張瑞斌

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

鹽漬地區(qū)土壤中通常含有大量的硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽等對(duì)于混凝土和鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性作用的有害物質(zhì)[1]。鹽漬地區(qū)橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)受到鹽類物質(zhì)的腐蝕，硫酸鹽類物質(zhì)主要是與混凝土中的水泥石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生具有膨脹性的化合物[2-3]，當(dāng)該類化合物在水泥內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)混凝土內(nèi)部拉力，當(dāng)內(nèi)拉力超過混凝土的抗拉極限強(qiáng)度時(shí)混凝土便會(huì)產(chǎn)生大量裂縫。除此之外，由于混凝土強(qiáng)度大小受限于內(nèi)部粗骨料之間水泥漿的黏結(jié)力，當(dāng)水泥漿與硫酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)也會(huì)降低混凝土強(qiáng)度。當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層受到硫酸鹽腐蝕而開裂的時(shí)候，鹽類物質(zhì)便可以透過裂縫與受力鋼筋接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生銹蝕，鋼筋的強(qiáng)度便會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。因此，我國(guó)西北鹽漬地區(qū)橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能對(duì)于橋梁本身的承載力、耐久性均有很大的影響[4-5]。

粉煤灰是從煤炭燃燒后的煙氣中捕捉的細(xì)灰物質(zhì)，因具有比表面積大的特點(diǎn)，被大量用于混凝土外加劑以增加混凝土密實(shí)性[6-8]，但粉煤灰摻量過多會(huì)造成膠凝材料中水泥漿體占比降低從而減弱混凝土本身的力學(xué)性能[9]。因此本文從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性的角度出發(fā)，以鹽漬地區(qū)材料為基材的混凝土為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)的方法研究當(dāng)粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%、50%時(shí)對(duì)C40混凝土150 d抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)、腐蝕前后質(zhì)量變化系數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用寧夏青銅峽水泥股份有限公司生產(chǎn)的P0 42.5型水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥技術(shù)性能指標(biāo)

粗骨料為陽山石料廠生產(chǎn)，最大粒徑為20 mm；沙子為陜西武功砂廠生產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)為2.82；減水劑為北京世紀(jì)住邦建材有限公司生產(chǎn)；粉煤灰為華電寧夏靈武發(fā)電有限公司生產(chǎn)，粉煤灰主要技術(shù)性能指標(biāo)見表2所示。

表2 粉煤灰技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

配合比設(shè)計(jì)方案如表3所示。考慮到依托工程橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土粉煤灰摻量為20%，因此選取粉煤灰摻量為20%的試驗(yàn)為基準(zhǔn)配合比?；炷量沽蛩猁}腐蝕試驗(yàn)采用“混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)”。硫酸鹽是由硫酸根離子（SO42-）與其他金屬離子組成的化合物，都是電解質(zhì)，且大多數(shù)溶于水，其中最主要的是Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Ba2+、Sr2+、Pb2+、Fe3+、Al3+、Cu2+。儀器如圖1所示，儀器干濕循環(huán)步驟如下所示：

表3 試驗(yàn)配合比方案

圖1 混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)

a）試件放置入儀器中開始注入5%硫酸鹽溶液進(jìn)行浸泡15 h，注入溶液時(shí)間控制在30 min左右。

b）浸泡過程結(jié)束后應(yīng)立即開始排液，排液時(shí)間控制在30 min左右，待排液結(jié)束后開始風(fēng)干過程，風(fēng)干時(shí)間控制在30 min左右。

c）風(fēng)干完成后立即將試驗(yàn)箱升溫至80℃，從升溫到冷卻的時(shí)間控制在6 h左右。

d）烘干結(jié)束后應(yīng)該立即冷卻到25℃左右，該過程時(shí)間控制在2 h左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

試件經(jīng)過150次硫酸鹽循環(huán)腐蝕后表面如圖2所示，由圖可知腐蝕后試件表面附著大量橙紅色物質(zhì)并且表面產(chǎn)生大量細(xì)微裂縫，這些細(xì)微裂縫是由于硫酸鹽與混凝土中的水泥石產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)，膨脹性物質(zhì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉力，當(dāng)拉力大于混凝土的抗壓極限強(qiáng)度時(shí)，混凝土便產(chǎn)生裂縫。通過對(duì)比對(duì)照組、腐蝕試件組的混凝土軸心受壓破壞形態(tài)可知，腐蝕試件組面層混凝土強(qiáng)度明顯下降，當(dāng)混凝土試件受到壓力的時(shí)候面層迅速脫落如圖3所示。試件面層混凝土強(qiáng)度下降的主要原因有兩個(gè)，一是由于硫酸鹽與水泥石反應(yīng)生成的膨脹性物質(zhì)導(dǎo)致粗骨料之間黏結(jié)力下降；二是由于水泥漿體被大量反應(yīng)，粗骨料之間失去黏結(jié)性物質(zhì)導(dǎo)致的。

圖2 腐蝕試件組150 d表面裂縫

圖3 腐蝕試件組軸壓破壞形態(tài)

測(cè)量腐蝕試件組、對(duì)比試件組150 d后的質(zhì)量，測(cè)試結(jié)果如表4所示，質(zhì)量變化系數(shù)計(jì)算方法見式（1）所示，由表4計(jì)算結(jié)果可知，相較于對(duì)比試件組，腐蝕試件組質(zhì)量均有所提升，這說明試塊在經(jīng)過150 d的腐蝕之后，硫酸鹽與水泥石發(fā)生了充分的反應(yīng)，產(chǎn)生的膨松性物質(zhì)增加了混凝土試塊的質(zhì)量。

