不同溫度下水泥砂漿抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究

吳培元

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

修建大型基建工程時(shí),會(huì)用到大量的混凝土結(jié)構(gòu),然而很多地區(qū)存在著硫酸鹽,危害混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命,研究混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性是不容忽視的問題。

一百多年前已有混凝土抗硫酸鹽侵蝕的相關(guān)文獻(xiàn),并取得了很多研究成果,主要涉及以下幾方面:水泥成分、水膠比、硫酸溶液濃度、不同種類粉煤灰、混凝土中摻入鋇鹽等對于混凝土抗侵蝕性的影響[1-4]。如Monteiro等[5]認(rèn)為水膠比和水泥的成分對混凝土抗侵蝕產(chǎn)生影響;亢景富[6]認(rèn)為影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能與水泥中C3A的含量有關(guān),并提出許多有效建議。方祥位等[7]進(jìn)行了溫度(21 ℃、38 ℃、50 ℃)對混凝土抗侵蝕性的研究并得出重要結(jié)論,但沒有研究低溫對混凝土的影響。王云天等[8]研究了低溫對于混凝土抗侵蝕性影響,但只分析了對抗折強(qiáng)度影響。所以通過不同溫度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)干濕循環(huán)模式下,研究不同水灰比不同水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能,主要針對溫度因素對于侵蝕后混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率及相對動(dòng)模量4個(gè)指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

材料:水泥采用普通硅酸鹽水泥和中抗硫水泥2種;骨料為中級砂,級配良好,細(xì)度模數(shù)2.7;侵蝕溶液為硫酸鎂溶液,用市售無水硫酸鎂配水而成。

儀器:電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、全自動(dòng)液壓恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)、電子秤、動(dòng)模量測定儀。

1.2 試驗(yàn)方法

試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm,水灰比(質(zhì)量比)為0.5和0.36 2種,詳細(xì)的配合比數(shù)據(jù)見表1。

表1 砂漿配合比Table 1 Mortar proportioning

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)是在3種溫度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)下分別將編號A5、B5、A3、B3的水泥砂漿試塊放入干濕循環(huán)模擬保溫箱內(nèi),進(jìn)行干濕循環(huán)。

試驗(yàn)采用干濕循環(huán)模式,即標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,在80 ℃烘24 h冷卻至室溫,分別在3種溫度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)下浸泡48 h,用80 ℃的高溫烘干20 h,冷卻4 h,然后進(jìn)入下一次循環(huán),一次循環(huán)為3 d,共循環(huán)60次,共計(jì)180 d。每10次循環(huán)后測量一次水泥砂漿試塊的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量及動(dòng)彈性模量。在這種循環(huán)條件下,混凝土受2種作用的破壞,即化學(xué)腐蝕和物理作用(鹽的結(jié)晶作用[9])。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)果評判標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)設(shè)置了對比組,即將相同水灰比相同水泥砂漿的試塊浸泡在水中進(jìn)行不同溫度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)干濕循環(huán),與試驗(yàn)組同一時(shí)間測試水泥砂漿試塊2個(gè)指標(biāo)(抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度)。

抗折抗蝕系數(shù)Kf為

(1)

其中:fst為第t齡期浸泡在硫酸溶液中水泥砂漿的抗折強(qiáng)度;fwt為第t齡期浸泡在水中水泥砂漿的抗折強(qiáng)度。

抗壓抗蝕系數(shù)Kc為

(2)

其中:f′st為第t齡期浸泡在硫酸溶液中水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度;f′wt為第t齡期浸泡在水中水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度。

質(zhì)量損失率Mr為

(3)

其中:Mt為第t齡期浸泡在硫酸溶液中水泥砂漿的質(zhì)量;M0為水泥砂漿的初始質(zhì)量。

相對動(dòng)彈性模量Er為

(4)

其中:Ed為第t齡期浸泡在硫酸溶液中水泥砂漿的動(dòng)彈性模量;E0為水泥砂漿的初始動(dòng)彈性模量。

2.2 侵蝕后外觀分析

觀察試塊表面的破壞狀態(tài),可以總結(jié)出試塊受侵蝕的3個(gè)階段:①侵蝕早期,試塊表面的變化不明顯,未見明顯裂縫;②侵蝕中期,試塊出現(xiàn)裂縫,邊角有掉塊現(xiàn)象;③侵蝕后期,破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象,骨料漏出,剝落嚴(yán)重,水泥喪失凝聚性。

