摘要:本試驗(yàn)研究了應(yīng)力作用下混凝土的硫酸鹽腐蝕特性，采用在線(xiàn)測(cè)定方法對(duì)不同水灰比的混凝土試件進(jìn)行了與干濕循環(huán)有關(guān)的單一破壞因素（Single damage factor, SDF）和多重破壞因素（Multiple damage factor, MDF）作用下的耐久性試驗(yàn)研究；探索了荷載、干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕等破壞因素的單獨(dú)作用及其復(fù)合作用對(duì)混凝土耐久性的影響規(guī)律；以動(dòng)彈性模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)多因素協(xié)同作用下的不同水灰比混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行了表征，通過(guò)測(cè)試硫酸鹽侵蝕條件下混凝土動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律，得到更為實(shí)用的混凝土抗硫酸鹽性能的評(píng)價(jià)方法；同時(shí)采用XRD對(duì)硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物進(jìn)行了表征，以對(duì)荷載、硫酸鹽共同作用下的混凝土腐蝕特性進(jìn)行了微觀(guān)分析。
關(guān)鍵詞:硫酸鹽腐蝕、荷載作用、干濕循環(huán)、相對(duì)動(dòng)彈性模量、在線(xiàn)測(cè)量
0 引言
硫酸鹽侵蝕是混凝土老化病害的主要問(wèn)題之一，對(duì)于混凝土的硫酸鹽腐蝕，人們關(guān)注的常常是在實(shí)驗(yàn)室按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和硫酸鹽浸泡時(shí)間等單一破壞因素(Single damage factor，SDF)作用下的耐久性指標(biāo)。然而，在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性問(wèn)題是一個(gè)干濕循環(huán)、荷載作用等多種破壞因素交互作用的復(fù)雜問(wèn)題。如何考慮實(shí)際工程中復(fù)雜的雙重破壞因素(Double damage factors, DDF)或多重破壞因素(Multiple damage factors, MDF) 的特點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果客觀(guān)地反映結(jié)構(gòu)工程中混凝土的耐久性或者使用壽命，是當(dāng)前混凝土科學(xué)研究中的一個(gè)重要課題[1-3]。
本文針對(duì)不同水灰比、不同膠凝材料的試件，浸漬于10%的Na2SO4溶液中，在抗彎荷載與非荷載作用下，分別測(cè)量其抗折強(qiáng)度；并根據(jù)干濕循環(huán)次數(shù)和相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化，制定相應(yīng)的）失效標(biāo)準(zhǔn)（當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量＜60%時(shí)，認(rèn)為該試件失效），結(jié)合混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的物象變化和外觀(guān)損傷情況，綜合評(píng)價(jià)混凝土抗硫酸鹽腐蝕效果。
1 試驗(yàn)方案
1.1 加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)
加載裝置如圖1所示，其特點(diǎn)如下：
（1) 加載裝置可以適應(yīng)不同大小的試件，便于對(duì)混凝土的不同性能進(jìn)行加載試驗(yàn)。
（2) 一個(gè)裝置能夠同時(shí)對(duì)1～5組試件進(jìn)行加載，每一組可由3～6個(gè)試件組成。
（3) 加載裝置的關(guān)鍵部分(受力部分)不用浸泡在腐蝕介質(zhì)中，不會(huì)使裝置生銹或腐蝕。浸泡在腐蝕介質(zhì)中的僅僅是受力支點(diǎn)而已，而受力支點(diǎn)可以采用不銹鋼或者事先進(jìn)行防銹處理。
1.2 試驗(yàn)方法
本文研究中的混凝土配合比可見(jiàn)表1：
按表1的配合比拌合混凝土，成型100mm×100mm×400mm試件，標(biāo)養(yǎng)28天后進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)。
荷載作用下的在線(xiàn)測(cè)定
