尹 健，龔勝輝，張賢超，龐綺玲，宋衛(wèi)民

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的混凝土底座板是無砟軌道結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，隨著我國酸雨污染的日趨加劇，雙塊式或板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的混凝土底座板要經(jīng)受酸雨和碳化的共同作用，導(dǎo)致該混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足而提前大修。目前，國內(nèi)外研究較多的是以酸雨和碳化單因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的試驗研究，得出的結(jié)論和評價模型僅在各因素單獨作用的條件下適用，對酸雨和碳化雙因素耦合作用下混凝土的性能研究開展得還較少［1］，基于此，通過試驗分析優(yōu)選雙塊式或板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的混凝土底座板C40混凝土配合比設(shè)計參數(shù)，并摻入大量的活性礦物摻合料旨在提高混凝土的性能并作為對比組，探討其在酸雨和碳化耦合作用下的性能劣化規(guī)律，為我國高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的混凝土底座板的性能優(yōu)化設(shè)計及施工技術(shù)提供支持。

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C):42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標(biāo)見表1;細(xì)骨料(S):湘江河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，符合Ⅱ區(qū)級配要求;粗骨料(G):湘江河卵石，5～26.5 mm連續(xù)級配，壓碎指標(biāo)為5.0%;減水劑:WSN－30型緩凝高效減水劑，減水劑22.8%;粉煤灰(FA):黃埔電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，主要物理性能見表2;礦渣(SG):產(chǎn)地山東恒潤，主要物理性能見表2;化學(xué)試劑:硫酸(濃度95% ～98%)，硝酸(濃度65% ～68%)，硫酸鎂，硫酸銨，硫酸鈣(均為分析純 analytically pure AP級，市售);水:自來水。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Cement properties index

表2 粉煤灰及礦渣物理性能Table 2 Fly ash and slag physical properties

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

表4 混凝土耐蝕試驗配合比Table 4 Mix proportion of concrete for corrosion resistant test kg/m3

1.2 試驗方案

1.2.1 混凝土配合比的確定

綜合考察混凝土和易性、均勻性、28 d和56 d抗壓強度、28 d和56 d劈裂抗拉強度、56 d抗氯離子滲透能力(6 h庫侖電量)等評價指標(biāo)，優(yōu)選混凝土配合比參數(shù)。固定膠凝材料總用量為370 kg/m3、砂率 44%不變，變化水膠比為 0.35，0.45和0.55，骨料最大粒徑≤26.5 mm，由減水劑控制坍落度為140±20 mm，不同摻量(0，40%，50%，60%和70%)FASG復(fù)合粉體以優(yōu)選出的摻量比例(FA:SG=1:4)等量取代水泥配制出C40混凝土，以期獲得和易性及均勻性良好、滿足C40強度等級要求及抗氯離子滲透能力良好的C40混凝土，試驗結(jié)果見表3，根據(jù)試驗結(jié)果選取的配合比見表4。

1.2.2 試驗方法

混凝土受酸雨侵蝕及碳化作用后，由于其腐蝕機理不同，腐蝕后混凝土表層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物也不同，為了探明酸雨侵蝕及碳化作用先后腐蝕順序?qū)40高性能化混凝土性能的影響規(guī)律，研究分4種模式，其中酸雨侵蝕采用模擬酸雨噴淋的方式，而碳化作用采用快速碳化方式進行，具體實施方案如下。

S模式:模擬酸雨侵蝕試驗，侵蝕制度:1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行，分別進行20，40，60，80，100 和 120 次循環(huán)，以進一步說明單因素對混凝土耐久性能的影響規(guī)律。

T 模式:快速碳化試驗，分別進行7，14，21，28，35和42 d試驗，以進一步說明單因素對混凝土耐久性能的影響。

ST模式:先酸雨侵蝕再快速碳化模式。即:酸雨侵蝕試驗20次循環(huán)+7 d碳化試驗，記為1周期，共進行6個周期;其中酸雨侵蝕試驗時1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行。

TS模式:先快速碳化再酸雨侵蝕模式。即:7 d碳化試驗+酸雨侵蝕試驗20次循環(huán)，記為1周期，共進行6個周期;其中酸雨侵蝕試驗時1次循環(huán)為噴淋16 h+自然放置8 h進行。

試驗每進行1周期，分別測試試件的抗壓強度、中性化深度和內(nèi)部pH值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同侵蝕制度對混凝土抗壓強度的影響

從圖1試驗結(jié)果可以看出，各侵蝕模式中，混凝土抗壓強度變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律:C40高性能化混凝土侵蝕后抗壓強度均大于初始強度，但其抗壓強度曲線皆落在基準(zhǔn)混凝土抗壓強度曲線下方;C40高性能化混凝土抗壓強度變化較基準(zhǔn)混凝土更為敏感，在侵蝕前期抗壓強度有所提高，在侵蝕6周時除快速碳化的B0試件外其抗壓強度均有下降趨勢。

