冻融循环及硫酸盐侵蚀对混凝土耐久性的影响研究

孙刚锋， 缑彦强

(1.陕西省泾惠渠灌溉管理局， 陕西 咸阳 713800；2.水电四局投资开发有限公司， 青海 西宁 810007)

水工混凝土是水工建筑物中的主要建筑材料。在我国高寒地区，水工混凝土受到大温差、强腐蚀的自然因素的影响，其力学性能及耐久性能都会受到较大的影响[1]。因此，复杂环境下的水工混凝土耐久性及力学性能研究对于水工混凝土在高寒地区的推广具有重要的意义[2]。

近5年—10年来，国内外学者对于水工混凝土在冻融循环以及硫酸盐侵蚀研究方面取得了一定的进展[3-9]。研究发现：普通混凝土的质量损失率在冻融循环的过程中出现缓慢增大的趋势，然而其相对动弹性模量出现减小的趋势；当混凝土冻融循环的介质为盐水时，盐冻情况下对于水工混凝土的损伤一般会大于其在清水介质中的损伤；在相同的冻融循环次数下，掺加一定量的矿物掺合料及外加剂(引气剂及减水剂)的混凝土比未掺加的混凝土抗冻性较强；高强度等级的混凝土的抗冻性较好。苑立冬等[10]发现在硫酸镁溶液和较低浓度的硫酸钠溶液中进行混凝土冻融循环试验，相比在较高浓度的硫酸钠溶液中进行混凝土冻融循环试验，前者对于混凝土的损伤更加严重。而孙迎召等[11]通过试验研究表明了相反的观点：高浓度的硫酸钠溶液反而加剧了混凝土的抗冻性。

目前，国内外已有大量文献研究了在单一因素作用下的混凝土的耐久性，而在混凝土实际服役环境中，大多是多种因素共同影响混凝土的耐久性。因此，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的混凝土的耐久性是目前急需研究的科学问题。本文对单一因素和多因素作用下混凝土的耐久性进行综合考虑，对比分析混凝土的耐久性，为实际工程的设计提供依据，以期延长混凝土在极端服役环境下的服役寿命。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验中混凝土配合比为某混凝土面板堆石坝面板混凝土，采用安徽海螺水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥(强度等级为42.5)，选用的粗骨料为粒径5 mm～30 mm的二级配天然卵石，细骨料为河砂(细度模数2.68)。试验还选用了宝钢电厂的Ⅱ级粉煤灰，以及聚羧酸高效减水剂和三萜皂甙引气剂两种外加剂。

1.2 混凝土配合比设计

本试验将粗骨料分为两个级配(5 mm～20 mm和20 mm～30 mm)，等比例混合。混凝土配合比严格按照规范《水工混凝土试验规程》[12](SL 352—2006)设计，配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试验方法

本试验的试件为圆柱体试件，尺寸为Φ100 mm×200 mm。根据《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》[13](GB/T 50082—2009)(以下简称《标准》)，将混凝土试件置于标准养护箱中养护28 d后再进行试验。

1.3.1 冻融循环试验

按照《标准》[13]中的“快速冻融循环”方法进行试验。将混凝土试件分为6组，每组3个试件，共计18个试件。当试件到达预定龄期的前4 d，从标准养护箱中取出，放入(20±2)℃的水中浸泡4 d，从浸泡液中取出后将试件置于冻融循环机中开始混凝土冻融循环试验(见图1)，并且将温度设定为-18℃～5℃。

图1混凝土冻融循环试验

1.3.2 硫酸盐侵蚀试验

硫酸盐侵蚀试验的试件共分5组，每组3个。侵蚀溶液是质量分数为5%的硫酸钠溶液。养护至26 d时，将试件取出并擦干表面后放入烘干箱中，烘干2 d。烘干后将其自然冷却至室温后再进行硫酸盐侵蚀试验。试验采用干湿循环方法，将试件置于硫酸盐干湿循环机中进行试验，试验见图2。

图2混凝土硫酸盐侵蚀试验

1.3.3 硫酸盐侵蚀和冻融循环交替试验

将混凝土试件分为5组，每组3个试件，共计15个试件。参照1.3.1节和1.3.2节的试验步骤，以15次硫酸盐干湿循环和20次混凝土冻融循环为1次交替试验，本试验一共进行交替试验5次。