表4 試件質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

式中：Km表示混凝土質(zhì)量變化系數(shù)，%；me表示腐蝕試件組平均質(zhì)量，kg；mc表示對(duì)比試件組平均質(zhì)量，kg。

測(cè)量28 d強(qiáng)度組、腐蝕試件組、對(duì)比試件組混凝土立方體抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。其中28 d強(qiáng)度組表示試塊經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的測(cè)試強(qiáng)度，腐蝕試件組表示試塊經(jīng)過硫酸鹽腐蝕后的測(cè)試強(qiáng)度，對(duì)比試件組表示與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度?；炷量箟簭?qiáng)度耐腐蝕系數(shù)計(jì)算方法如式（2）所示。

表5 試件強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

式中：Kf表示抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)，%；fcn表示硫酸鹽腐蝕后混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試值，MPa，精確至0.1 MPa；fc0表示與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度分析

繪制各組試塊混凝土強(qiáng)度有效值隨粉煤灰摻量變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖4可以看出：

圖4 28 d混凝土強(qiáng)度對(duì)比

a）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰摻量為10%的時(shí)候強(qiáng)度達(dá)到峰值并且為49.66 MPa。

b）當(dāng)粉煤灰摻量高于30%的時(shí)候，混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度小于40 MPa，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到50%的時(shí)候混凝土立方體抗壓強(qiáng)度僅為32.33 MPa，為基準(zhǔn)配合比的72.4%，這說明當(dāng)混凝土膠凝材料中水泥占比過大后，混凝土粗骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度下降，混凝土強(qiáng)度會(huì)顯著下降。

c）當(dāng)粉煤灰摻量為0時(shí)，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)配合比的96.21%；當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)配合比的111.25%；當(dāng)粉煤灰摻量為30%的時(shí)候，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)配合比的87.39%；當(dāng)粉煤灰摻量為40%的時(shí)候，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)配合比的83.58%；當(dāng)粉煤灰摻量為50%的時(shí)候，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)配合比的72.4%。

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性能分析

繪制28 d強(qiáng)度組、對(duì)比試件組、腐蝕試件組隨粉煤灰摻量變化趨勢(shì)如圖5所示，抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)對(duì)比如圖6所示，通過分析圖5、圖6可以得出如下結(jié)論：

圖5 試件強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖6 抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)對(duì)比

a）由圖5可以看出，腐蝕試件組混凝土抗壓強(qiáng)度明顯低于對(duì)比試件組、28 d強(qiáng)度組，這說明硫酸鹽腐蝕可以顯著降低混凝土強(qiáng)度。

b）分析圖5中28 d強(qiáng)度組、對(duì)比試件組強(qiáng)度曲線可知，當(dāng)粉煤灰摻量小于等于20%的時(shí)候，經(jīng)過150 d正常使用環(huán)境養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度明顯低于28 d強(qiáng)度組。當(dāng)粉煤灰摻量大于等于30%的時(shí)候，150 d正常使用環(huán)境養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度明顯高于28 d強(qiáng)度組。上述現(xiàn)象說明當(dāng)粉煤灰摻量較低的時(shí)候，相較于28 d強(qiáng)度，混凝土150 d軸心抗壓強(qiáng)度有所下降，0.0FA組可下降7.52%；當(dāng)粉煤灰摻量較高的時(shí)候，混凝土150 d軸線抗壓強(qiáng)度會(huì)有所提高，0.50FA組可提高12.19%。

d）分析圖6混凝土抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)隨粉煤灰摻量變化趨勢(shì)可知，隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)呈現(xiàn)“先降低后升高”的趨勢(shì)。相較于0.20FA（基準(zhǔn)配合比），0.0FA抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可提高18.42%。相較于0.20FA（基準(zhǔn)配合比），0.50FA抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可提高31.58%。

3 結(jié)語

針對(duì)西北鹽漬地區(qū)橋梁下部結(jié)構(gòu)存在較為嚴(yán)重的硫酸鹽腐蝕問題，本文以西北鹽漬地區(qū)材料為基材的混凝土為研究對(duì)象。研究參數(shù)為粉煤灰摻量比例，當(dāng)粉煤灰摻量由0變化到50%，對(duì)腐蝕試件組進(jìn)行了150次硫酸鹽循環(huán)腐蝕后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度耐腐蝕系數(shù)。最終得出以下結(jié)論：

a）隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰摻量為10%的時(shí)候強(qiáng)度達(dá)到峰值為49.66 MPa。

b）隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)呈現(xiàn)“先降低后升高”的趨勢(shì)。相較于0.20FA（基準(zhǔn)配合比），0.0FA抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可提高18.42%。相較于0.20FA（基準(zhǔn)配合比），0.50FA抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可提高31.58%。

c）0.10FA（粉煤灰摻量10%）混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)到0.20FA（基準(zhǔn)配合比）的111.25%，抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可達(dá)到0.20FA（基準(zhǔn)配合比）的111.84%，該組配合比綜合性能較為優(yōu)良且均衡。

d）0.50FA（粉煤灰摻量50%）混凝土抗壓強(qiáng)度僅為0.20FA（基準(zhǔn)配合比）的72.42%，抗壓強(qiáng)度耐腐蝕性系數(shù)可達(dá)到0.20FA（基準(zhǔn)配合比）的131.58%，該組配合比耐腐蝕性能較為優(yōu)良。