水灰比0.5的普通硅酸水泥外觀變化較明顯,具體情況如圖1所示。侵蝕環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)比10 ℃和20 ℃時(shí)的水泥砂漿受破壞嚴(yán)重,說明溫度確實(shí)能夠影響混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力,溫度低時(shí)抗侵蝕性弱。

圖1 0.5水灰比普通水泥砂漿外觀Fig.1 Ordinary cement mortar with water ash ratio of 0.5

2.3 水泥砂漿抗侵蝕強(qiáng)度分析

(1) 抗折抗蝕系數(shù) 2種水灰比水泥砂漿抗折抗蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化曲線分別如圖2和圖3所示。其中A5-5、A5-10、A5-20分別表示A5編號的水泥砂漿在5 ℃、10 ℃、20 ℃環(huán)境下的工況, A3-5、A3-10、A3-20分別表示A3編號的水泥砂漿在5 ℃、10 ℃、20 ℃環(huán)境下的工況，B5-5、B5-10、B5-20和B3-5、B3-10、B3-20與此類似，不再贅述。

由圖2可知,抗折抗蝕系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的特點(diǎn),也就是在硫酸鹽溶液侵蝕水泥砂漿前期加強(qiáng)了水泥砂漿的抗折強(qiáng)度,這是由于硫酸鹽侵蝕前期會(huì)在水泥砂漿的縫隙中形成結(jié)晶鹽,填充了水泥砂漿的縫隙,提高了其性能。隨著侵蝕時(shí)間的增加,形成逐漸增多的結(jié)晶鹽,使其發(fā)生膨脹開裂,此時(shí)抗折強(qiáng)度也在降低,水泥砂漿逐漸被侵蝕。5 ℃下的抗折抗蝕系數(shù)提升的最大值次于10 ℃和20 ℃下的抗折抗蝕系數(shù)提升的最大值,在5 ℃下循環(huán)10次后,抗折抗蝕系數(shù)就開始下降,而10 ℃和20 ℃下水泥砂漿的抗折抗蝕系數(shù)循環(huán)20次才出現(xiàn)下降。5 ℃下水泥砂漿被侵蝕的最嚴(yán)重,表現(xiàn)為最終抗折抗蝕系數(shù)最低,20 ℃下水泥砂漿的最終抗折抗蝕系數(shù)最高,10 ℃下的最終抗折抗蝕系數(shù)居于二者之間。由此可見低溫會(huì)影響混凝土的抗侵蝕性能,加速侵蝕。

圖2 0.5水灰比水泥砂漿抗折抗蝕系數(shù)Fig.2 Bending strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.5

圖3 0.36水灰比水泥砂漿抗折抗蝕系數(shù)Fig.3 Bending strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.36

由圖3可知,5 ℃下最終抗折抗蝕系數(shù)最低,20 ℃下最終抗折抗蝕系數(shù)最高,低溫會(huì)對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性產(chǎn)生一定影響,但是最終的抗折抗蝕系數(shù)10 ℃和20 ℃時(shí)的比較接近。綜合圖2和圖3可得,0.36水灰比水泥砂漿抗折抗蝕系數(shù)較高,說明降低水灰比會(huì)提高抗侵蝕性能。

(2) 抗壓抗蝕系數(shù) 2種水灰比水泥砂漿抗壓抗蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化曲線分別如圖4和圖5所示。

由圖4可知,抗壓抗蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,循環(huán)次數(shù)40次時(shí),抗壓抗蝕系數(shù)幾乎都在1附近徘徊,之后開始明顯降低。對于0.5水灰比普通水泥抗壓抗蝕系數(shù)變化情況來說,20 ℃下的抗壓抗蝕系數(shù)增加值最大,5 ℃下的抗壓抗蝕系數(shù)增加值最小,10 ℃下的抗壓抗蝕系數(shù)在二者中間;5 ℃時(shí)的抗壓抗蝕系數(shù)在循環(huán)20次就開始下降,10 ℃和20 ℃時(shí)的抗壓抗蝕系數(shù)在循環(huán)40次才開始下降;最終抗壓抗蝕系數(shù)是20 ℃最大、10 ℃次之、5 ℃最小。

由圖5可知,5 ℃、10 ℃和20 ℃下的抗壓抗蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線互有穿插,說明溫度對于抗壓抗蝕系數(shù)的影響不太明顯,雖然抗壓強(qiáng)度也是硫酸鹽侵蝕混凝土過程中的敏感測試指標(biāo),但是沒有抗折強(qiáng)度測試指標(biāo)的敏感性強(qiáng),最終抗壓抗蝕系數(shù)在20 ℃時(shí)最大。低水灰比可以降低溫度因素對于混凝土抗侵蝕性的影響。

