恒载作用下混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验研究

吴 斌 （江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213147）

1 引言

在东部沿海地区及西部盐渍地区，硫酸盐的侵蚀已经成为影响混凝土耐久性的重要因素之一。尤其是东部沿海地区的混凝土结构，由于水位变动区、浪溅区的存在，在硫酸盐与干湿循环的双重作用下，更加剧了混凝土的腐蚀[1]。

近年来，国内外学者针对混凝土的硫酸盐侵蚀进行了大量的研究，然而大多数的研究成果只是建立在硫酸盐单因素或硫酸盐-干湿循环双因素的环境上[2]。而在实际情况中，混凝土结构往往处于荷载-硫酸盐-干湿循环多因素的环境中，损伤机理也会更为复杂[3-6]。

本文通过在室内模拟轴心受压状态下混凝土试件的硫酸盐干湿循环侵蚀过程，以质量、抗压强度及动弹性模量为评价指标，以荷载水平为研究参数，分析不同荷载水平下硫酸盐干湿循环侵蚀对混凝土力学性能的影响。

2 试验方案

2.1 试件原材料及配合比

本次试验混凝土试件强度采用C40，胶凝材料用量控制为440kg/m3，设计水胶比为0.34。其中，水泥采用P.O.42.5级普通硅酸盐水泥；矿物掺和料采用Ⅰ级粉煤灰与S95级矿粉；细集料采用细度模数2.90的中砂；粗集料级配为5mm～25mm连续级配；减水剂掺量为胶凝材料总量的2%。矿物掺合料等量取代水泥，粉煤灰掺量为20%，磨细矿粉掺量为40%，配合比如表1所示[1]。试件经28d标准养护后测得试件轴心抗压强度为38.86MPa。

混凝土配合比（kg/m3） 表1

2.2 试验方法

本次试验采用尺寸为150mm×150mm×300mm的标准轴心抗压强度试件，共制作48块试件，其中40块试件用于质量及轴心抗压强度的测试，分为4组，每组10块，剩余8块试件用于动弹性模量的测试。将试件置于全自动混凝土硫酸盐侵蚀试验机中进行硫酸盐的干湿循环侵蚀试验，设置硫酸盐溶液浓度为5%[1]。

混凝土试件轴心荷载的加载装置如图1所示。本加载装置通过加载后拧紧螺栓保持对混凝土试件的持续加载。该装置中的高强螺杆与底座固定，顶座在对应位置开孔便于螺杆穿入，加载装置各部件均做好防腐处理。采用千斤顶配合加压装置对混凝土试件进行施载，施载至预定荷载后拧紧螺栓，千斤顶卸载后移出，完成试件的加载，施载装置如图2所示。

图1 试件加载装置

图2 试件施载装置

考虑到混凝土徐变效应的存在，会导致试件实际承受的荷载小于试验预定荷载，因此对试件进行加强养护，试件浇筑完成后进行高温蒸养24h，拆模后标准养护28d，之后自然养护60d。试件进入干湿循环周期后每隔5d对施加的荷载进行观测调整，确保试件处于恒载状态。

试件经标准养护28d后，设置在20～25℃的5.0%硫酸钠溶液中浸泡15h后风干1h，再进行温度为80±5℃的烘干6h，最后降温2h为一个干湿循环周期，为保证硫酸根离子浓度，每隔15d更换一次溶液。在混凝土试件经历0、30、60、90、120、150次循环后进行质量、抗压强度及动弹性模量的测试。本试验棱柱体混凝土试件的动弹性模量采用超声仪测定，将棱柱体试件的长度（mm）除以测得的声时（us）得到超声声速（m/s）通过声速来比较试件动弹性模量的变化[1]。

本次试验共设置四档荷载水平，分别为试件承载能力极限值的0%，10%，20%，30%。通过28d标准养护试件轴心抗压强度实测值确定四档荷载水平分别为0kN，87.4kN，174.9kN，262.3kN，为方便操作，选择施加0kN，90kN，180kN，270kN荷载。

2.3 检测指标

采用相对质量Km=表征混凝土试件受硫酸盐侵蚀后质量的变化情况，其中mi（kg）表示经历i次循环后混凝土试件的质量，i=0，30，60，90，120，150（0表示未受侵蚀）；m28（kg）表示经标准养护28d后混凝土试件的质量。

采用轴心相对抗压强度系数KP=表征混凝土试件受硫酸盐侵蚀后轴心抗压强度的变化情况，其中Pi（kPa）表示经历i次循环后混凝土试件的轴心抗压强度，此处i同上；P28（kPa）表示经标准养护28d后混凝土试件的轴心抗压强度。