圖1 各侵蝕制度下混凝土抗壓強度及其變化率Fig.1 Compressive strength and the changing rate under different erosion systems

在酸雨和碳化雙重侵蝕作用下，不管是ST模式還是TS模式，在試驗初期，混凝土試件抗壓強度均逐步增長，主要是因為模擬酸雨溶液中的侵蝕離子H+和SO42－與Ca(OH)2作用生成CaSO4·2H2O，此階段CaSO4·2H2O晶體僅僅起密實填充作用，使混凝土內(nèi)部孔隙減小，混凝土試件強度有所增長;而碳化同樣可使混凝土試塊更加密實，提高其抗壓強度。隨著侵蝕周期的增加，H+和SO42－侵蝕進一步加劇，CO2也進一步消耗 Ca(OH)2，當(dāng)混凝土試塊內(nèi)部pH值下降到一定程度時，堿性水化產(chǎn)物開始分解、溶出，造成溶蝕破壞，同時生成的CaSO4·2H2O也逐漸增多，干燥時在孔隙中結(jié)晶膨脹，產(chǎn)生的膨脹壓將對混凝土強度帶來不利影響，表現(xiàn)出在侵蝕6周期時混凝土抗壓強度下降的趨勢。

2.2 不同侵蝕制度對混凝土中性化深度的影響

由圖2可知，在試驗齡期內(nèi)，S模式侵蝕制度下，基準(zhǔn)混凝土中性化值基本無變化，而其他侵蝕制度條件下，混凝土中性化深度值均隨侵蝕齡期的增加而增大，B7混凝土中性化深度曲線均落在B0混凝土中性化深度曲線上方;各侵蝕制度下混凝土試件的中性化深度值大小順序為S模式＜ST模式＜TS模式＜T模式，侵蝕6周期時對應(yīng)于上述侵蝕條件下的B0組混凝土中性化深度值為0 mm＜1.86 mm ＜2.20 mm ＜5.08 mm，而B7 混凝土則為1.48 mm ＜6.10 mm ＜9.74 mm ＜13.04 mm。

酸雨和碳化雙重侵蝕制度下，即先酸雨后碳化(ST)或者先碳化后酸雨侵蝕(TS)后混凝土試件的中性化深度值一直小于2種因素單獨作用下的中性化深度疊加值(S+T)，見圖3，表明酸雨侵蝕對混凝土的中性化影響較小，混凝土的中性化問題主要由碳化引起，這與相關(guān)文獻研究結(jié)果一致［2］:當(dāng)混凝土先碳化時，CO2擴散到混凝土內(nèi)部與水結(jié)合形成碳酸，并與混凝土內(nèi)部產(chǎn)物Ca(OH)2、水化硅酸鈣反應(yīng)，混凝土中性化發(fā)展迅速，酸雨溶液中的侵蝕離子H+侵入混凝土后，進一步與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，加速了混凝土中性化，所以先碳化后酸雨侵蝕的混凝土試件中性化深度大;而先酸雨后碳化的試件，Ca(OH)2與酸雨溶液中的SO42－反應(yīng)生成石膏，干濕交替時結(jié)晶膨脹，填充混凝土孔隙通道，碳化時CO2很難擴散進入，且酸雨溶液使混凝土試件內(nèi)部孔隙濕度增大，對CO2的擴散速度起阻礙作用，所以先酸雨后碳化的混凝土中性化深度較小?？梢?，由于酸雨侵蝕的參與，混凝土中性化問題減弱，相對于單獨碳化作用，酸雨和碳化耦合作用對混凝土中性化起到一定的抑制效果［3］。

圖2 各侵蝕制度下混凝土中性化深度變化情況Fig.2 The neutralization depth change of the concrete under different erosion systems

圖3 不同混凝土在各侵蝕制度下的中性化深度值的對比Fig.3 The comparison of the neutralization depth under different erosion systems

2.3 不同侵蝕制度下對混凝土內(nèi)部PH值的變化

混凝土的pH值一般大于12.5，在這種堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕，但當(dāng)有酸性物質(zhì)或二氧化碳從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，與混凝土材料中的堿性物質(zhì)中和，會導(dǎo)致混凝土pH 值的降低［4－5］?；炷猎赟T，TS，S 和T 模式下各進行6個周期循環(huán)侵蝕試驗，其內(nèi)部pH值試驗結(jié)果見圖4，圖中圖標(biāo)表示為距試件表面的深度。