本研究采用在線(xiàn)測(cè)定方法評(píng)價(jià)混凝土試件在侵蝕環(huán)境中的耐久性能，根據(jù)動(dòng)彈性模量的變化來(lái)表征試件在侵蝕溶液中的穩(wěn)定性，優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)無(wú)需破損試件，同組試件可在侵蝕過(guò)程中連續(xù)測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)性好，離散性小，可用少量試件進(jìn)行多方面的研究，適合在試驗(yàn)室開(kāi)展混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究；與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法相比（見(jiàn)表2）在線(xiàn)測(cè)定方法能更為客觀(guān)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境中的劣化過(guò)程，因此工程意義明顯。
表2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法比較[4,5]
混凝土試件經(jīng)標(biāo)養(yǎng)28天后，安放在加載架上，每3個(gè)試件一組，一個(gè)箱子中2組試件，如圖1所示。加載的荷載水平均為30%極限荷載，通過(guò)彈簧加載。加載后在箱中加入質(zhì)量百分比為10%的Na2SO4溶液，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。試件在硫酸鈉溶液中浸泡8小時(shí)，抽排8小時(shí)，烘干8小時(shí)（烘干溫度65℃），一個(gè)循環(huán)24小時(shí)，烘干后測(cè)定試件的動(dòng)彈性模量。試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%時(shí)，才將試件卸下；這種試驗(yàn)狀況，通常稱(chēng)為在線(xiàn)測(cè)定，能比較準(zhǔn)確地反映客觀(guān)實(shí)際。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 加載與非加載對(duì)比試驗(yàn)
利用在線(xiàn)測(cè)試方法對(duì)不同的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如表3所示。表中編號(hào)為1，2，3，4，5的試件（W/C=0.3）及編號(hào)為6，11的試件（W/C分別為0.4，0.5）進(jìn)行加載與非加載的浸泡及干濕循環(huán)試驗(yàn)，并進(jìn)行同步檢測(cè)。
表3 加載與非加載干濕循環(huán)同步檢測(cè)結(jié)果對(duì)照表
不同膠凝材料組成的試件（w/c=0.3），在荷載作用下，達(dá)到斷裂時(shí)的干濕循環(huán)次數(shù)及動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)表4。
由表3，4可以看出：非受載干濕循環(huán)試件，達(dá)到與受載試件相同的干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量不變，為100%；山鋁水泥的抗硫酸鹽侵蝕效果最好，斷裂時(shí)的干濕循環(huán)次數(shù)最高；在荷載相同，經(jīng)過(guò)不同次數(shù)干濕循環(huán)之后，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低，是由于試件受拉區(qū)出現(xiàn)了微裂縫，加速了溶液中SO42-向試件內(nèi)部的擴(kuò)散滲透，加速了鈣礬石的結(jié)晶膨脹，使混凝土中出現(xiàn)了更多的微裂縫，相對(duì)動(dòng)彈性模量降低。
對(duì)于相同品種水泥（OPC42.5），不同W/C的混凝土試件，在荷載作用下，達(dá)到斷裂時(shí)的干濕循環(huán)次數(shù)及動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)表5。表5中的數(shù)據(jù)表明，隨W/C的增大，荷載作用下混凝土干濕循環(huán)次數(shù)降低。這是由于混凝土強(qiáng)度、內(nèi)部孔隙均隨W/C變化而變化。隨W/C增大，混凝土強(qiáng)度降低，孔隙增多，抗?jié)B性下降，抗SO42-腐蝕性能下降。
2.2 加載試件的測(cè)試結(jié)果
將在10% Na2SO4溶液中浸泡的受載試件進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)（測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6），試驗(yàn)編號(hào)為1，2，6及11，除了2號(hào)試件使用山鋁水泥外，其他編號(hào)的試件均采用OPC42.5。
表6 在10% Na2SO4溶液中浸漬受載試件的動(dòng)彈性模量、抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
