抗硫酸盐水泥混凝土的合理试件尺寸选取

2012-09-01乔宏霞何海杰何忠茂

中国建材科技 2012年1期

乔宏霞何海杰何忠茂曹辉

（1兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050；2甘肃土木工程科学研究院，甘肃兰州 730020）

我国西部盐渍土区域以内蒙古、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆等六省最为突出。这些地区的盐渍土大部分为硫酸盐渍土，所以在该地区建设的水泥混凝土道路桥梁基础建设，必然不同程度的受到硫酸盐腐蚀，研究混凝土硫酸盐腐蚀问题成为该地区混凝土结构耐久性面临的最大问题。对于混凝土抗硫酸盐腐蚀性试验评价参数，作者在《兰州理工大学学报》2009年第4期《GHPC抗硫酸盐腐蚀性的评价参数设计》中做了详细的设计和研究，本文考虑了实验室进行快速破坏实验的便利和减少由于不同试件带来的试验误差，选择了无破损检测混凝土耐久性的评价参数[1]，动弹性模量评价参数1ω和质量评价参数2ω评价参数[2]评定规则相同，均为：评价参数小于零时混凝土失效，评价参数小于1时混凝土性能劣化，评价参数大于1时混凝土性能加强[3][4][5]。对于绿色高性能混凝土硫酸盐腐蚀试验的选用最佳试件尺寸问题通常认为：试件的形状(特别是表面积与体积之比)对侵蚀的速度有着很大的影响。在体积相同的情况下，表面积越大的试件受侵蚀面越大，侵蚀的速度越快。若试件的断面为正方形，边长为a，则试件的表面积与体积之比约为4/a，即边长a越小，该比值越大，受侵蚀的相对面积越大。因此，为了加快试验的速度，宜选择尽量小的试件尺寸，这也是很多研究者进行试验时选择的试件尺寸[6][7][8]。

但是，如果试件尺寸过小，成型和破坏时的试验条件和环境条件的微小变化都对试验结果产生显著的影响，使试验结果的离散性很大，从而影响试验结果分析。为了获得合适的试件尺寸，本文选用两种不同尺寸的试件进行了混凝土在硫酸盐环境中的快速破坏试验研究，选取进行混凝土抗硫酸盐腐蚀性试验研究的最佳试件尺寸。

1 试验原材料及试验方案

1.1 试验原材料及其性能

试验采用两种不同尺寸混凝土试件，其中编号前为X的混凝土试件采用中砂和细石配制，试件尺寸为，编号前为B的混凝土试件采用粗砂和碎石配制，试件尺寸为100mmx100mmx400mm，编号后的数字代表混凝土强度等级；这两种混凝土均无矿物掺和料，采用42.5级高抗硫酸盐水泥配制，采用复合高效减水剂提高强度和和易性。其中XP45试件的原材料见参考文献[1]；其中BP45试件用碎石由隆鑫混凝土公司提供，石子粒径为5mm～31.5mm，为连续级配，其各项指标见表1，其余原材料见参考文献[1]，混凝土配合比见表2。

表1 碎石性能指标

表2 混凝土配合比

1.2 试验方法

试验采用无水硫酸钠配制硫酸盐溶液作为干湿循环中的浸泡液，3种浸泡液中离子浓度为：，选取饮用水（A）作为对比，共3组浸泡液，两种干湿循环制度，XR45混凝土试件采用循环制度一：试件分别在3种不同的浸泡液A、B、C中分别浸泡12h，然后在烘箱中65-76℃烘干12h，每24h作为一个循环，一天可进行一个循环。

为了使试验结果具有对比性，使BR45混凝土试件达到与XR45混凝土试件相同的烘干效果，采用循环制度二：试件分别在3种不同的浸泡液A、B、C中分别浸泡12h，然后在烘箱中100-105℃烘干12h，每24h作为一个循环，一天可进行一个循环。

混凝土试件均为标准养护28d，测定试件浸水饱和后的基准重量和动弹性模量，在每20次循环后检测试件的重量和动弹性模量，计算混凝土试件的动弹性模量评价参数1ω和质量评价参数2ω，具体计算见参考文献[1]，在3种浸泡液中干湿循环时有一个评价参数达到破坏即停止试验。

2 试验结果和数据分析

2.1 混凝土在A溶液中循环后的数据分析

不同尺寸的混凝土试件在A溶液中经历干湿循环后评价参数1ω和2ω变化如图1和图2所示。

图1 A溶液中循环后评价参数ω1

图2 A溶液中循环后评价参数ω2

图1可见：BR45的1ω在60次循环以前上下略有波动，在60次循环后1ω开始较快速的下降，直到循环结束时1ω下降到0以下，显示此时混凝土BR45已经失效；XR45的1ω在20次循环时就快速降到了接近0的位置，显示此时混凝土XR45已经濒临失效，在随后的循环中1ω很快下降到0以下，在40次循环时小尺寸试件XR45的1ω接近-0.2左右，显示混凝土XR45已经严重破坏并且失效，在后面继续循环时，小尺寸试件XR45的1ω开始回升，在100次循环结束时1ω回升到0.6以上，这种回升不能说明混凝土试件XR45的损伤愈合，因为在40次循环时混凝土XR45已经严重失效，应该评定该混凝土仅能在20次干湿循环以内是有效的，40次循环后评价参数1ω的这种回升是由试件尺寸太小引起的损伤假性愈合。

