黃維蓉，楊德斌，周建庭，嚴(yán)海彬

(重慶交通大學(xué)山區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重慶市重點實驗室，重慶400074)

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力［1］。不同因素對混凝土耐久性的影響程度是不相同的，干濕循環(huán)作用下的物理腐蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸鹽存在的環(huán)境下，混凝土在干濕循環(huán)和硫酸鹽浸蝕雙重因素的作用下破壞更嚴(yán)重［2－4］。目前國內(nèi)外大部分混凝土的抗硫酸鹽浸蝕研究沒有控制或者沒有連續(xù)控制浸蝕溶液的pH值，多采取試件在靜止鹽溶液中連續(xù)浸泡的方法進(jìn)行，其結(jié)果不能真實反映出實際條件下環(huán)境水滲流或者流動時的浸蝕狀況。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

選用28 d實測抗壓強度為52.1 MPa的 P.O 42.5R水泥，細(xì)度模數(shù)為2.4 的中砂，壓碎值為7.6%的5～10 mm石灰?guī)r碎石。活性指數(shù)106%的硅灰，活性指數(shù)97%的礦渣，活性指數(shù)90%的粉煤灰。選用引氣劑為十二烷基硫酸鈉(K12)，纖維為聚丙烯纖維。

1.2 試驗方案設(shè)計

1.2.1 混凝土配合比設(shè)計

經(jīng)實驗室試配調(diào)整確定普通混凝土配合比，在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，硅灰、礦渣、粉煤灰等礦物摻合料以40%的比例取代普通混凝土中的水泥配成多元礦物摻合料混凝土，再摻加不同摻量的引氣劑和聚丙烯纖維，聚丙烯纖維摻量是混凝土體積百分比，引氣劑摻量為膠凝材料質(zhì)量百分比。設(shè)計出多元礦物摻合料與引氣劑或聚丙烯纖維復(fù)摻混凝土，試驗用配合比見表1。A2配合比新拌混凝土含氣量4.7%，A3配合比新拌混凝土含氣量5.9%。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete proportion

1.2.2 試驗方法

1)不控制pH值靜止溶液浸蝕試驗方法

以GB/T 749—2008為依據(jù)，參照高禮雄，等［5］的研究結(jié)果，試驗用集料最大粒徑10 mm，浸蝕溶液是質(zhì)量濃度10%的硫酸鈉溶液，參照水泥膠砂強度試件的制作方法制作本研究用40 mm×40 mm×160 mm細(xì)石混凝土試件，振實成型的細(xì)石混凝土試件帶模養(yǎng)護(hù)1 d，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，然后開始浸蝕試驗。試件分別浸泡在硫酸鈉溶液和水中，試件之間間距大于10 mm，液面高出試件頂面30 mm以上，容器加蓋。試驗過程中不控制溶液的pH值，每隔一個月更換一次水和溶液。該試驗方法簡稱為“靜止溶液浸蝕方法”。

2)控制pH值流動循環(huán)溶液浸蝕試驗方法

試件尺寸、溶液濃度和試件入浸方式均與不控制pH值靜止溶液浸蝕方法相同，但試件在受侵過程中采用如圖1的試驗方法，在試驗過程中通過pH值控制器和加酸計量泵自動控制硫酸鹽溶液的pH值，使溶液pH值始終在7.0～7.5之間，且浸蝕溶液每隔一個月更換一次［6］。該試驗方法簡稱為“流動溶液浸蝕方法”。

圖1 控制pH值流動循環(huán)溶液侵蝕試驗方法簡圖Fig.1 The diagram of test method for the flow loop erosion solution which controls pH value

