复掺技术对混凝土抗硫酸盐干湿循环性能的影响

黄维蓉，杨德斌，周建庭，严海彬

(重庆交通大学山区道路结构与材料重庆市重点实验室，重庆400074)

混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用，长期保持强度和外观完整性的能力［1］。不同因素对混凝土耐久性的影响程度是不相同的，干湿循环作用下的物理腐蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一，在有硫酸盐存在的环境下，混凝土在干湿循环和硫酸盐浸蚀双重因素的作用下破坏更严重［2－4］。目前国内外大部分混凝土的抗硫酸盐浸蚀研究没有控制或者没有连续控制浸蚀溶液的pH值，多采取试件在静止盐溶液中连续浸泡的方法进行，其结果不能真实反映出实际条件下环境水渗流或者流动时的浸蚀状况。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

选用28 d实测抗压强度为52.1 MPa的 P.O 42.5R水泥，细度模数为2.4 的中砂，压碎值为7.6%的5～10 mm石灰岩碎石。活性指数106%的硅灰，活性指数97%的矿渣，活性指数90%的粉煤灰。选用引气剂为十二烷基硫酸钠(K12)，纤维为聚丙烯纤维。

1.2 试验方案设计

1.2.1 混凝土配合比设计

经实验室试配调整确定普通混凝土配合比，在普通混凝土配合比的基础上，硅灰、矿渣、粉煤灰等矿物掺合料以40%的比例取代普通混凝土中的水泥配成多元矿物掺合料混凝土，再掺加不同掺量的引气剂和聚丙烯纤维，聚丙烯纤维掺量是混凝土体积百分比，引气剂掺量为胶凝材料质量百分比。设计出多元矿物掺合料与引气剂或聚丙烯纤维复掺混凝土，试验用配合比见表1。A2配合比新拌混凝土含气量4.7%，A3配合比新拌混凝土含气量5.9%。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete proportion

1.2.2 试验方法

1)不控制pH值静止溶液浸蚀试验方法

以GB/T 749—2008为依据，参照高礼雄，等［5］的研究结果，试验用集料最大粒径10 mm，浸蚀溶液是质量浓度10%的硫酸钠溶液，参照水泥胶砂强度试件的制作方法制作本研究用40 mm×40 mm×160 mm细石混凝土试件，振实成型的细石混凝土试件带模养护1 d，脱模后标准养护至28 d，然后开始浸蚀试验。试件分别浸泡在硫酸钠溶液和水中，试件之间间距大于10 mm，液面高出试件顶面30 mm以上，容器加盖。试验过程中不控制溶液的pH值，每隔一个月更换一次水和溶液。该试验方法简称为“静止溶液浸蚀方法”。

2)控制pH值流动循环溶液浸蚀试验方法

试件尺寸、溶液浓度和试件入浸方式均与不控制pH值静止溶液浸蚀方法相同，但试件在受侵过程中采用如图1的试验方法，在试验过程中通过pH值控制器和加酸计量泵自动控制硫酸盐溶液的pH值，使溶液pH值始终在7.0～7.5之间，且浸蚀溶液每隔一个月更换一次［6］。该试验方法简称为“流动溶液浸蚀方法”。

图1 控制pH值流动循环溶液侵蚀试验方法简图Fig.1 The diagram of test method for the flow loop erosion solution which controls pH value

3)混凝土干湿循环试验

混凝土干湿循环试验采取不控制pH值流动循环溶液浸蚀和控制pH静止盐溶液浸蚀两种方法。试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的细石棱柱体混凝土试件，干湿循环试验方法:标养28 d的试件先在质量浓度为10%的硫酸钠溶液中浸泡14 h→取出放置1 h→放入60℃恒温箱中烘8 h→取出冷却1 h→再放入硫酸钠溶液中浸泡，如此24 h为一次循环，该混凝土最大循环次数定为180次。干湿循环试验前先测标养28 d的混凝土干燥质量和基准动弹模量，然后每15次干湿循环后进行一次质量和动弹模量测试，以抗盐结晶浸蚀系数、质量损失百分率和相对动弹模量作为评价指标。抗盐结晶浸蚀系数=试件干湿循环n次的相对动弹模量/相同配比试件经硫酸盐溶液浸蚀n天的相对动弹模量。以质量损失率大于5%，或相对动弹性模量小于60%作为试件破坏的评定标准，以相同循环次数时的质量损失百分率、相对动弹模量及抗盐结晶浸蚀系数的大小及经时变化规律评定混凝土的抗硫酸盐干湿循环性能。