綜合圖4和圖5可得,中抗硫水泥砂漿的最終抗壓抗蝕系數(shù)比普通水泥砂漿的大,0.36水灰比的最終抗壓抗蝕系數(shù)比0.5水灰比的大。

2.4 水泥砂漿抗侵蝕質(zhì)量損失率分析

0.5水灰比普通水泥和中抗硫水泥質(zhì)量損失率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖6所示。

圖4 0.5水灰比水泥砂漿抗壓抗蝕系數(shù)Fig.4 Pressure strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.5

圖5 0.36水灰比水泥砂漿抗壓抗蝕系數(shù)Fig.5 Pressure strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.36

圖6 0.5水灰比水泥砂漿質(zhì)量損失率Fig.6 Mass loss rate of cement mortar with water ash ratio of 0.5

從圖6可知,質(zhì)量損失率先呈現(xiàn)負(fù)值再變?yōu)檎?這說明水泥砂漿在浸泡過程中,先吸收溶液進(jìn)入其內(nèi)部,形成結(jié)晶,增加了其質(zhì)量,然后發(fā)生破壞,出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象,質(zhì)量減少。對于0.5水灰比普通水泥質(zhì)量損失率變化情況來說,20 ℃時(shí)出現(xiàn)的質(zhì)量損失率負(fù)值最大,10 ℃時(shí)次之,5 ℃時(shí)最小,說明溫度升高會(huì)使溶液加快進(jìn)入水泥砂漿內(nèi)部。最終5 ℃下的質(zhì)量損失率最大,試塊破壞最嚴(yán)重;20 ℃下的質(zhì)量損失率最小,試塊破壞程度最小;10 ℃下的質(zhì)量損失率居于中間,說明低溫會(huì)影響水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性。中抗硫水泥砂漿的質(zhì)量損失率變化曲線也有類似規(guī)律,無論哪種溫度下中抗硫水泥砂漿的最終質(zhì)量損失率要比普通水泥的最終質(zhì)量損失率小,中抗硫水泥確實(shí)加強(qiáng)了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性。

2.5 水泥砂漿抗侵蝕相對動(dòng)模量分析

2種水灰比水泥砂漿相對動(dòng)模量隨循環(huán)次數(shù)變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 0.5水灰比水泥砂漿相對動(dòng)模量Fig.7 Relative dynamic modulus of cement mortar with water ash ratio of 0.5

圖8 0.36水灰比水泥砂漿相對動(dòng)模量Fig.8 Relative dynamic modulus of cement mortar with water ash ratio of 0.36

由圖7可知,在循環(huán)次數(shù)為40次之前,相對動(dòng)模量處于1附近,循環(huán)40次之后相對動(dòng)模量開始下降至1以下,試塊開始急劇的破壞;循環(huán)次數(shù)為60次時(shí),5 ℃下的最終相對動(dòng)模量最小,20 ℃下的最終相對動(dòng)模量最大,10 ℃下的居于中間,說明低溫會(huì)對水泥砂漿的相對動(dòng)模量產(chǎn)生影響。

由圖8可知,20 ℃下循環(huán)次數(shù)50次時(shí)才出現(xiàn)相對動(dòng)模量下降至1以下,5 ℃和10 ℃下是循環(huán)40次時(shí)出現(xiàn);最終相對動(dòng)模量值5 ℃下最小,10 ℃下的次之,20 ℃下的最大,說明溫度越低,越降低混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

綜合圖7和圖8可知,中抗硫水泥砂漿的最終質(zhì)量損失率比普通水泥砂漿的大,0.36水灰比水泥砂漿最終質(zhì)量損失率較低,降低水灰比會(huì)提高抗侵蝕性能。

3 結(jié)論

(1) 在硫酸鹽侵蝕混凝土早期,會(huì)先加強(qiáng)混凝土的性能,然后不斷將其破壞。

(2) 對比低溫和常溫情況下混凝土的抗侵蝕指標(biāo),低溫不利于混凝土抗硫酸鹽侵蝕,表現(xiàn)為抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、相對動(dòng)模量降低,質(zhì)量損失率提高?？拐蹚?qiáng)度和相對動(dòng)模量變化表現(xiàn)明顯,抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率變化不太明顯。

(3) 低水灰比的混凝土比高水灰比的混凝土更抗硫酸鹽侵蝕;低水灰比時(shí),在一定溫度范圍內(nèi),低溫因素對于混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響不明顯。