交通基础设施受硫酸盐侵蚀过程中混凝土强度变化试验研究

2023-06-07汪林华杨云龙范长利奚欢欢

黑龙江交通科技 2023年6期

关键词：坑洞立方体硫酸盐

汪林华,杨云龙,范长利,彭勇,奚欢欢

(成都建工蓉睿建材有限公司,四川成都 610000)

1 试验设计

1.1 原材料及混凝土配合比设计

表1 材料参数表单位:kg/m3

设计水灰比为0.35,混凝土试块浇筑完成1 d后对其进行自然养护,养护时间为标准条件下28 d。

侵蚀溶液采用无水硫酸钠溶液进行配置,浓度分别为0%、3%、6%、9%,为探究不同侵蚀浓度下,立方体混凝土试块在不同时期表观变化、强度变化及弹性模量,每组试块数量为个8块,分别浸泡在不同浓度的硫酸盐溶液中,在相对应的时间段取出试块观察表观变化,随后进行抗压强度测试,抗压强度测试实验包括立方体抗压强度和弹性模量变化实验。

1.2 试验过程

养护完成的立方体试块随机分成四组,每组试块数量为8个,共计32个混凝土试块,分别浸泡在四种浓度的溶液中,在不同时间段,同时取出四种溶液中浸泡的立方体试块进行强度测试及表观变化分析。混凝土立方体抗压强度是衡量混凝土强度的重要指标,弹性模量是反映混凝土应力应变之间的对应关系,混凝土强度等级越高其弹性模量也就越大,试验中采用压力试验机可测取相关数据,试验过程均按照标准测试方法进行。

2 试验结果及分析

2.1 试件表观变化特征

同一时间段时间节点下不同硫酸盐浓度条件下的混凝土立方体试件表观变化情况。

同一时间节点下,不同浓度侵蚀溶液中混凝土试块表观过程,由于初始状态(侵蚀时长为0 d)时各混凝土块无表观变化,因此略去此过程。横向对比可以看出,在同一时间节点下,不同浓度的侵蚀溶液对混凝土试块的侵蚀程度并不相同。侵蚀前期,四种浓度的混凝土试块表观上差异不大,均有少量白色晶体附着于表面。该晶体为硫酸盐溶液结晶体,实际工程中也能发现。在酸性较强的混凝土工程结构物表面,时常附着有不同程度的结晶体。自然条件下,侵蚀离子更为多样化,此变化会更加明显。侵蚀中期,不同溶液中的混凝土试块开始出现点状侵蚀坑洞。浓度为0%的试块表面几乎无变化,随着溶液硫酸盐浓度的增加,坑洞分布逐渐密集。统计试块单面坑洞数量及深度可以发现,浓度为9%的侵蚀环境下,试件表面坑洞面积达4.2%,比浓度3%侵蚀环境多2.9%。但其坑洞开口大小却比6%浓度侵蚀条件下的试块坑洞开口小,在6%侵蚀条件下,混凝土试块表面坑洞数量较少,但开口较大,深度较浅,呈圆形点状不规则分布于试块表面。侵蚀中期,试块棱边完整,但顶角处出现不同程度的破损,在实际工程中也可以发现,混凝土结构物受环境侵蚀往往从顶角处开始出现破坏,原因在于这些节点处常常有硫酸盐结晶堆积,侵蚀浓度更大。侵蚀后期,混凝土试块表面颜色发生变化,颜色由之前的深褐色转为浅灰色,试块表面呈现条纹状结晶体,表面坑洞开口变大,多处细小开口连成片状,试件表面开始出现片状剥落区域。在浓度为9%的侵蚀溶液中,试块棱边出现齿状破坏,侵蚀程度最为严重。

从试件表观变化规律可以看出,侵蚀溶液浓度越大,混凝土试块侵蚀程度越严重,且随时间的增长,侵蚀破坏会从混凝土试件顶角处开始,逐步向棱边进行,最终导致混凝土结构整体发生侵蚀剥落,严重威胁结构物的安全性能[4]。

2.2 立方体抗压强度

取不同侵蚀条件的混凝土试块进行立方体抗压性能测试,测试数据统计如图1所示。

图1 混凝土试块抗压强度变化图

侵蚀进入中期阶段时,混凝土试块强度开始出现降低。浓度为0%的清水对照组强度变化不大,其余各溶液中混凝土试块强度均出现下降,其中浓度为3%的侵蚀溶液中的混凝土试块强度下降幅度为11.4%,降低幅度最大。浓度为6%和9%的侵蚀溶液中的混凝土试块强度降幅分别为7%和5%。侵蚀进入后期,浓度为9%的侵蚀溶液中的混凝土试块立方体抗压强度开始陡降,降低幅度达到18%左右。6%浓度的侵蚀环境中,强度降低12%,3%浓度的侵蚀环境中,强度降低幅度较小,仅为6.5%,未被侵蚀的清水组混凝土试块强度不降反增。从侵蚀中期到侵蚀后期可以看出,在未被硫酸盐溶液侵蚀的条件下,混凝土立方体试块的强度是比较稳定的,本试验中,该组试块强度稳定在35 MPa左右,将其作为对照组混凝土试块的最终强度,可以看出环境中硫酸盐浓度越大,混凝土最终强度越低,侵蚀之后的混凝土构件强度降低之后可能出现破坏的现象。在实际工程中,混凝土构件简单受硫酸盐侵蚀,同时也处于受力状态,硫酸盐侵蚀环境更为复杂[7]。从侵蚀中后期的过程可以看出,混凝土结构在受到硫酸盐侵蚀之后,强度必然降低,但不同浓度的环境下,混凝土强度快速下降的侵蚀周期是不同的。试验中3%的侵蚀环境,混凝土强度陡降发生在侵蚀中期,6%和9%的侵蚀环境下,混凝土强度陡降发生在侵蚀后期。

2.3 混凝土弹性模量

不同侵蚀环境中混凝土试块弹性模量随侵蚀时常的变化规律图如图2所示。可以看出,初始状态下,混凝土试块弹性模量为26.5 GPa。侵蚀前期,混凝土试块立方体抗压强度表现一致,其弹性模量也出现上升的情况。其原因同强度变化一致,侵蚀过程持续进行,清水中的混凝土试块弹性模量继续增加,在侵蚀中期和侵蚀后期来到30.5 GPa。在含硫酸盐的侵蚀环境中,混凝土弹性模量在侵蚀中期就出现降低,且该过程从中期一直持续到侵蚀结束,9%浓度的侵蚀环境下,侵蚀结束后混凝土弹性模量仅为22.5 GPa,6%浓度的侵蚀环境中,混凝土弹模为23.6 GPa,3%的侵蚀环境下,为24.8 GPa。以清水组侵蚀后期的混凝土弹模30.5 GPa为该组混凝土试件在实际工程中的标准弹模,浓度为9%的硫酸盐侵蚀环境下,最终弹模下降了26%,其他浓度的侵蚀环境,混凝土弹模也有不同程度的降低。从曲线斜率可以看出,混凝土弹性模量的降低过程是连续且均匀的,只要环境中存在一定浓度的硫酸盐,混凝土结构在长期的侵蚀条件下均会出现弹模降低的情况。混凝土弹性模量降低之后,在外部荷载的作用下,结构容易出现裂缝,混凝土结构内部的受力钢筋也会受到自然环境中离子的侵蚀,使结构钢筋锈蚀,严重时将影响结构受力,产生安全隐患[8]。