采用相对动弹模系数Kv=表征混凝土试件受硫酸盐侵蚀后动弹模量的变化情况，其中：vi（m/s）表示经历i次循环后后声音在混凝土试件中的传播速度，此处i同上；v28（m/s）表示经标准养护28d后声音在混凝土试件中的传播速度。

3 试验结果及分析

3.1 试件质量的变化

由干湿循环作用下各组混凝土试件相对质量Km的变化曲线可见，各组试件的质量在试验初期均出现一个小幅的增长阶段，随着试验的进行，各组试件的质量普遍呈下降趋势。试件质量的损失主要与表观损失有关。在试验后期，各组试件均出现了表层剥落现象，导致试件质量的降低。在经历150次干湿循环后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷载的试件质量最终损失率分别为3.4%、5.6%、8.6%、10.8%，试件质量的最终损失率与施加的荷载水平呈正比关系。与未施加荷载试件相比，施加270kN荷载试件的质量经历了60次干湿循环后开始衰减，经历了150次干湿循环后质量损失达到最大。可见，在试验初期，由于持续荷载的存在，混凝土内部孔隙受到压缩，在一定程度上抑制了硫酸盐侵蚀的发生，但随着侵蚀作用的进行，持续荷载对混凝土试件的影响反而对硫酸盐的侵蚀起到了促进作用，从而加剧了试件的破坏。

图3 干湿循环作用下混凝土试件Km的变化曲线

3.2 试件抗压强度的变化

由干湿循环作用下各组混凝土试件相对抗压强度系数Kp的变化曲线可见，混凝土试件在整个试验周期中抗压强度的变化趋势与质量变化趋势大致相同，同样出现了先增长后衰减的趋势。在经历了150次干湿循环后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷载的试件抗压强度最终损失率分别为6.8%、9.5%、12.4%、17.7%，试件抗压强度的最终损失率与施加的荷载水平呈正比关系。混凝土试件抗压强度在试验初期增长是因为孔隙内侵蚀产物和硫酸盐结晶共同作用对试件产生了预拉应力，与未施加荷载试件相比，施加270kN荷载试件在试验初期抗压强度增长幅度较小，但随着侵蚀作用的进行，持续荷载对混凝土试件的影响反而加剧了硫酸盐的侵蚀，导致混凝土试件的抗压性能急剧下降。

图4 干湿循环作用下混凝土试件Kp的变化曲线

3.3 试件动弹模量的变化

由干湿循环作用下各组混凝土试件相对动弹模系数Kv的变化曲线可见，不同于Km及KP曲线，各组试件的动弹性模量呈持续下降的趋势。在侵蚀初期，混凝土的动弹性模量并未出现增长阶段，这说明在侵蚀初期，硫酸盐的干湿循环作用已经对混凝土内部造成了损伤并导致了细微裂缝的出现。随着侵蚀作用的进行，混凝土内部裂缝逐渐增多且扩展，造成了动弹性模量的持续损失。在经历了150次干湿循环后，施加0kN、90kN、180kN、270kN荷载的试件动弹性模量最终损失率分别为14.8%、20.2%、24.6%、29.8%，试件动弹性模量的最终损失率与施加的荷载水平呈正比关系。与未施加荷载试件相比，施加270kN荷载试件在试验初期动弹性模量的损失更小，但随着侵蚀作用的进行，持续荷载作用加剧了试件动弹性模量的损失。

图5 干湿循环作用下混凝土试件Kv的变化曲线

通过对比，在整个试验过程中，混凝土试件动弹性模量的变化趋势与质量、抗压强度的变化趋势均不同。试件的动弹性模量并未出现上升趋势，说明在侵蚀初期，硫酸盐的干湿循环作用已经对混凝土内部造成了损伤并产生了微裂缝，但这种现象并不能从试件质量及抗压强度指标的变化上反映出来。因此，混凝土动弹性模量的变化规律能够更好的反映混凝土试件在整个试验周期中的受侵蚀情况。

4 结论

①混凝土试件的动弹性模量指标较质量及抗压强度指标对硫酸盐的侵蚀更为敏感，能够更好的反映出混凝土内部的损伤情况。

②本次试验中，当试件受到270kN持续荷载作用时，经历了150次硫酸盐干湿循环侵蚀后，混凝土试件的质量损失率、抗压强度损失率、动弹性模量损失率均最大。混凝土试件物理指标的最终损失率与所施加的荷载水平呈正比关系。

③外界持续荷载作用对早期混凝土硫酸盐侵蚀能够起到一定的抑制作用，但随着侵蚀作用的进行，持续荷载对混凝土试件的影响会加剧硫酸盐的侵蚀，导致混凝土试件的加速劣化。