硫酸鹽侵蝕下鐵路混凝土含氣量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

劉 斌，劉東鋒，王亞萍，馬 旭

(中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024)

我國鹽漬土壤分布十分廣泛,尤其是濱海以及西部鹽湖地區(qū)存在較高濃度的硫酸鹽根離子。近年來,隨著鐵路基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn),大量鐵路軌道、路基、橋隧建筑物等混凝土主體結(jié)構(gòu)存在硫酸鹽侵蝕風(fēng)險,長期處于硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的鐵路混凝土?xí)霈F(xiàn)膨脹、開裂、剝落、腐蝕變質(zhì)等現(xiàn)象,使混凝土的強度和耐久性能出現(xiàn)劣化,嚴(yán)重影響工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[1-4]。大量研究和工程實踐表明,硫酸鹽侵蝕對混凝土性能劣化的影響很大,破壞力更強[5-8]。

鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB 10424—2018鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:處于鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境的混凝土含氣量不低于4.0%,并且必須采取減水劑和引氣劑雙摻的方式進(jìn)行配制。混凝土中引入適宜均勻分布穩(wěn)定且封閉的微小氣泡,可提高其工作性和耐久性[9]。但規(guī)范中并未針對不同強度等級混凝土做出明確的含氣量上限控制要求,這樣可能會造成混凝土含氣量過高,不僅會增加膠凝材料和外加劑的用量,而且也不利于混凝土質(zhì)量和成本控制。本文以不同中強混凝土(C35,C40和C50)作為研究對象,研究不同含氣量變化對抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響規(guī)律,從而得到針對不同強度等級混凝土含氣量的控制要求。

1 試驗

1.1 原材料

水泥:山東東華水泥有限公司淄博萬華分公司生產(chǎn)的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥,28 d膠砂強度為48.2 MPa;粉煤灰:F類Ⅱ級粉煤灰,需水量比96%;細(xì)骨料:中砂,細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂;粗骨料:由粒徑5 mm～10 mm,10 mm～20 mm與20 mm～31.5 mm的碎石按照質(zhì)量比2∶5∶3混合后使用;減水劑:山西方興建材有限公司生產(chǎn)的FX-1H緩凝型高性能聚羧酸減水劑,減水率30%;引氣劑:山西方興建筑材料有限公司生產(chǎn)的FX-9型引氣劑;拌合水:自來水。

1.2 混凝土配合比

TB 10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范中要求處于硫酸鹽環(huán)境的主體結(jié)構(gòu)混凝土最低強度等級為C35,故設(shè)計C35,C40和C50三個強度等級混凝土進(jìn)行試驗。通過調(diào)整外加劑摻量,將混凝土坍落度控制在(220±10)mm,4種含氣量控制在(2±0.2)%,(4±0.2)%,(6±0.2)%和(8±0.2)%范圍內(nèi)?；炷僚浜媳纫姳?。

1.3 試驗方法

試驗按照GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)將試塊養(yǎng)護(hù)56 d后進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗,1次干濕循環(huán)周期為1 d,侵蝕溶液為質(zhì)量濃度5%的硫酸鈉溶液,每隔30次干濕循環(huán)檢測抗壓強度耐蝕系數(shù)變化情況,直至300次干濕循環(huán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 含氣量對C35混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響

C35混凝土硫酸鹽溶液干濕循環(huán)后的抗壓強度耐蝕系數(shù)變化情況見圖1。由圖1可知,各循環(huán)周期下C35混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)均存在先增大后降低的趨勢,這是因為在干濕循環(huán)初期,混凝土內(nèi)部形成的鹽晶體和未反應(yīng)的粉煤灰進(jìn)一步水化,起到填充空隙和密實的作用,使得混凝土的強度增加,但是隨著干濕循環(huán)的持續(xù),鹽晶體繼續(xù)富集和長大,引起混凝土孔結(jié)構(gòu)的破壞,導(dǎo)致強度急劇降低。