3)混凝土干濕循環(huán)試驗

混凝土干濕循環(huán)試驗采取不控制pH值流動循環(huán)溶液浸蝕和控制pH靜止鹽溶液浸蝕兩種方法。試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的細(xì)石棱柱體混凝土試件，干濕循環(huán)試驗方法:標(biāo)養(yǎng)28 d的試件先在質(zhì)量濃度為10%的硫酸鈉溶液中浸泡14 h→取出放置1 h→放入60℃恒溫箱中烘8 h→取出冷卻1 h→再放入硫酸鈉溶液中浸泡，如此24 h為一次循環(huán)，該混凝土最大循環(huán)次數(shù)定為180次。干濕循環(huán)試驗前先測標(biāo)養(yǎng)28 d的混凝土干燥質(zhì)量和基準(zhǔn)動彈模量，然后每15次干濕循環(huán)后進(jìn)行一次質(zhì)量和動彈模量測試，以抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)、質(zhì)量損失百分率和相對動彈模量作為評價指標(biāo)?？果}結(jié)晶浸蝕系數(shù)=試件干濕循環(huán)n次的相對動彈模量/相同配比試件經(jīng)硫酸鹽溶液浸蝕n天的相對動彈模量。以質(zhì)量損失率大于5%，或相對動彈性模量小于60%作為試件破壞的評定標(biāo)準(zhǔn)，以相同循環(huán)次數(shù)時的質(zhì)量損失百分率、相對動彈模量及抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)的大小及經(jīng)時變化規(guī)律評定混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不控制pH值靜止溶液浸蝕下混凝土干濕循環(huán)試驗結(jié)果及分析

標(biāo)養(yǎng)28 d后在靜止溶液浸蝕方法下，混凝土相對動彈模量、質(zhì)量損失率、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等與干濕循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系如圖2。

圖2 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環(huán)試驗結(jié)果Fig.2 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖2(a)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的相對動彈模量呈增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對動彈模量相對普通混凝土明顯提高。普通混凝土相對動彈模量在循環(huán)135次時就開始低于60%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土循環(huán)180次其相對動彈模量大于60%，質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土相對動彈模量為61.6%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土相對動彈模量分別為70.3%，88%，提高了14.1%和42.9%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土相對動彈模量分別為74.6%，86%，提高了121.1%和39.6%。

由圖2(b)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土質(zhì)量呈增加狀態(tài)，后期混凝土的質(zhì)量損失，但摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質(zhì)量損失率低于普通混凝土，干濕循環(huán)次數(shù)越多，加摻合料的混凝土優(yōu)勢越明顯。普通混凝土質(zhì)量損失率在干濕循環(huán)165次時超過了5%，已破壞。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗結(jié)束時質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土質(zhì)量損失率為3%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.34%，1.86%，降低了22%和38%。

由圖2(c)可知，在靜止溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對普通混凝土明顯提高。在干濕循環(huán)180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.658，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)分別為0.704，0.86，提高了7%和30.7%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)分別為0.758，0.854，提高了 15.2%和 29.8%。

2.2 控制pH值流動循環(huán)溶液浸蝕下混凝土干濕循環(huán)試驗結(jié)果及分析

標(biāo)養(yǎng)28 d后在流動循環(huán)溶液浸蝕方法下，混凝土相對動彈模量、質(zhì)量損失率、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等與干濕循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系如圖3。

圖3 靜止溶液浸蝕方法下混凝土干濕循環(huán)試驗結(jié)果Fig.3 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由圖3(a)可知，在流動循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的相對動彈模量呈增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對動彈模量比普通混凝土高。普通混凝土相對動彈模量在循環(huán)120次時就開始低于60%，已破壞。摻多元礦物摻合料的混凝土相對動彈模量在干濕循環(huán)165次后開始低于60%，已破壞;多元礦物摻合料與引氣劑或纖維的混凝土干濕循環(huán)180次后相對動彈模量大于60%，未破壞。

由圖3(b)可知，在流動循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土質(zhì)量損失率為負(fù)值，呈現(xiàn)質(zhì)量增加的狀態(tài)，后期摻粉煤灰、礦渣粉、硅粉和引氣劑或纖維的混凝土質(zhì)量損失率低于普通混凝土，干濕循環(huán)次數(shù)越多，優(yōu)勢越明顯。普通混凝土質(zhì)量損失率在干濕循環(huán)150次時超過了5%，已破壞;在循環(huán)165次時已斷裂，無法測得相應(yīng)的指標(biāo)值。摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土試驗結(jié)束時質(zhì)量損失率小于5%，未破壞。在干濕循環(huán)180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土質(zhì)量損失率為3.78%，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率為2.3%，降低了39.2%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土質(zhì)量損失率分別為2.47%，降低了34.7%。