不同因素作用下的混凝土试件表面情况如图3所示。

图3不同因素作用后的混凝土试件表面损伤情况

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环试验

冻融试验中混凝土质量损失率变化及相对动弹性模量演变规律分别见图4、图5。

图4 不同冻融循环次数下混凝土试件的质量损失率

图5不同冻融循环次数下混凝土试件的相对动弹性模量

根据图4可以分析，混凝土试件的质量损失率在前20次循环过程中为负值，表明在这一过程中混凝土的质量出现了增加。此时混凝土的质量损失率为-0.07%，即质量增大。虽然在试验初期，试件表面会出现少量的砂浆脱落的现象，但由于试件内部存在的原有孔隙会吸入水分，这会导致吸水量大于砂浆脱落的质量，引起试件的质量损失率下降。试件受到冻融循环次数的影响，试件原有的冻胀破坏进一步加剧，试件表面裂缝的宽度及数量都有所增加，从而出现砂浆的大面积脱落现象，质量在此时增大了0.07%。然而在冻融循环20次以后，试件基本处于饱和状态，吸水量非常小，质量此时就开始减少，在100次冻融循环作用后质量减少了0.5%。

从图5可以看出，混凝土试件的相对动弹性模量在冻融循环作用次数增加的情况下逐渐减小。在冻融循环20次、60次、100次后试件的相对动弹性模量分别下降了0.94%、2.65%、7.19%。由图5中的整体变化趋势我们可以看出：冻融初期，由于混凝土试件中本身存在部分缺陷，在冻融循环作用下内部微裂纹进行了少量扩展，相对动弹性模量下降速度相稳定，损伤不大，因而在该阶段混凝土试件的相对动弹性模量下降的速度缓慢；冻融循环次数增加，冻融影响作用也愈加强烈，在老裂缝不断扩展的同时开始出现新的裂缝，混凝土试件的损伤程度增大，相对动弹性模量的下降速度随之加快[14]。

2.2 硫酸盐干湿循环试验

不同硫酸盐干湿循环作用下混凝土试件的质量损失率和相对动弹性模量分别如图6、图7所示。

图6 不同硫酸盐干湿循环次数下混凝土试件的质量损失率

图7不同硫酸盐干湿循环次数下混凝土试件的相对动弹性模量

由图6可知，增加硫酸盐干湿循环的次数可以使试件的质量损失率先降低后提高，试件的最大质量出现在硫酸盐干湿循环为60次。可能是由于混凝土硫酸盐干湿循环过程中发生结晶物的累积，石膏和钙矾石等晶体堆积在混凝土毛细孔中，最终表现出质量的增加。然而，硫酸盐干湿循环的后期，晶体不再生成，劣化程度的加大使混凝土表面呈现掉渣，故质量降低。

由图7可知，随着硫酸盐干湿循环作用的增多，试件的相对动弹性模量先提高后降低，并在60次硫酸盐干湿循环作用处于最高值。原因是侵入混凝土内部的硫酸盐会与混凝土结晶反应生成石膏等。在较少次数的循环作用下，石膏等表现出的填充作用可以增加混凝土的密实度，故增大了动弹性模量；随后由于石膏等含量的增多，其表现出的膨胀作用增强，加快了试件内部裂缝的发展，破坏了混凝土的孔隙结构，故动弹性模量值随之降低[15-17]。

2.3 冻融与硫酸盐侵蚀耦合试验

试验中不同时期的混凝土质量损失率和相对动弹性模量变化规律分别如图8、图9所示。

图8 不同交替循环次数下混凝土试件的质量损失率

图9不同交替循环次数下混凝土试件的相对动弹性模量

根据图8不难看出，随着交替循环次数的增加，混凝土试件的质量损失率变化的趋势为先减小后增大。经过2次、3次和5次交替循环后，其质量损失率分别为-1.67%、0.13%以及2.13%。交替作用下混凝土质量损失率变化主要表现为以下两个阶段：

(1) 质量损失率匀速下降阶段。这段时间内由于硫酸盐与混凝土内部碱性物质发生化学反应，并且试件中的毛细孔会吸收部分水分，因此混凝土的质量会有所增加；而在这个阶段交替循环的次数较少，对混凝土的损伤较轻，试件表面砂浆的脱落现象并不严重，质量的损失也较少。因此，综合来看混凝土的质量在此阶段有一定的增加。

(2) 质量损失率加速上升阶段。分析原因一方面是由于硫酸盐在混凝土内部反应造成内部结构的孔隙膨胀扩展；另一方面是因为随着交替侵蚀试验的进行，冻融作用造成混凝土的表层砂浆严重脱落，从而加速了硫酸盐溶液进入到混凝土孔隙内部。因此，混凝土试件的质量开始减小，且减小的速度有加快的趋势。