2 试验结果与分析

2.1 不控制pH值静止溶液浸蚀下混凝土干湿循环试验结果及分析

标养28 d后在静止溶液浸蚀方法下，混凝土相对动弹模量、质量损失率、抗盐结晶浸蚀系数等与干湿循环作用次数的关系如图2。

图2 静止溶液浸蚀方法下混凝土干湿循环试验结果Fig.2 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由图2(a)可知，在静止溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土的相对动弹模量呈增长趋势，后期开始下降，但掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土下降较平缓，相对动弹模量相对普通混凝土明显提高。普通混凝土相对动弹模量在循环135次时就开始低于60%，已破坏。掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土循环180次其相对动弹模量大于60%，质量损失率小于5%，未破坏。在干湿循环180次时，掺多元矿物掺合料的混凝土相对动弹模量为61.6%，而多元矿物掺合料与引气剂复掺的混凝土相对动弹模量分别为70.3%，88%，提高了14.1%和42.9%;而多元矿物掺合料与纤维复掺的混凝土相对动弹模量分别为74.6%，86%，提高了121.1%和39.6%。

由图2(b)可知，在静止溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土质量呈增加状态，后期混凝土的质量损失，但掺粉煤灰、矿渣粉、硅粉和引气剂或纤维的混凝土质量损失率低于普通混凝土，干湿循环次数越多，加掺合料的混凝土优势越明显。普通混凝土质量损失率在干湿循环165次时超过了5%，已破坏。掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土试验结束时质量损失率小于5%，未破坏。在干湿循环180次时，掺多元矿物掺合料的混凝土质量损失率为3%，而多元矿物掺合料与引气剂复掺的混凝土质量损失率分别为2.34%，1.86%，降低了22%和38%;而多元矿物掺合料与纤维复掺的混凝土质量损失率分别为2.34%，1.86%，降低了22%和38%。

由图2(c)可知，在静止溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土的抗盐结晶浸蚀系数均呈现增长趋势，后期开始下降，但掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土下降较平缓，相对普通混凝土明显提高。在干湿循环180次时，掺多元矿物掺合料的混凝土抗盐结晶浸蚀系数为0.658，而多元矿物掺合料与引气剂复掺的混凝土抗盐结晶浸蚀系数分别为0.704，0.86，提高了7%和30.7%;而多元矿物掺合料与纤维复掺的混凝土抗盐结晶浸蚀系数分别为0.758，0.854，提高了 15.2%和 29.8%。

2.2 控制pH值流动循环溶液浸蚀下混凝土干湿循环试验结果及分析

标养28 d后在流动循环溶液浸蚀方法下，混凝土相对动弹模量、质量损失率、抗盐结晶浸蚀系数等与干湿循环作用次数的关系如图3。

图3 静止溶液浸蚀方法下混凝土干湿循环试验结果Fig.3 Test results for wet-dry cycle of concrete under the erosion method of stationary solution

由图3(a)可知，在流动循环溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土的相对动弹模量呈增长趋势，后期开始下降，但掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土下降较平缓，相对动弹模量比普通混凝土高。普通混凝土相对动弹模量在循环120次时就开始低于60%，已破坏。掺多元矿物掺合料的混凝土相对动弹模量在干湿循环165次后开始低于60%，已破坏;多元矿物掺合料与引气剂或纤维的混凝土干湿循环180次后相对动弹模量大于60%，未破坏。

由图3(b)可知，在流动循环溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土质量损失率为负值，呈现质量增加的状态，后期掺粉煤灰、矿渣粉、硅粉和引气剂或纤维的混凝土质量损失率低于普通混凝土，干湿循环次数越多，优势越明显。普通混凝土质量损失率在干湿循环150次时超过了5%，已破坏;在循环165次时已断裂，无法测得相应的指标值。掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土试验结束时质量损失率小于5%，未破坏。在干湿循环180次时，掺多元矿物掺合料的混凝土质量损失率为3.78%，而多元矿物掺合料与引气剂复掺的混凝土质量损失率为2.3%，降低了39.2%;而多元矿物掺合料与纤维复掺的混凝土质量损失率分别为2.47%，降低了34.7%。