由圖3(c)可知，在流動循環(huán)溶液浸蝕方法下，試驗前期混凝土的抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)均呈現(xiàn)增長趨勢，后期開始下降，但摻礦物摻合料和引氣劑或纖維的混凝土下降較平緩，相對普通混凝土明顯提高。在干濕循環(huán)180次時，摻多元礦物摻合料的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.556，而多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.742，提高了33.5%;而多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻的混凝土抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)為0.725，提高了30.4%。

2.3 復(fù)摻技術(shù)對混凝土抗干濕循環(huán)性能的改善原因分析

多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土優(yōu)于普通混凝土，多元礦物摻合料與纖維復(fù)摻和多元礦物摻合料與引氣劑復(fù)摻混凝土的抗干濕循環(huán)性能優(yōu)于多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土。因混凝土在硫酸鹽溶液中經(jīng)干濕循環(huán)作用后，不但硫酸鹽浸蝕會加劇，而且硫酸鹽還會析晶膨脹，由物理鹽結(jié)晶浸蝕及硫酸鹽化學(xué)浸蝕造成的復(fù)合損傷更為嚴(yán)重［6－7］。多元礦物摻合料的微集料復(fù)合效應(yīng)、活性效應(yīng)、火山灰復(fù)合效應(yīng)使混凝土內(nèi)部孔徑更細(xì)小，連通孔隙的數(shù)量也減少，二次水化反應(yīng)使氫氧化鈣轉(zhuǎn)化為C-S-H凝膠，提高了混凝土密實度、抗?jié)B性，從而抵抗硫酸鹽侵入的能力增強，混凝土破壞速度延緩。

在多元礦物摻合料復(fù)摻混凝土中加入引氣劑后，引入的大量微小氣泡可阻斷毛細(xì)孔，改善孔結(jié)構(gòu)，減小了混凝土在干濕循環(huán)條件下硫酸鹽化學(xué)浸蝕產(chǎn)物對混凝土的膨脹壓力，使混凝土的抗干濕循環(huán)性能提高。

纖維在水泥混凝土中呈三維亂向分布，可起到“承托”骨料的作用［8－9］，減少混凝土的泌水通道和連通的毛細(xì)孔，可有效抑制混凝土內(nèi)部原生裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，阻斷硫酸鹽溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道，降低混凝土遭受浸蝕的幾率。

在普通混凝土中采取摻礦物摻合料、引氣劑及纖維等措施，可以降低混凝土的滲透性，從而達(dá)到改善混凝土抗干濕循環(huán)性能的目的。

2.4 兩種浸蝕方法評價

浸泡過程中采取流動循環(huán)溶液浸蝕方法和靜止溶液浸蝕方法對混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能影響不同，靜止溶液浸蝕方法與結(jié)構(gòu)物所處的實際環(huán)境相差較遠(yuǎn)，流動循環(huán)試驗結(jié)果可反映出干濕循環(huán)破壞的加速條件，影響礦物摻合料、聚丙烯纖維、引氣劑改性效應(yīng)發(fā)揮的程度。流動循環(huán)溶液浸蝕方法下測定混凝土的相對動彈模量、抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)比靜止溶液浸蝕方法下的測定值低，混凝土質(zhì)量損失率較大，表明混凝土在流動循環(huán)溶液浸蝕下，混凝土抵抗干濕循環(huán)破壞的能力相對偏低，外摻材料的改善效果較為客觀、真實。今后應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境條件選擇適宜的浸蝕方法來評價混凝土的抗干濕循環(huán)性能。

3 結(jié)論

1)在流動溶液和靜止溶液兩種浸蝕方法下，采用復(fù)摻技術(shù)的混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能增強;但流動循環(huán)溶液浸蝕方法下，不同改善措施的混凝土相對動彈模量、質(zhì)量損失率及抗鹽結(jié)晶浸蝕系數(shù)等評價指標(biāo)所反映的結(jié)果更客觀、真實。

2)硅粉、粉煤灰、礦渣粉復(fù)摻有利于改善混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能;礦物摻合料復(fù)摻措施不及礦物摻合料與引氣劑、聚丙烯纖維復(fù)摻的措施，多元材料復(fù)摻技術(shù)對混凝土的抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能有良好的改善效果。

3)在混凝土含氣量小于6%、聚丙烯纖維體積摻量小于0.2%時，混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)性能隨聚丙烯纖維和引氣劑摻量的增加而增強。

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