摘要：文章以路橋工程中橋臺(tái)混凝土為主要研究對(duì)象，在硫酸鹽環(huán)境下對(duì)其劣化機(jī)理及防護(hù)措施進(jìn)行了深入探討。通過(guò)將試件置不同濃度的Na2SO4溶液中，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M自然環(huán)境中硫酸鹽對(duì)水泥混凝土的劣化，測(cè)試試件的質(zhì)量損失率以及抗壓強(qiáng)度變化，評(píng)價(jià)不同濃度Na2SO4溶液下混凝土試件的破壞情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著硫酸鹽濃度增加，水泥混凝土的質(zhì)量損失率上升，力學(xué)性能大幅下降。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽環(huán)境；劣化機(jī)理；橋臺(tái)混凝土；干濕循環(huán)

U443.21A411283

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜。尤其在西部地區(qū)，由于地層富含硫酸鹽，使得此處的路橋工程面臨著極大的挑戰(zhàn)［1-2］。此外，海濱地區(qū)的橋臺(tái)混凝土同樣需要面對(duì)海水中的硫酸鹽侵蝕問(wèn)題［3］。相比普通鋼筋混凝土工程，處于硫酸鹽環(huán)境下的混凝土工程在耐久性和安全性方面面臨著更為嚴(yán)苛的考驗(yàn)。在硫酸鹽環(huán)境下，橋臺(tái)混凝土常常會(huì)遭受劣化，這不僅影響了橋梁的使用壽命，也對(duì)其安全性構(gòu)成了威脅。由于硫酸鹽會(huì)在橋臺(tái)混凝土內(nèi)部形成鈣礬石或石膏晶體，從而引發(fā)微觀裂縫并在長(zhǎng)期過(guò)程中逐漸擴(kuò)展，從而降低混凝土的抗?jié)B性能，加速混凝土結(jié)構(gòu)的老化過(guò)程，甚至可能導(dǎo)致無(wú)法逆轉(zhuǎn)的損壞［4-6］。因此，針對(duì)此類環(huán)境下的橋臺(tái)混凝土，亟須進(jìn)行深入的研究和探索以找出有效的防護(hù)策略，確保其長(zhǎng)久的安全運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)以探究驗(yàn)證硫酸鹽在橋臺(tái)水泥混凝土中的傳輸以及劣化機(jī)理。劉大慶、余振新、周銘如等研究了水泥混凝土在硫酸鹽中的耐久性［7-9］，表明硫酸鹽會(huì)縮短混凝土工程結(jié)構(gòu)的使用壽命。竇曉崢、施峰、楊正云等研究了水泥混凝土在硫酸鹽中的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果表明硫酸鹽會(huì)劣化水泥混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隨著硫酸鹽作用水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度降低［10-12］。但是這些研究大多集中于同一濃度硫酸鹽對(duì)水泥混凝土的侵蝕破壞。海洋以及不同地區(qū)土壤中所含離子種類多樣復(fù)雜，不同地區(qū)硫酸鹽濃度相差大。為了更貼切工程實(shí)際，需對(duì)不同硫酸鹽濃度下水泥混凝土的劣化機(jī)理進(jìn)行深入研究。

為了探究橋臺(tái)混凝土在特殊鹽環(huán)境下的受損情況，本文制作了水泥混凝土試件，并將其置于不同濃度的Na2SO4溶液中，模擬自然環(huán)境中硫酸鹽對(duì)水泥混凝土的影響。采用干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了水泥混凝土試件在硫酸鹽含量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%時(shí)混凝土試件外觀以及抗壓強(qiáng)度的下降情況，對(duì)不同濃度硫酸鹽環(huán)境中混凝土試件的劣化機(jī)理進(jìn)行了深入分析。

1 原材料及樣品制備

1.1 原材料

試驗(yàn)所用材料包括水、水泥、骨料、標(biāo)準(zhǔn)砂、Na2SO4分析純、減水劑。水為去離子水；水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5；骨料采用玄武巖。