由图3(c)可知，在流动循环溶液浸蚀方法下，试验前期混凝土的抗盐结晶浸蚀系数均呈现增长趋势，后期开始下降，但掺矿物掺合料和引气剂或纤维的混凝土下降较平缓，相对普通混凝土明显提高。在干湿循环180次时，掺多元矿物掺合料的混凝土抗盐结晶浸蚀系数为0.556，而多元矿物掺合料与引气剂复掺的混凝土抗盐结晶浸蚀系数为0.742，提高了33.5%;而多元矿物掺合料与纤维复掺的混凝土抗盐结晶浸蚀系数为0.725，提高了30.4%。

2.3 复掺技术对混凝土抗干湿循环性能的改善原因分析

多元矿物掺合料复掺混凝土优于普通混凝土，多元矿物掺合料与纤维复掺和多元矿物掺合料与引气剂复掺混凝土的抗干湿循环性能优于多元矿物掺合料复掺混凝土。因混凝土在硫酸盐溶液中经干湿循环作用后，不但硫酸盐浸蚀会加剧，而且硫酸盐还会析晶膨胀，由物理盐结晶浸蚀及硫酸盐化学浸蚀造成的复合损伤更为严重［6－7］。多元矿物掺合料的微集料复合效应、活性效应、火山灰复合效应使混凝土内部孔径更细小，连通孔隙的数量也减少，二次水化反应使氢氧化钙转化为C-S-H凝胶，提高了混凝土密实度、抗渗性，从而抵抗硫酸盐侵入的能力增强，混凝土破坏速度延缓。

在多元矿物掺合料复掺混凝土中加入引气剂后，引入的大量微小气泡可阻断毛细孔，改善孔结构，减小了混凝土在干湿循环条件下硫酸盐化学浸蚀产物对混凝土的膨胀压力，使混凝土的抗干湿循环性能提高。

纤维在水泥混凝土中呈三维乱向分布，可起到“承托”骨料的作用［8－9］，减少混凝土的泌水通道和连通的毛细孔，可有效抑制混凝土内部原生裂缝的产生与发展，阻断硫酸盐溶液进入混凝土内部的通道，降低混凝土遭受浸蚀的几率。

在普通混凝土中采取掺矿物掺合料、引气剂及纤维等措施，可以降低混凝土的渗透性，从而达到改善混凝土抗干湿循环性能的目的。

2.4 两种浸蚀方法评价

浸泡过程中采取流动循环溶液浸蚀方法和静止溶液浸蚀方法对混凝土的抗硫酸盐干湿循环性能影响不同，静止溶液浸蚀方法与结构物所处的实际环境相差较远，流动循环试验结果可反映出干湿循环破坏的加速条件，影响矿物掺合料、聚丙烯纤维、引气剂改性效应发挥的程度。流动循环溶液浸蚀方法下测定混凝土的相对动弹模量、抗盐结晶浸蚀系数比静止溶液浸蚀方法下的测定值低，混凝土质量损失率较大，表明混凝土在流动循环溶液浸蚀下，混凝土抵抗干湿循环破坏的能力相对偏低，外掺材料的改善效果较为客观、真实。今后应根据具体环境条件选择适宜的浸蚀方法来评价混凝土的抗干湿循环性能。

3 结论

1)在流动溶液和静止溶液两种浸蚀方法下，采用复掺技术的混凝土抗硫酸盐干湿循环性能增强;但流动循环溶液浸蚀方法下，不同改善措施的混凝土相对动弹模量、质量损失率及抗盐结晶浸蚀系数等评价指标所反映的结果更客观、真实。

2)硅粉、粉煤灰、矿渣粉复掺有利于改善混凝土的抗硫酸盐干湿循环性能;矿物掺合料复掺措施不及矿物掺合料与引气剂、聚丙烯纤维复掺的措施，多元材料复掺技术对混凝土的抗硫酸盐干湿循环性能有良好的改善效果。

3)在混凝土含气量小于6%、聚丙烯纤维体积掺量小于0.2%时，混凝土抗硫酸盐干湿循环性能随聚丙烯纤维和引气剂掺量的增加而增强。

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