四種含氣量的C35混凝土在180次干濕循環(huán)下耐蝕系數(shù)分別為90.4%,94.1%,86.8%和79.9%,均大于75.0%,滿足KS180等級要求;在300次干濕循環(huán)下的耐蝕系數(shù)分別為81.3%,83.1%,77.7%和70.0%,含氣量為8.0%的C35混凝土耐蝕系數(shù)已不滿足要求。這主要是由于同一強度等級混凝土含氣量在一定范圍內(nèi),隨著其內(nèi)部引入的微小氣泡越多,硫酸鹽環(huán)境下引入的封閉氣孔可以作為鹽類結(jié)晶壓力的“緩沖區(qū)”,其抗硫酸鹽侵蝕性能越好,但是當(dāng)含氣量過高時有害氣泡數(shù)量增多,容易導(dǎo)致氣泡分布不均勻,對混凝土自身強度造成較大損失,其抵抗鹽類結(jié)晶壓力破壞的能力大幅降低,抗硫酸鹽侵蝕性降低[10]。

根據(jù)C35混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環(huán)試驗后的擬合曲線如圖2所示,相關(guān)系數(shù)R2均超過了0.95,擬合效果良好。

通過上述二次函數(shù)擬合方程式計算不同干濕循環(huán)次數(shù)下C35混凝土的最優(yōu)含氣量,即耐蝕系數(shù)最大值時所對應(yīng)的含氣量值,計算結(jié)果如表2所示。由表2可知,C35混凝土240次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為3.4%;270次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為4.4%;300次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為3.8%。引氣劑摻量增加會使混凝土成本增加,當(dāng)含氣量過高時有害氣泡數(shù)量增多,會引起混凝土強度下降。因此,綜合考慮經(jīng)濟性、安全性和規(guī)范要求三方面因素,建議C35混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量應(yīng)控制在4.0%～4.4%。

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下C35混凝土的最優(yōu)含氣量

2.2 含氣量對C40混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響

C40混凝土經(jīng)硫酸鹽溶液干濕循環(huán)后抗壓強度耐蝕系數(shù)變化情況見圖3。各循環(huán)次數(shù)下C40混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)均存在先增大后降低的趨勢。四種含氣量的C40混凝土在180次干濕循環(huán)下的耐蝕系數(shù)分別為97.5%,98.9%,99.29%和94.3%,均大于75.0%,故滿足KS180等級要求;在300次干濕循環(huán)下的耐蝕系數(shù)分別為82.5%,85.8%,87.8%和80.2%。

根據(jù)C40混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,采用二次函數(shù)擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環(huán)試驗后的擬合曲線如圖4所示,相關(guān)系數(shù)R2均超過了0.90,擬合效果良好。

通過上述二次多項式函數(shù)擬合方程式計算不同干濕循環(huán)次數(shù)下C40混凝土的最優(yōu)含氣量,計算結(jié)果如表3所示。由表3可知,C40混凝土240次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為5.0%;270次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為5.3%;300次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為4.9%。綜合考慮,建議C40混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量應(yīng)控制在4.0%～5.3%。

表3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下C40混凝土的臨界含氣量

2.3 含氣量對C50混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)的影響

C50混凝土經(jīng)硫酸鹽溶液干濕循環(huán)的抗壓強度耐蝕系數(shù)變化情況見圖5。各循環(huán)次數(shù)下C50混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)均存在先增大后降低的趨勢。四種含氣量的C50混凝土在180次干濕循環(huán)下的耐蝕系數(shù)分別為97.3%,98.1%,98.5%和96.3%,均大于75.0%,滿足KS180等級要求;在300次干濕循環(huán)下的耐蝕系數(shù)分別為85.6%,89.9%,91.0%和85.2%。

根據(jù)C50混凝土含氣量與抗壓強度耐蝕系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性,采用二次函數(shù)擬合,混凝土240次、270次和300次干濕循環(huán)試驗后的擬合曲線如圖6所示,相關(guān)系數(shù)R2均超過了0.93,擬合效果良好。

通過上述二次多項式函數(shù)擬合方程式計算不同干濕循環(huán)次數(shù)下C50混凝土的最優(yōu)含氣量,計算結(jié)果如表4所示。由表4可知,C50混凝土240次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為4.8%;270次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為4.9%;300次干濕循環(huán)下最優(yōu)含氣量值為5.0%。綜合考慮,建議C50混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量應(yīng)控制在4.0%～5.0%。

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下C50混凝土的臨界含氣量

3 結(jié)論

1)在干濕循環(huán)240次、270次和300次下,C35,C40和C50混凝土抗壓強度侵蝕系數(shù)變化與混凝土含氣量呈二次函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上,說明關(guān)聯(lián)性良好。

2)建議C35混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量控制在4.0%～4.4%;C40混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量控制在4.0%～5.3%;C50混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的含氣量控制在4.0%～5.0%。