由圖4可知，混凝土試件在各侵蝕制度中，其內(nèi)部pH值隨不同深度呈現(xiàn)相似規(guī)律，即試件侵蝕后內(nèi)部pH值中間大，兩端小，離試件表面越近，pH值越小，試件中部附近，pH值相差不大;同一深度其pH值隨侵蝕周期的增加而逐漸減小。在試驗齡期內(nèi)，混凝土表面一直受到酸雨和碳化侵蝕作用，并隨侵蝕齡期增加試件中性化由表及里逐漸加重，Ca(OH)2不斷被消耗，導(dǎo)致pH值下降;對于B7混凝土，大量礦物摻合料等量取代水泥，一方面使產(chǎn)物Ca(OH)2直接減少，另一方面礦渣和粉煤灰隨著時間的增加發(fā)揮其二次活性，均以消耗Ca(OH)2為代價，因此混凝土試件表層pH值隨著侵蝕齡期的增加值較基準(zhǔn)混凝土的下降值更大;而混凝土試件內(nèi)部深度20～80 mm范圍內(nèi)，各侵蝕制度下其pH值在整個試驗齡期內(nèi)最小為 11.41，最大為 13.47。［6］

圖4 各侵蝕制度下混凝土試件內(nèi)部pH值變化規(guī)律對比圖Fig.4 The comparison of the law of the pH value change within specimen under different erosion systems

圖5為不同侵蝕周期時分別在距試件表面5 mm處的pH值變化規(guī)律，研究結(jié)果表明:在試驗齡期內(nèi)，各侵蝕制度下，B7混凝土和B0混凝土試件表層pH值變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即均隨侵蝕周期的增加而逐漸降低，且同侵蝕周期時，pH值總是S模式＞ST模式＞TS模式＞T模式，單獨酸雨侵蝕(S)的混凝土表層pH值最大，先酸雨后碳化侵蝕(ST)試件大于先碳化后酸雨侵蝕(TS)后的pH值，且均大于單獨碳化(T)試件表層的pH值，這與中性化深度試驗結(jié)果相吻合，中性化深度越大，混凝土試件受侵蝕越嚴(yán)重，內(nèi)部pH值越?。?－8］。其中，B7混凝土在單獨酸雨(S)侵蝕制度下其表層pH值變化平緩，侵蝕6個周期后達(dá)到最低值12.49，先酸雨后碳化(ST)和先碳化后酸雨(TS)侵蝕制度在試驗前期混凝土試件表層pH相差不大，后期TS模式顯著下降，侵蝕6周期后ST模式pH值為 10.09，TS 模式 pH 值為 9.42，而單獨碳化(T)侵蝕制度在整個試驗齡期內(nèi)顯著下降，侵蝕第1周期混凝土表層pH值為10.91，侵蝕六周期后降為8.91，因此，碳化帶來的混凝土中性化問題不容忽視［9］;B0混凝土相對B7混凝土已充分水化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)已達(dá)到一定密實程度，更能有效阻止酸液侵蝕離子和二氧化碳的侵入，即使單獨碳化(T)侵蝕制度下，侵蝕6周期后混凝土表層pH值僅降到12.27，水泥石各水化產(chǎn)物本身能穩(wěn)定存在［10］。

圖5 各侵蝕制度下混凝土試件表層pH值變化規(guī)律Fig.5 The law of the pH value change on the surface of the specimen under different erosion sysems

3 結(jié)論

綜上所述，酸雨和碳化耦合作用下，高速鐵路客運專線雙塊式或板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的混凝土底座板混凝土及摻礦物活性摻合料混凝土B7性能有著如下變化規(guī)律:

(1)酸雨和碳化侵蝕后混凝土抗壓強度均大于初始強度，B7混凝土抗壓強度曲線均落在B0混凝土抗壓強度曲線下方;抗壓強度變化較BO混凝土更為敏感，在侵蝕前期強度值逐步上升，侵蝕后期則呈下降趨勢;

(2)B7混凝土的中性化深度均隨齡期增加而增大，且中性化深度曲線均落在B0混凝土中性化深度曲線上方，先酸雨后碳化侵蝕試件(ST)的中性化深度小于先碳化后酸雨侵蝕(TS)后的中性化深度，且均小于單獨碳化試件(T)的中性化深度，ST或TS模式侵蝕后混凝土試件的中性化深度值均小于2種因素單獨作用下的中性化深度迭加值(S+T)，酸雨侵蝕對混凝土的中性化貢獻較小，混凝土的中性化問題主要是由碳化引起的，由于酸雨侵蝕的參與，混凝土中性化問題減弱，相對于單獨碳化作用，酸雨和碳化耦合作用對混凝土中性化起到一定的抑制效果;

(3)混凝土侵蝕各齡期試件內(nèi)部pH值中間大，兩端小，離試件表面越近，pH值越小，離試件中部越近，pH值則相差不大，同一深度其pH值隨侵蝕周期的增加而逐漸減小。

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