丁路靜，羅作球，張凱峰，李磊，李微，何明慶，李永，金利杰

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063）

0 引言

近海及濱海地區(qū)由于其地理位置及所處環(huán)境特殊性，發(fā)展城市軌道交通比普通地區(qū)面臨更大的挑戰(zhàn)，對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的防腐性能及耐久性能提出更高的要求[1-2]。天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通工程，設(shè)計(jì)使用年限為100 年，混凝土建設(shè)和使用環(huán)境較為惡劣，工程勘察資料顯示，該項(xiàng)目地處地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜的濱海鹽漬土地區(qū)，全線面臨多處硫酸根離子含量超過(guò) 4000mg/L 的地下水，地下混凝土結(jié)構(gòu)將會(huì)遭受嚴(yán)重的硫酸鹽侵蝕[3]；因此對(duì)混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕的長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)工作是很有必要的[4-5]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用冀東 P·O42.5 水泥，3d 抗壓強(qiáng)度33.6MPa，28d 抗壓強(qiáng)度 55.0MPa；粉煤灰采用瀚海北疆 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，需水量比 99%，細(xì)度 22%，燒失量1.5%；礦粉采用瑞豐 S95 級(jí)礦粉，7d 活性指數(shù) 78%，28d 活性指數(shù) 95%；外加劑采用中建聚羧酸減水劑和引氣劑；拌合水采用自來(lái)水；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù) 2.4 的綏中天然河砂；粗骨料采用綏中連續(xù)級(jí)配 5～25mm 的青石。

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用長(zhǎng)期全浸泡試驗(yàn)方法，對(duì)混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕環(huán)境下性能研究。硫酸鹽侵蝕溶液為濃度5%、10%、15% 的硫酸鈉溶液，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40、C45、C50 三種強(qiáng)度等級(jí)，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28d、60d 開始進(jìn)行全浸泡侵蝕試驗(yàn)，檢測(cè)混凝土試塊在不同侵蝕時(shí)間的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的變化，作為混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)?；炷僚浜媳热绫?1 所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果分析

2.1 硫酸鹽侵蝕溶液濃度對(duì)混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C45 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 后，在不同濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長(zhǎng)期浸泡后的性能變化。

2.1.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律（表 2）

表2 混凝土的質(zhì)量變化率 %

從表 2 中可以看出，在本試驗(yàn)研究期間，混凝土試件的質(zhì)量均是增加的，且隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)。在不同環(huán)境下，混凝土試件質(zhì)量增長(zhǎng)速率有所不同，從侵蝕 30d 到 90d，0% 的溶液中混凝土質(zhì)量變化率增長(zhǎng)了 0.11%，而在 15% 的溶液中增加了 0.37%，混凝土在 15% 濃度的硫酸鹽侵蝕溶液中，質(zhì)量增長(zhǎng)速率達(dá)到最大。在同一侵蝕時(shí)間內(nèi)，硫酸鹽侵蝕溶液濃度越大，混凝土質(zhì)量變化率越大，混凝土質(zhì)量增加得越多。這是由于硫酸鹽溶液濃度越大，溶液中含有的硫酸根離子越多，進(jìn)入到混凝土內(nèi)部能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的硫酸根離子也更多，反應(yīng)生成更多的的鈣礬石和石膏晶體，進(jìn)而混凝土質(zhì)量增長(zhǎng)得也更快。

2.1.2 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時(shí)間的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表 3 和圖 1。

表3 混凝土的抗壓強(qiáng)度 MPa

圖1 混凝土的抗壓強(qiáng)度

從表 3 和圖 1 中可以看出，混凝土在不同濃度的硫酸鹽侵蝕溶液中抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同。在濃度為 0%和 5% 的溶液中，混凝土抗壓強(qiáng)度是隨侵蝕時(shí)間延長(zhǎng)而增加，強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了 5% 和 6.8%；在 5% 的侵蝕溶液中，強(qiáng)度增加幅度更大，這是由于在侵蝕溶液中，混凝土中未水化的膠凝材料進(jìn)一步水化，生成水化產(chǎn)物，提高混凝土抗壓強(qiáng)度；同時(shí)由于硫酸鹽溶液與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石和石膏晶體，鈣礬石和石膏晶體填充了混凝土試塊的毛細(xì)空隙，增加了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，使混凝土抗壓強(qiáng)度有所提高。在 10% 的侵蝕溶液中，混凝土強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間延長(zhǎng)先增加后降低，在 15% 的侵蝕溶液中，混凝土強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。這是因?yàn)殡S侵蝕時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土水化產(chǎn)物與硫酸根離子反應(yīng)生成的鈣礬石和石膏晶體，使混凝土產(chǎn)生過(guò)大的膨脹力，混凝土發(fā)生開裂，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低趨勢(shì)。在 10%濃度的侵蝕溶液中，混凝土在侵蝕 90d 時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度降低，而 15% 的侵蝕溶液中，混凝土侵蝕 60d 時(shí)就出現(xiàn)了強(qiáng)度降低趨勢(shì)，這說(shuō)明混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能隨硫酸根離子濃度的增加而減弱。

2.2 侵蝕前的養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C45 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 后，在不同濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長(zhǎng)期浸泡后的性能變化。

2.2.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時(shí)間的質(zhì)量變化率見(jiàn)表 4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的質(zhì)量變化率 %