1.2 Na2SO4溶液配制

用燒杯量取8份10 L蒸餾水，在蒸餾水中分別加入0 g、50.3 g、101.0 g、152.3 g、204.1 g、256.4 g、309.3 g、362.7 g Na2SO4分析純并用玻璃棒攪拌均勻，完成硫酸鹽含量分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的溶液配制。

1.3 混凝土試件成型過(guò)程

將試驗(yàn)所需水泥、骨料以及標(biāo)準(zhǔn)砂按一定配合比進(jìn)行拌和，之后將加入高效減水劑的水加入并拌和均勻，裝入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具，將模具連同混凝土放在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)密實(shí)。試件分為9組，每組包含5個(gè)混凝土試件。將制作完成的混凝土試件放入混凝土恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，之后對(duì)試件進(jìn)行脫模，完成混凝土試件的制作。混凝土試件配合比如表1所示。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

用不同濃度的硫酸鈉溶液對(duì)混凝土試件進(jìn)行干濕循環(huán)處理180 d后，模擬濱海環(huán)境下橋臺(tái)水泥混凝土受到離子侵蝕，測(cè)試混凝土試件的質(zhì)量損失率以及抗壓強(qiáng)度值。試驗(yàn)流程如圖1所示。

2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

將混凝土試件放入不同濃度的Na2SO4溶液中，浸泡14 h，取出再放入溫度為50 ℃的烘箱內(nèi)干燥處理8 h，之后自然冷卻2 h為一個(gè)循環(huán)，干濕循環(huán)180次。

2.2 混凝土質(zhì)量損失率測(cè)試

先測(cè)量硫酸鹽干濕循環(huán)之前混凝土試件的質(zhì)量m0，將不同濃度Na2SO4溶液處理后的混凝土試件取出，測(cè)量其質(zhì)量并記作m1。定義混凝土試件的質(zhì)量損失率=m0-m1m0×100%。

2.3 混凝土試件抗壓強(qiáng)度測(cè)試

利用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量硫酸鹽干濕循環(huán)之前混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，之后將混凝土試件置于不同濃度Na2SO4溶液中干濕循環(huán)180次，測(cè)量不同濃度Na2SO4溶液干濕循環(huán)后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 混凝土質(zhì)量損失率

測(cè)量8組混凝土試件干濕循環(huán)前后的質(zhì)量損失情況，得到數(shù)據(jù)整理如表2所示。

由表2可知，8組混凝土試件干濕循環(huán)后質(zhì)量均有損失，經(jīng)過(guò)計(jì)算，整理數(shù)據(jù)得到8組試件的質(zhì)量損失率如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)Na2SO4溶液濃度在0.5%～3.5%范圍內(nèi)變化時(shí)，試件的質(zhì)量損失率一直在上升，分析原因認(rèn)為，隨著Na2SO4溶液濃度上升，鹽溶液在混凝土試件中更容易結(jié)晶析出，使混凝土試件微裂紋擴(kuò)展迅速，混凝土試件劣化更加嚴(yán)重；當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0%時(shí)，試件質(zhì)量損失率為0.28%，分析原因認(rèn)為，空氣中的CO2融入水使水溶液呈酸性，與水泥中的Ca2（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)生成Ca（HCO3）2，Ca（HCO3）2遇水易溶導(dǎo)致試件一部分溶解流出，此時(shí)混凝土破壞主要以軟水溶蝕為主；當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0.5%時(shí)，試件質(zhì)量損失率小于Na2SO4溶液濃度為0時(shí)混凝土試件的質(zhì)量損失率，分析原因認(rèn)為當(dāng)Na2SO4溶液濃度較低，Na2SO4晶體在孔隙中析出一部分，無(wú)法完全填充孔隙使混凝土試件劣化產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)不同濃度試件干濕循環(huán)劣化機(jī)理如圖3所示。

