摘要:本試驗研究了應(yīng)力作用下混凝土的硫酸鹽腐蝕特性，采用在線測定方法對不同水灰比的混凝土試件進行了與干濕循環(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作用及其復(fù)合作用對混凝土耐久性的影響規(guī)律；以動彈性模量為評價指標對多因素協(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行了表征，通過測試硫酸鹽侵蝕條件下混凝土動彈性模量的變化規(guī)律，得到更為實用的混凝土抗硫酸鹽性能的評價方法；同時采用XRD對硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物進行了表征，以對荷載、硫酸鹽共同作用下的混凝土腐蝕特性進行了微觀分析。
關(guān)鍵詞:硫酸鹽腐蝕、荷載作用、干濕循環(huán)、相對動彈性模量、在線測量
0 引言
硫酸鹽侵蝕是混凝土老化病害的主要問題之一，對于混凝土的硫酸鹽腐蝕，人們關(guān)注的常常是在實驗室按照現(xiàn)有標準測得的抗壓強度、抗折強度和硫酸鹽浸泡時間等單一破壞因素(Single damage factor，SDF)作用下的耐久性指標。然而，在實際工程中，結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性問題是一個干濕循環(huán)、荷載作用等多種破壞因素交互作用的復(fù)雜問題。如何考慮實際工程中復(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，使實驗室得到的結(jié)果客觀地反映結(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)研究中的一個重要課題[1-3]。
本文針對不同水灰比、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，分別測量其抗折強度；并根據(jù)干濕循環(huán)次數(shù)和相對動彈性模量的變化，制定相應(yīng)的）失效標準（當(dāng)相對動彈性模量＜60%時，認為該試件失效），結(jié)合混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的物象變化和外觀損傷情況，綜合評價混凝土抗硫酸鹽腐蝕效果。
1 試驗方案
1.1 加載系統(tǒng)設(shè)計
加載裝置如圖1所示，其特點如下：
（1) 加載裝置可以適應(yīng)不同大小的試件，便于對混凝土的不同性能進行加載試驗。
（2) 一個裝置能夠同時對1～5組試件進行加載，每一組可由3～6個試件組成。
（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而已，而受力支點可以采用不銹鋼或者事先進行防銹處理。
1.2 試驗方法
本文研究中的混凝土配合比可見表1：
按表1的配合比拌合混凝土，成型100mm×100mm×400mm試件，標養(yǎng)28天后進行有關(guān)試驗。
荷載作用下的在線測定
本研究采用在線測定方法評價混凝土試件在侵蝕環(huán)境中的耐久性能，根據(jù)動彈性模量的變化來表征試件在侵蝕溶液中的穩(wěn)定性，優(yōu)點是試驗時無需破損試件，同組試件可在侵蝕過程中連續(xù)測定，試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)性好，離散性小，可用少量試件進行多方面的研究，適合在試驗室開展混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究；與現(xiàn)行的標準試驗方法相比（見表2）在線測定方法能更為客觀反映實際結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境中的劣化過程，因此工程意義明顯。
表2 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法比較[4,5]
混凝土試件經(jīng)標養(yǎng)28天后，安放在加載架上，每3個試件一組，一個箱子中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，進行干濕循環(huán)試驗。試件在硫酸鈉溶液中浸泡8小時，抽排8小時，烘干8小時（烘干溫度65℃），一個循環(huán)24小時，烘干后測定試件的動彈性模量。試件的相對動彈性模量低于60%時，才將試件卸下；這種試驗狀況，通常稱為在線測定，能比較準確地反映客觀實際。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 加載與非加載對比試驗
利用在線測試方法對不同的試件進行實驗研究，如表3所示。表中編號為1，2，3，4，5的試件（W/C=0.3）及編號為6，11的試件（W/C分別為0.4，0.5）進行加載與非加載的浸泡及干濕循環(huán)試驗，并進行同步檢測。
表3 加載與非加載干濕循環(huán)同步檢測結(jié)果對照表
不同膠凝材料組成的試件（w/c=0.3），在荷載作用下，達到斷裂時的干濕循環(huán)次數(shù)及動彈性模量測試結(jié)果可見表4。