图2可见：高抗硫酸盐水泥混凝土的2ω在循环过程中基本上均低于1，说明抗硫酸盐水泥混凝土性能在劣化：BR45的2ω在循环过程中基本上在0.95左右上下波动，在循环结束时接近1.0，可见大尺寸试件BR45重量变化不是很大；XR45的2ω在40次循环前一直在降低，在40次循环时降到0.85左右，说明混凝土XR45的性能在劣化，在随后的循环过程中ω2开始升高，在100次循环结束时ω2约为0.95，可见小尺寸试件XR45的重量在增加，但是试件重量的这种增加并不能说明混凝土XR45的损伤在愈合。

在水中进行干湿循环时高抗硫酸盐水泥混凝土的ω1和ω2均评定混凝土处于性能劣化状态，并且劣化速度较快，特别是小尺寸试件XR45，它的劣化速度加快了很多，这种现象的主要原因是高抗硫酸盐水泥中的C3A含量较低造成的。

2.2 混凝土在B溶液中循环后的数据分析

不同尺寸的混凝土试件在B溶液中经历干湿循环后评价参数1ω和2ω变化如图3和图4所示。

图3 B溶液中循环后评价参数ω1

图4 B溶液中循环后评价参数ω2

图3可见：高抗硫酸盐水泥混凝土在B溶液中进行干湿循环时表现出较好的耐侵蚀性能：BR45的1ω在70次循环以前基本上保持在0.9左右，性能没有严重的劣化，在70次循环后，1ω开始下降，下降速度和下降幅度不大，在110次循环结束时1ω在0.6以上，说明混凝土BR45在B溶液中进行干湿循环过程中性能在劣化，尚未失效；XR45的1ω在60次循环前下降速度较快，在60次循环时下降到0.2以下，没有到达0，说明混凝土XR45的性能在劣化但未失效，在随后的循环中XR45的1ω开始回升，在100次循环结束时回升到0.4左右，这种回升的一个重要原因是试件尺寸太小和外界各种因素对其影响太大造成的。

图4可见：高抗硫酸盐水泥混凝土的2ω在循环过程中均高于0.95，远远没有失效：XR45的2ω在循环过程中上下波动，在100次循环结束时仍大于1，2ω评定混凝土XR45性能处于强化状态，说明混凝土XR45在B溶液中干湿循环时试件重量增加；BR45的2ω在90次循环以前基本上在1的左右上下波动，在100循环时2ω降到0.95，随后在110次循环结束时又上升到1.05以上，变化不大。

高抗硫酸盐水泥混凝土的1ω和2ω在B溶液中进行干湿循环时均评定混凝土未失效，可见高抗硫酸盐水泥混凝土对于的硫酸盐溶液有一定的抗侵蚀性。高抗硫酸盐水泥混凝土仅针对长期浸泡硫酸盐环境有较好的抗侵蚀性，增加了干湿循环因素的损伤下，加速了高抗硫酸盐水泥混凝土的性能劣化，这一点体现在图3的1ω的降低上。

2.3 混凝土在C溶液中循环后的数据分析

不同尺寸的混凝土试件在C溶液中经历干湿循环后评价参数1ω和2ω变化如图5和图6所示。

图5可见：高抗硫酸盐水泥混凝土的1ω在C溶液中进行干湿循环时均为下降趋势，说明抗硫酸盐水泥混凝土性能处于劣化状态：BR45的1ω在80次循环以前下降较平缓，在80次循环以后开始加快下降速度，在最终循环结束时评价参数1ω达到0.6以下，说明混凝土BR45的性能劣化不很严重；XR45的1ω在循环过程中平缓下降，在80次循环时下降到最低点约0.2左右，在随后的循环中再没有下降，100次循环结束时XR45的1ω略高于0.2，说明混凝土XR45在C溶液中干湿循环时性能一直在劣化但未失效。综合大尺寸试件BR45和小尺寸试件XR45的1ω的变化规律来看，高抗硫酸盐水泥在硫酸盐侵蚀环境中发挥了一定的抗侵蚀作用，小尺寸试件XR45受到腐蚀速度较快，性能劣化程度较重。

图5 C溶液中循环后评价参数ω1

图6可见：高抗硫酸盐水泥混凝土的2ω在C溶液中进行干湿循环时为先升高后降低：XR45的2ω在60次循环时升高到最高点约1.3左右，说明XR45混凝土试件的重量在增加，在随后的循环中开始降低，在100次循环结束时下降到1.0以下，说明混凝土XR45进入劣化状态；BR45的2ω在90次循环前基本上在1的左右上下波动，说明BR45混凝土试件的重量没有很大变化，在随后的循环中开始加速下降，在110次循环结束时下降到0.8左右，评定此时混凝土BR45已经进入劣化状态。

图6 C溶液中循环后评价参数ω2

高抗硫酸盐水泥混凝土的1ω和2ω在C溶液中进行干湿循环时均评定混凝土未失效，可见高抗硫酸盐水泥混凝土对于的硫酸盐溶液也有一定的抗侵蚀性。高抗硫酸盐水泥混凝土仅针对长期浸泡硫酸盐环境有较好的抗侵蚀性，增加了干湿循环因素的损伤下，加速了高抗硫酸盐水泥混凝土的性能劣化，这一点体现在图5的ω1的降低上，同时C溶液比B溶液浓度增加了10倍，对高抗硫酸盐水泥混凝土的损伤加重，这一点体现在图5的ω1降低的程度高于图3的ω1降低的程度。