根据图9可以分析，在第1次循环之后混凝土的相对动弹性模量有所增加，增幅为0.36%。然而随着试验的继续进行，其相对动弹性模量开始逐渐降低，当交替循环为2次和5次时，相对动弹性模量分别降低至99.72%和86.39%。

上述的相对动弹性模量的变化规律表明：混凝土的相对动弹性模量在前2次交替循环试验的过程中变化并不明显。随着试验的继续进行，混凝土内部硫酸盐作用的反应产物会产生膨胀压力，从而造成混凝土内部的微小结构孔隙出现破碎。此外，冻融作用不仅会使混凝土内部的缺陷继续扩展，也会在混凝土内部产生新的缺陷，而新的缺陷也会在后续的试验中得到进一步的扩展，加大混凝土的损伤程度。因此，相对动弹性模量在这个阶段下降的速度加大。

2.4 冻融循环和硫酸盐侵蚀单一试验结果叠加平均值与交替试验结果对比分析

图10显示，当冻融循环以及硫酸盐干湿循环进行相同的次数时，交替进行相比两种因素分别进行再叠加混凝土试样的质量损失率较大。在两种因素进行的次数不多时(冻融循环小于等于30次，硫酸盐干湿循环小于等于40次)，交替进行与两种因素分别进行再叠加之后对混凝土试样的质量损失率的影响基本一致。在交替循环5次以后，混凝土试件开始出现质量减小的现象，其质量损失率大致为1.03%；同等试验条件下，在两种因素分别进行时，其最终叠加的质量损失率情况为-2.53%，此种情况表明了混凝土试样的质量在增加。结合以上两种情况的分析结果，可以得出两种因素分别进行再叠加得到的质量损失率结果相比交替进行的结果其差值大致为3.56%。可以得出，交替进行时两种因素之间起到了相互促进的作用，最终导致了被测试样的加速破坏。

图10冻融循环和硫酸盐侵蚀单一试验质量损失率叠加平均值与交替试验质量损失率

图11显示，交替作用进行次数较少的情况下，交替进行相比两种因素分别进行再叠加混凝土试样的相对动弹性模量差别不大。随着交替循环的进行，在相同的试验条件下，交替试验和两种因素分别进行再叠加之间出现的差值也在逐步扩大。

图11冻融循环和硫酸盐侵蚀单一试验相对动弹性模量叠加平均值与交替试验相对动弹性模量

在冻融循环进行次数不大于60次，同时硫酸盐干湿循环进行次数不大于45次的情况下，两种因素分别进行再叠加对混凝土的相对动弹性模量的影响相对较小，但是随着循环次数的逐步增加，它们的叠加平均值出现减小的趋势。比如，在两种因素进行的次数较少(冻融循环次数为40，硫酸盐干湿循环次数小于等于30)的情况下，混凝土试样的相对动弹性模量值大致为99.72%，而在同等的试验条件下，其相对动弹性模量呈现出来的交替作用值为97.85%，其前后的差值为0.41%；在两种因素侵蚀进行的次数较多时(冻融循环次数为100，硫酸盐干湿循环次数小于等于75)，其混凝土剩余相对动弹性模量为97.85%，然而交替作用下混凝土剩余相对动弹性模量为86.39%，可以看出前者比后者的相对动弹性模量高出6.42%。因此可以得出，在同等的冻融循环以及硫酸盐干湿循环情况下，两种因素交替进行对混凝土试样的破坏作用要明显大于单一因素的作用。

3 结 论

(1) 在单一冻融、硫酸盐侵蚀及二者耦合作用下，混凝土的质量损失率均先减小后增大，且在单一硫酸盐侵蚀作用下质量损失率的减小幅度最大，经60次硫酸盐侵蚀作用后质量损失率达到最小。

(2) 在单一冻融下，混凝土的相对动弹性模量表现为逐渐降低；在单一硫酸盐侵蚀、冻融与硫酸盐侵蚀耦合作用下，混凝土试样的相对动弹性模量出现了开始小幅度增加之后又逐步减小的趋势。

(3) 在相同冻融循环以及硫酸盐干湿循环作用条件下，两种因素的交替作用对混凝土的破坏并没有呈现出各个因素的简单叠加情况，而是这两种因素之间呈现出相互促进的作用，从而导致了混凝土试样的加速破坏。