由表6可知：試件編號(hào)為1，6，11的混凝土試件，均用OPC 42.5，水灰比分別為0.3，0.4，0.5；干濕循環(huán)次數(shù)隨著水灰比的增大而降低；抗折強(qiáng)度也隨水灰比的增大而降低；試件的質(zhì)量損失幾乎為零。編號(hào)為2的混凝土試件，初始動(dòng)彈性模量比較高；28天的抗折強(qiáng)度高，經(jīng)過(guò)150次干濕循環(huán)后的相對(duì)抗折強(qiáng)度比相同水灰比的試件（W/C=0.3，OPC42.5）經(jīng)過(guò)145次干濕循環(huán)后的相對(duì)抗折強(qiáng)度較高，前者為113.5%，后者為112.7%。經(jīng)干濕循環(huán)的試件，浸泡后試件的抗折強(qiáng)度均高于初始抗折強(qiáng)度。
由此可見(jiàn)，在檢測(cè)的指標(biāo)中，抗折強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)而提高；試件的質(zhì)量損失都很小，
只有動(dòng)彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。因此，可用動(dòng)彈性評(píng)估試件受載干濕循環(huán)的性能，而且可以在線(xiàn)測(cè)定，以便客觀(guān)地比較不同試件抗硫酸鹽腐蝕的性能。
2.3 混凝土試件抗硫酸鹽腐蝕特性研究
為了研究膠凝材料抗硫酸鹽腐蝕特性，特別對(duì)混凝土試件的組成進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可見(jiàn)表7：
表7 混凝土試件抗硫酸鹽腐蝕的材料組成設(shè)計(jì)
只有動(dòng)彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。因此，可用動(dòng)彈性評(píng)估試件受載干濕循環(huán)的性能，而且可以在線(xiàn)測(cè)定，以便客觀(guān)地比較不同試件抗硫酸鹽腐蝕的性能。
上述試件經(jīng)水和硫酸鹽溶液分別浸漬3個(gè)月、6個(gè)月齡期的抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8和圖2所示：
表8試件分別經(jīng)水、硫酸鹽溶液浸漬3個(gè)月、6個(gè)月齡期的抗壓與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
從圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：W/C=0.3的混凝土試件，除了OPC+MK+FA試件外，OPC42.5、山鋁32.5、OPC+MK+SG、OPC+SG的試件，在硫酸鹽溶液中浸漬6個(gè)月的試件，抗折強(qiáng)度度均高于水中試件及在硫酸鹽溶液中浸漬3個(gè)月試件的強(qiáng)度；W/C=0.4的試件，除了OPC+SG的試件以處，其他各組試件的抗折強(qiáng)度均系浸泡于硫酸鈉溶液中3個(gè)月齡期的最高；W/C=0.5的試件均系各組試件浸泡于硫酸鈉溶液中3個(gè)月齡期的最高。浸泡至6個(gè)月齡期時(shí)，強(qiáng)度下降。其原因可能是低水灰比（W/C=0.3）的試件密實(shí)度高，SO42-向內(nèi)部的擴(kuò)散滲透慢，浸泡時(shí)間長(zhǎng)，SO42-向內(nèi)部滲透量增大，生成新水化物使密實(shí)度提高，抗折強(qiáng)度提高。而高水灰比（W/C=0.5）的混凝土SO42-容易浸入試件內(nèi)部，3個(gè)月浸泡后，密實(shí)度明顯搞高，故強(qiáng)度提高。
3 結(jié)論
通過(guò)上述的研究，可以得出如下結(jié)論：
?。?）采用彈簧加載裝置，加載比較準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)比較大的加載范圍；同時(shí)可以采用傳感器對(duì)所加的實(shí)際荷載進(jìn)行校核。
（2）采用在線(xiàn)測(cè)定方法可在侵蝕過(guò)程中連續(xù)測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)性好，離散性小，可用少量試件進(jìn)行多方面的研究，能客觀(guān)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境中的劣化過(guò)程。另外，根據(jù)動(dòng)彈性模量的變化來(lái)表征試件在侵蝕溶液中的穩(wěn)定性，無(wú)需破損試件。
（3）荷載作用下，經(jīng)過(guò)不同次數(shù)干濕循環(huán)之后，相對(duì)動(dòng)彈性模量均降低；非受載干濕循環(huán)試件達(dá)到與受載試件相同的干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量不變，為100%。另外，隨W/C的增大，荷載作用下混凝土干濕循環(huán)次數(shù)降低。
（4）經(jīng)干濕循環(huán)的試件，浸泡后試件的抗折強(qiáng)度均高于初始抗折強(qiáng)度。
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