硫酸铵溶液对混凝土碳化及力学性能的影响研究

汪小平，张柳春，帅云飞，李彬

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 341000)

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验水泥为万年青牌的42.5级水泥；实验用水为提前在太阳下曝晒后的自来水；细骨料，采用章江河沙；粗骨料，采用石灰岩碎石，粒径2.5～5 mm比重15%，粒径5～9.5 mm比重85%。

101型电热鼓风干燥箱；HX-2型碳化实验箱；ZC3-A型回弹仪；DYE-2000型压力机；HC-TH01型碳化深度仪。

1.2 不同强度等级试块的制备

设计制作强度等级分别为C40、C30和C25的三组混凝土试块，配合比依据相关规范进行设计，具体见表1。

表1 混凝土标准试块强度等级配合比Table 1 Concrete standard test blockstrength grade mix ratio

1.3 实验方法

将在水中常温下养护7 d后的试块，分别放入清水、2.5%和5%浓度硫酸铵溶液环境内浸泡，试块放置在清水内的记为S1，放置在2.5%浓度硫酸铵溶液内的记为S2，放置在5%浓度硫酸铵溶液内的记为S3。试块浸泡28 d后，取出烘干48 h，接着在碳化箱中进行快速碳化实验，分别碳化至0，3，7，14，28 d时，对试块进行回弹强度实验和极限抗压强度实验，测量其回弹强度值和极限抗压强度值，最后采用1%浓度酚酞试液与碳化深度仪，测量混凝土试块碳化深度。

2 结果与讨论

2.1 硫酸铵溶液对混凝土碳化反应影响分析

混凝土试块碳化深度随龄期变化见图1。

图1 混凝土试块碳化深度变化趋势Fig.1 Concrete test block total carbonization depth a.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

将三组试块的碳化数据进行整合处理，去除S2、S3组试块因硫酸铵溶液作用而出现的“类碳化”部分，重新绘制混凝土试块实际碳化深度随龄期变化，结果见图2。

图2 混凝土试块实际碳化深度变化趋势Fig.2 Concrete test block real carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由图2还可知，三组混凝土试块碳化速度都随着龄期的推移而逐步变缓，分析其原因，主要是由于试块发生碳化时产生CaCO3固体物，填充了试块部分缝隙，从而减缓了CO2渗透速度。在硫酸铵溶液下浸泡的试块，随着碳化的进行，不仅生成了CaCO3固体物，还会生成石膏和铝胶等物质，进一步减缓混凝土试块的碳化速度。

2.2 硫酸铵溶液对混凝土强度影响分析

2.2.1 硫酸铵溶液对混凝土回弹强度的影响 图3 给出了混凝土试块回弹强度的变化趋势。

图3 混凝土回弹强度随碳化深度的变化趋势Fig.3 Trend of concrete rebound strength with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

由图3可知，各组试块的回弹强度均随碳化深度的增加而增强；在碳化期龄及强度等级相同时，随着硫酸铵溶液浓度增高，其回弹强度相应降低。造成这种现象的主要原因是，混凝土试块碳化所生成的CaCO3固体物会增强混凝土表面硬度，从而增加其回弹强度。而S2和S3组的试块在硫酸铵溶液作用下，表面一定深度的碱性物质在碳化之前就已经被消耗掉，因而其表面生成的CaCO3固体物相对于S1组较少，导致回弹法测出的强度值相对S1组更小。另外试块在硫酸氨溶液侵蚀过程中还产生钙矾石和钙硅石等膨胀性产物，使得混凝土表面变的酥脆松软，从而降低其表面硬度。硫酸铵溶液浓度越高，此过程也越显著。

2.2.2 硫酸铵溶液对混凝土极限抗压强度的影响 图4给出了混凝土试块极限强度的变化趋势。

图4 混凝土极限抗压强度值随碳化深度的变化趋势Fig.4 Trend value of ultimate compressive strength of concrete with carbonization deptha.C40混凝土；b.C30混凝土；c.C25混凝土

2.3 回弹法专用测强曲线的制定

按照地区和专用测强曲线的制定方法要求[16]，回归方程的函数关系应符合式(1)：

(1)

0.1 MPa；

Rm——回弹强度平均值，精确到0.1 MPa；

dm——碳化深度平均值，精确到0.1 mm；

a，b，c——常数系数。

在测区强度换算表中[16]，对碳化深度≥6 mm的情况按6 mm进行计算。本实验大部分试块的碳化深度均>6 mm，故可将式中的dm统一取值 6 mm，通过实验数据计算得出a，b，c常数值，分别制定2.5%和5%浓度硫酸铵溶液环境下的混凝土回弹专用测强曲线方程，见式(2)、式(3)。

(2)

(3)

经误差计算，制定的两组专用测强曲线强度平均相对误差：S2组δ=8.4%≤12%，S3组δ=9.1%≤12%；强度相对标准差：S2组er=8.8%≤14%，S3组er=9.5%≤14%；函数决定系数：S2组R2=0.932 4，S3组R2=0.926 3。误差大部分保持在±10%之间，总体分布比较分散，也比较均匀，满足规范要求。

图5 S2组专用测强曲线图Fig.5 S2 Group special strength graph

图6 S3组专用测强曲线图Fig.6 S3 Group special strength graph

3 结论

(1)硫酸铵溶液环境使得混凝土试块产生 “类碳化”现象，硫酸铵浓度越高，“类碳化”的深度越深。

(2)碳化深度随着龄期的增长而加深，碳化速度随着龄期的增长而趋于变缓。硫酸铵溶液使得混凝土更加容易被碳化，硫酸铵溶液浓度越高混凝土碳化作用越强，碳化深度越深。

(3)硫酸铵溶液的侵蚀使得混凝土的回弹强度和抗压强度都相对下降，相同条件下硫酸铵浓度越高，回弹强度和抗压强度都相应下降的越多。

(4)制定了2.5%和5%两种浓度硫酸铵溶液环境下混凝土专用测强曲线且误差范围满足规范要求，可供实际工程参考。