地質(zhì)環(huán)境十分復雜的濱海鹽漬土地區(qū)，全線面臨多處硫酸根離子含量超過 4000mg/L 的地下水，地下混凝土結(jié)構(gòu)將會遭受嚴重的硫酸鹽侵蝕[3]；因此對混凝土進行硫酸鹽侵蝕的長期浸泡試驗工作是很有必要的[4-5]。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥采用冀東 P·O42.5 水泥，3d 抗壓強度33.6MPa，28d 抗壓強度 55.0MPa；粉煤灰采用瀚海北疆 Ⅱ 級粉煤灰，需水量比 99%，細度 22%，燒失量1.5%；礦粉采用瑞豐 S95 級礦粉，7d 活性指數(shù) 78%，28d 活性指數(shù) 95%；外加劑采用中建聚羧酸減水劑和引氣劑；拌合水采用自來水；細骨料采用細度模數(shù) 2.4 的綏中天然河砂；粗骨料采用綏中連續(xù)級配 5～25mm 的青石。

1.2 試驗方法

本文采用長期全浸泡試驗方法，對混凝土進行硫酸鹽侵蝕環(huán)境下性能研究。硫酸鹽侵蝕溶液為濃度5%、10%、15% 的硫酸鈉溶液，設(shè)計混凝土強度等級為 C40、C45、C50 三種強度等級，混凝土標準養(yǎng)護到28d、60d 開始進行全浸泡侵蝕試驗，檢測混凝土試塊在不同侵蝕時間的抗壓強度和質(zhì)量的變化，作為混凝土性能評價指標。混凝土配合比如表 1 所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果分析

2.1 硫酸鹽侵蝕溶液濃度對混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C45 混凝土標準養(yǎng)護 28d 后，在不同濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長期浸泡后的性能變化。

2.1.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律（表 2）

表2 混凝土的質(zhì)量變化率 %

從表 2 中可以看出，在本試驗研究期間，混凝土試件的質(zhì)量均是增加的，且隨著侵蝕時間的延長而持續(xù)增長。在不同環(huán)境下，混凝土試件質(zhì)量增長速率有所不同，從侵蝕 30d 到 90d，0% 的溶液中混凝土質(zhì)量變化率增長了 0.11%，而在 15% 的溶液中增加了 0.37%，混凝土在 15% 濃度的硫酸鹽侵蝕溶液中，質(zhì)量增長速率達到最大。在同一侵蝕時間內(nèi)，硫酸鹽侵蝕溶液濃度越大，混凝土質(zhì)量變化率越大，混凝土質(zhì)量增加得越多。這是由于硫酸鹽溶液濃度越大，溶液中含有的硫酸根離子越多，進入到混凝土內(nèi)部能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的硫酸根離子也更多，反應(yīng)生成更多的的鈣礬石和石膏晶體，進而混凝土質(zhì)量增長得也更快。

2.1.2 混凝土強度變化規(guī)律

混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時間的抗壓強度結(jié)果見表 3 和圖 1。

表3 混凝土的抗壓強度 MPa

圖1 混凝土的抗壓強度

從表 3 和圖 1 中可以看出，混凝土在不同濃度的硫酸鹽侵蝕溶液中抗壓強度變化規(guī)律不同。在濃度為 0%和 5% 的溶液中，混凝土抗壓強度是隨侵蝕時間延長而增加，強度分別增長了 5% 和 6.8%；在 5% 的侵蝕溶液中，強度增加幅度更大，這是由于在侵蝕溶液中，混凝土中未水化的膠凝材料進一步水化，生成水化產(chǎn)物，提高混凝土抗壓強度；同時由于硫酸鹽溶液與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石和石膏晶體，鈣礬石和石膏晶體填充了混凝土試塊的毛細空隙，增加了結(jié)構(gòu)的密實性，使混凝土抗壓強度有所提高。在 10% 的侵蝕溶液中，混凝土強度隨侵蝕時間延長先增加后降低，在 15% 的侵蝕溶液中，混凝土強度隨侵蝕時間的延長而降低。這是因為隨侵蝕時間延長，混凝土水化產(chǎn)物與硫酸根離子反應(yīng)生成的鈣礬石和石膏晶體，使混凝土產(chǎn)生過大的膨脹力，混凝土發(fā)生開裂，抗壓強度出現(xiàn)降低趨勢。在 10%濃度的侵蝕溶液中，混凝土在侵蝕 90d 時出現(xiàn)強度降低，而 15% 的侵蝕溶液中，混凝土侵蝕 60d 時就出現(xiàn)了強度降低趨勢，這說明混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能隨硫酸根離子濃度的增加而減弱。

2.2 侵蝕前的養(yǎng)護時間對混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C45 混凝土標準養(yǎng)護 28d 和標準養(yǎng)護 60d 后，在不同濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長期浸泡后的性能變化。

2.2.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律

不同養(yǎng)護時間下混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時間的質(zhì)量變化率見表 4。

表4 不同養(yǎng)護時間下混凝土的質(zhì)量變化率 %

從表 4 中可以看出，標準養(yǎng)護 60d 后，再對混凝土進行硫酸鹽侵蝕試驗，混凝土質(zhì)量同樣出現(xiàn)了不同程度的增長，且隨著侵蝕時間的延長而持續(xù)增長，但質(zhì)量變化率均要小于標準養(yǎng)護 28d 的混凝土試件。在 15% 的侵蝕溶液中侵蝕 60d 時，養(yǎng)護 28d 的混凝土質(zhì)量變化率為 0.51%，而養(yǎng)護 60d 的質(zhì)量變化率僅為 0.26%。在養(yǎng)護 60d 時，侵蝕溶液濃度從 0% 到 15%，在侵蝕 30d時，混凝土質(zhì)量變化率增加了 0.11%，而養(yǎng)護 28d 的增加了 0.14%。在侵蝕 60d 時，前者增加了 0.15%，后者增加了 0.26%。這可能是因為隨著養(yǎng)護齡期的延長，膠凝材料持續(xù)水化反應(yīng)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，養(yǎng)護齡期越長，混凝土結(jié)構(gòu)越密實，硫酸根離子越難進入到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