3.2 橋臺(tái)混凝土抗壓強(qiáng)度

根據(jù)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試結(jié)果，得到不同濃度Na2SO4溶液干濕循環(huán)后混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。用干濕循環(huán)前后混凝土試件抗壓強(qiáng)度變化值除以干濕循環(huán)前試件的抗壓強(qiáng)度，得到試件干濕循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度變化率。數(shù)據(jù)整理后如圖4所示。

由圖4可知，干濕循環(huán)前混凝土試件的抗壓強(qiáng)度平均值為46.9 MPa，由于試件的邊長(zhǎng)為100 mm，換算成標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度需乘以0.95系數(shù)，結(jié)果為44.6 MPa，仍然滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0時(shí)，試件干濕循環(huán)180次后抗壓強(qiáng)度有所上升，分析認(rèn)為干濕循環(huán)過(guò)程中雖然有軟水溶蝕會(huì)造成試件抗壓強(qiáng)度下降，但是由于養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度仍在不斷發(fā)展并提升。

當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0.5%，干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度上升率比純水中抗壓強(qiáng)度上升幅度更大，為17.7%。分析原因認(rèn)為，當(dāng)Na2SO4溶液濃度低，并且干濕循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，Na2SO4在混凝土中結(jié)晶能填充混凝土孔隙且不至于使孔隙劣化產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)混凝土更加密實(shí)，因此能提升混凝土抗壓強(qiáng)度。但是在實(shí)際濱海工程中，Na2SO4濃度低時(shí)仍然可以觀察到水泥混凝土工程的劣化，歸結(jié)起來(lái)有兩點(diǎn)原因：（1）濱海中離子種類多，環(huán)境復(fù)雜，各種不利因素耦合導(dǎo)致混凝土劣化，與試驗(yàn)中的單一鹽類破壞有所不同；（2）濱海工程服役年限長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限一般為100年以上，而試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)為180次，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)的增多，結(jié)晶鹽填滿混凝土內(nèi)部孔隙時(shí)仍然會(huì)造成抗壓強(qiáng)度的下降。

當(dāng)Na2SO4溶液濃度gt;1.5%時(shí)，干濕循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度下降，且隨著Na2SO4溶液濃度上升，試件的抗壓強(qiáng)度迅速降低。由此驗(yàn)證了混凝土置于高濃度Na2SO4溶液中干濕循環(huán)條件下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶鹽并使混凝土孔隙產(chǎn)生微裂紋的猜想。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以涉海路橋工程中橋臺(tái)混凝土為主要研究對(duì)象，在硫酸鹽環(huán)境下對(duì)其劣化機(jī)理深入探討。通過(guò)試驗(yàn)探究了混凝土試件在不同濃度Na2SO4溶液干濕循環(huán)后的質(zhì)量以及抗壓強(qiáng)度的變化。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

（1）在干濕循環(huán)次數(shù)較少，Na2SO4溶液濃度較低的情況下，混凝土內(nèi)部孔隙會(huì)被Na2SO4結(jié)晶鹽部分填充，但不會(huì)產(chǎn)生微裂縫使混凝土性能下降，相反還會(huì)使混凝土力學(xué)性能有一定上升。

（2）當(dāng)Na2SO4溶液濃度較高時(shí)，混凝土干濕循環(huán)后內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶鹽體積膨脹，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量減少，力學(xué)性能下降，并且鹽溶液濃度越高混凝土劣化越嚴(yán)重。

（3）混凝土試件在水中干濕循環(huán)后會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降，其原因?yàn)榭諝庵械腃O2溶于水使水呈弱酸性，之后與水泥石中的Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng)并能被水溶解流出。

硫酸鹽環(huán)境下橋臺(tái)混凝土劣化機(jī)理的研究，對(duì)于提高橋梁的使用壽命和安全性具有重要意義。通過(guò)研究硫酸鹽環(huán)境下橋臺(tái)混凝土的劣化機(jī)理，可以為橋梁的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，從而提高橋梁的使用壽命和安全性。

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