由表3，4可以看出：非受載干濕循環(huán)試件，達到與受載試件相同的干濕循環(huán)次數(shù)時，相對動彈性模量不變，為100%；山鋁水泥的抗硫酸鹽侵蝕效果最好，斷裂時的干濕循環(huán)次數(shù)最高；在荷載相同，經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)之后，相對動彈性模量降低，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，相對動彈性模量降低。
對于相同品種水泥（OPC42.5），不同W/C的混凝土試件，在荷載作用下，達到斷裂時的干濕循環(huán)次數(shù)及動彈性模量測試結(jié)果可見表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。這是由于混凝土強度、內(nèi)部孔隙均隨W/C變化而變化。隨W/C增大，混凝土強度降低，孔隙增多，抗?jié)B性下降，抗SO42-腐蝕性能下降。
2.2 加載試件的測試結(jié)果
將在10% Na2SO4溶液中浸泡的受載試件進行干濕循環(huán)試驗（測試結(jié)果見表6），試驗編號為1，2，6及11，除了2號試件使用山鋁水泥外，其他編號的試件均采用OPC42.5。
表6 在10% Na2SO4溶液中浸漬受載試件的動彈性模量、抗折強度測試結(jié)果
由表6可知：試件編號為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。編號為2的混凝土試件，初始動彈性模量比較高；28天的抗折強度高，經(jīng)過150次干濕循環(huán)后的相對抗折強度比相同水灰比的試件（W/C=0.3，OPC42.5）經(jīng)過145次干濕循環(huán)后的相對抗折強度較高，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度均高于初始抗折強度。
由此可見，在檢測的指標中，抗折強度隨著干濕循環(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，可用動彈性評估試件受載干濕循環(huán)的性能，而且可以在線測定，以便客觀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，特別對混凝土試件的組成進行了設(shè)計，可見表7：
表7 混凝土試件抗硫酸鹽腐蝕的材料組成設(shè)計
只有動彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而降低。因此，可用動彈性評估試件受載干濕循環(huán)的性能，而且可以在線測定，以便客觀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個月、6個月齡期的抗壓與抗折強度試驗結(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個月、6個月齡期的抗壓與抗折強度試驗結(jié)果
從圖2中的實驗結(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個月的試件，抗折強度度均高于水中試件及在硫酸鹽溶液中浸漬3個月試件的強度；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度均系浸泡于硫酸鈉溶液中3個月齡期的最高；W/C=0.5的試件均系各組試件浸泡于硫酸鈉溶液中3個月齡期的最高。浸泡至6個月齡期時，強度下降。其原因可能是低水灰比（W/C=0.3）的試件密實度高，SO42-向內(nèi)部的擴散滲透慢，浸泡時間長，SO42-向內(nèi)部滲透量增大，生成新水化物使密實度提高，抗折強度提高。而高水灰比（W/C=0.5）的混凝土SO42-容易浸入試件內(nèi)部，3個月浸泡后，密實度明顯搞高，故強度提高。
3 結(jié)論
通過上述的研究，可以得出如下結(jié)論：
?。?）采用彈簧加載裝置，加載比較準確、穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)比較大的加載范圍；同時可以采用傳感器對所加的實際荷載進行校核。
?。?）采用在線測定方法可在侵蝕過程中連續(xù)測定，試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)性好，離散性小，可用少量試件進行多方面的研究，能客觀地反映實際結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境中的劣化過程。另外，根據(jù)動彈性模量的變化來表征試件在侵蝕溶液中的穩(wěn)定性，無需破損試件。
?。?）荷載作用下，經(jīng)過不同次數(shù)干濕循環(huán)之后，相對動彈性模量均降低；非受載干濕循環(huán)試件達到與受載試件相同的干濕循環(huán)次數(shù)時，相對動彈性模量不變，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。
?。?）經(jīng)干濕循環(huán)的試件，浸泡后試件的抗折強度均高于初始抗折強度。
參考文獻
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