2.2.2 混凝土強度變化規(guī)律

不同養(yǎng)護時間下混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時間的抗壓強度見表 5 和圖 2。

表5 不同養(yǎng)護時間下混凝土的抗壓強度 MPa

從表 5 和圖 2 中可以看出，在侵蝕 30d 時，標準養(yǎng)護 60d 后混凝土再進行硫酸鹽侵蝕試驗，混凝土抗壓強度隨侵蝕溶液濃度的增加而有所增長，養(yǎng)護 60d 的混凝土強度隨濃度的增加分別增長了 0.2MPa、0.5MPa和 1.1MPa，養(yǎng)護 28d 的混凝土強度則分別增長了1.5MPa、3.3MPa 和 6.3MPa，對比標準養(yǎng)護 28d 的混凝土試件，抗壓強度增長程度與后者相比小很多。在侵蝕60d 時，標準養(yǎng)護 60d 的混凝土抗壓強度同樣隨侵蝕溶液濃度的增加而增加，但養(yǎng)護 28d 的混凝土則呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，前者強度變化值也要小于后者。標準養(yǎng)護 60d 在進行侵蝕試驗的混凝土，混凝土強度隨侵蝕溶液濃度從 0% 到 5%、10% 和 15%，在侵蝕 30d 時強度分別增長了 0.2MPa、0.5MPa 和 1.1MPa，在侵蝕60d 時，強度分別增加了 0.4MPa、0.8MPa 和 1.7MPa，強度增長值很小，基本可以忽略，由此可以看出在標準養(yǎng)護 60d 后在進行侵蝕試驗，混凝土抗壓強度受硫酸鹽侵蝕溶液濃度影響很小。這說明混凝土具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

圖2 不同養(yǎng)護時間下混凝土的抗壓強度

2.3 混凝土強度等級對混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C40、C45、C50 混凝土標準養(yǎng)護28d 后，在 10% 濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長期浸泡后的性能變化。

2.3.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律

不同強度等級混凝土在 10% 硫酸鹽侵蝕溶液中質(zhì)量變化率見表 6。

表6 不同強度等級混凝土質(zhì)量變化率 %

從表 6 可以看出，不同強度等級混凝土隨侵蝕時間的延長，質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度的增長，其中 C40 混凝土質(zhì)量增長最快。從侵蝕 30d 到侵蝕 90d，C40 混凝土質(zhì)量變化率增加了 0.41%，而 C45 和 C50 混凝土分別增加了 0.24% 和 0.10%，C40 混凝土質(zhì)量變化程度也均要高于 C45 和 C50 混凝土。這可能是因為混凝土強度等級越低，混凝土內(nèi)部存在的孔隙缺陷越多，硫酸根離子越容易進入到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，與混凝土水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的鈣礬石和石膏晶體越多，混凝土質(zhì)量增長得就越快。

2.3.2 混凝土強度變化規(guī)律

不同強度等級混凝土在 10% 硫酸鹽侵蝕溶液中抗壓強度見表 7 和圖 3。

從表 7 和圖 3 中可以看出，C40 強度等級混凝土隨侵蝕時間的延長，抗壓強度逐漸減小，C45 強度等級混凝土抗壓強度則隨侵蝕時間的延長，先增加后減小，C50 強度等級混凝土抗壓強度隨侵蝕時間的延長而增加。由此可知，混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能由強到弱依次為 C50＞C45＞C40。這可能是因為 C40 強度等級混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實相對較差，進入到混凝土內(nèi)部的硫酸根離子相對較多，發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石和石膏晶體較多，膨脹應(yīng)力較大，使混凝土內(nèi)部發(fā)生破壞，混凝土強度降低；而 C45 強度等級混凝土結(jié)構(gòu)相對致密，硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力相對較小，不能對混凝土造成破壞，同時鈣礬石和石膏晶體填充在混凝土內(nèi)部缺陷中，使混凝土強度增加，但隨著侵蝕時間的延長，進入到混凝土中的硫酸根離子逐漸增多，反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增大，對混凝土造成破壞，混凝土強度降低。

表7 不同強度等級混凝土的抗壓強度 MPa

圖3 不同強度等級混凝土的抗壓強度

3 結(jié)論

（1）侵蝕前的養(yǎng)護齡期很重要，養(yǎng)護齡期越長，混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能越強。標準養(yǎng)護 60d 后再進行侵蝕試驗，混凝土的質(zhì)量和抗壓強度均受硫酸鹽侵蝕溶液濃度影響很小。

（2）混凝土強度等級不同，受侵蝕程度也有很大不區(qū)別，強度等級越低，硫酸鹽侵蝕破壞越大，開始表現(xiàn)出強度降低的時間也越早。

（3）本文試驗周期內(nèi)，混凝土質(zhì)量始終表現(xiàn)出增長趨勢，混凝土抗壓強度則出現(xiàn)下降趨勢，相對混凝土質(zhì)量損失，混凝土強度損失要敏感許多。