從表 4 中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 后，再對(duì)混凝土進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，混凝土質(zhì)量同樣出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)，且隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增長(zhǎng)，但質(zhì)量變化率均要小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 的混凝土試件。在 15% 的侵蝕溶液中侵蝕 60d 時(shí)，養(yǎng)護(hù) 28d 的混凝土質(zhì)量變化率為 0.51%，而養(yǎng)護(hù) 60d 的質(zhì)量變化率僅為 0.26%。在養(yǎng)護(hù) 60d 時(shí)，侵蝕溶液濃度從 0% 到 15%，在侵蝕 30d時(shí)，混凝土質(zhì)量變化率增加了 0.11%，而養(yǎng)護(hù) 28d 的增加了 0.14%。在侵蝕 60d 時(shí)，前者增加了 0.15%，后者增加了 0.26%。這可能是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，膠凝材料持續(xù)水化反應(yīng)使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)越密實(shí)，硫酸根離子越難進(jìn)入到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。

2.2.2 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土在不同濃度侵蝕溶液中不同侵蝕時(shí)間的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表 5 和圖 2。

表5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的抗壓強(qiáng)度 MPa

從表 5 和圖 2 中可以看出，在侵蝕 30d 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 后混凝土再進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨侵蝕溶液濃度的增加而有所增長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù) 60d 的混凝土強(qiáng)度隨濃度的增加分別增長(zhǎng)了 0.2MPa、0.5MPa和 1.1MPa，養(yǎng)護(hù) 28d 的混凝土強(qiáng)度則分別增長(zhǎng)了1.5MPa、3.3MPa 和 6.3MPa，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 的混凝土試件，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)程度與后者相比小很多。在侵蝕60d 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 的混凝土抗壓強(qiáng)度同樣隨侵蝕溶液濃度的增加而增加，但養(yǎng)護(hù) 28d 的混凝土則呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，前者強(qiáng)度變化值也要小于后者。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 在進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)的混凝土，混凝土強(qiáng)度隨侵蝕溶液濃度從 0% 到 5%、10% 和 15%，在侵蝕 30d 時(shí)強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了 0.2MPa、0.5MPa 和 1.1MPa，在侵蝕60d 時(shí)，強(qiáng)度分別增加了 0.4MPa、0.8MPa 和 1.7MPa，強(qiáng)度增長(zhǎng)值很小，基本可以忽略，由此可以看出在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 后在進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度受硫酸鹽侵蝕溶液濃度影響很小。這說(shuō)明混凝土具有很好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土性能影響研究

本節(jié)主要研究了 C40、C45、C50 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 后，在 10% 濃度硫酸鹽侵蝕溶液中長(zhǎng)期浸泡后的性能變化。

2.3.1 混凝土質(zhì)量變化規(guī)律

不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在 10% 硫酸鹽侵蝕溶液中質(zhì)量變化率見(jiàn)表 6。

表6 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土質(zhì)量變化率 %

從表 6 可以看出，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，其中 C40 混凝土質(zhì)量增長(zhǎng)最快。從侵蝕 30d 到侵蝕 90d，C40 混凝土質(zhì)量變化率增加了 0.41%，而 C45 和 C50 混凝土分別增加了 0.24% 和 0.10%，C40 混凝土質(zhì)量變化程度也均要高于 C45 和 C50 混凝土。這可能是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度等級(jí)越低，混凝土內(nèi)部存在的孔隙缺陷越多，硫酸根離子越容易進(jìn)入到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，與混凝土水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的鈣礬石和石膏晶體越多，混凝土質(zhì)量增長(zhǎng)得就越快。

2.3.2 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律

不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土在 10% 硫酸鹽侵蝕溶液中抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表 7 和圖 3。

從表 7 和圖 3 中可以看出，C40 強(qiáng)度等級(jí)混凝土隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度逐漸減小，C45 強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度則隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，先增加后減小，C50 強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。由此可知，混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能由強(qiáng)到弱依次為 C50＞C45＞C40。這可能是因?yàn)?C40 強(qiáng)度等級(jí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)相對(duì)較差，進(jìn)入到混凝土內(nèi)部的硫酸根離子相對(duì)較多，發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石和石膏晶體較多，膨脹應(yīng)力較大，使混凝土內(nèi)部發(fā)生破壞，混凝土強(qiáng)度降低；而 C45 強(qiáng)度等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力相對(duì)較小，不能對(duì)混凝土造成破壞，同時(shí)鈣礬石和石膏晶體填充在混凝土內(nèi)部缺陷中，使混凝土強(qiáng)度增加，但隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，進(jìn)入到混凝土中的硫酸根離子逐漸增多，反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增大，對(duì)混凝土造成破壞，混凝土強(qiáng)度降低。

表7 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度 MPa

圖3 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度

3 結(jié)論

（1）侵蝕前的養(yǎng)護(hù)齡期很重要，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，混凝土耐硫酸鹽侵蝕性能越強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 60d 后再進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，混凝土的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度均受硫酸鹽侵蝕溶液濃度影響很小。

（2）混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同，受侵蝕程度也有很大不區(qū)別，強(qiáng)度等級(jí)越低，硫酸鹽侵蝕破壞越大，開始表現(xiàn)出強(qiáng)度降低的時(shí)間也越早。

（3）本文試驗(yàn)周期內(nèi)，混凝土質(zhì)量始終表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，混凝土抗壓強(qiáng)度則出現(xiàn)下降趨勢(shì)，相對(duì)混凝土質(zhì)量損失，混凝土強(qiáng)度損失要敏感許多。