硫酸盐侵蚀和冻融循环作用下粉煤灰混凝土性能分析

李泽发

（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆 乌鲁木齐 830091）

0 引言

随着国内对水资源逐渐深入开发利用，在沿海区域建设水利工程现象较多。该类工程常常选用外掺粉煤灰的碾压混凝土浇筑，但时常受到硫酸钠侵蚀与冻融循环双重作用的影响[1]。因此为了保证水电站或水库的使用寿命，必须掌握硫酸盐侵蚀和冻融循环双重作用不同外掺比例的粉煤灰混凝土性能变化[2]。

本文为了探究硫酸盐侵蚀+冻融循环双重影响下粉煤灰外掺比例变化与混凝土性能关系与影响机理，设计硫酸盐侵蚀+冻融循环、冻融循环两种试验条件，设定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外掺比例形成对比试验，选取试验构件质量损失、相对动弹性模量、抗压强度、抗压强度损失百分比等各指标表征混凝土性能变化。根据试验数据分析得到的理论指导工程实践，提高水利工程质量。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与混凝土混合比介绍

选择PO32.5 型号的水泥与II 级粉煤灰作为胶凝材料，减水剂型号为上海某厂提供的JM-III 型，引气剂型号为AIR204型。选择细度模数为2.65 的中砂作为细骨料。粗骨料为粒径范围5.0 mm～20.0 mm、20.0 mm～40.0 mm、40.0 mm～80.0 mm 的石灰石，各粒径范围石灰石质量比例为1∶1∶1.33。水可选用自 来水即可。试验的混合比见表1。

表1 试验中单位体积内混凝土混合比

1.2 试验构件制作与试验方法介绍

依据相关规范要求浇筑试验构件，拌和完成后第一时间把拌和物倒在湿润的铁皮上[3]，搅拌均匀后把拌和物分成双层依次填充进200 mm×200 mm×800 mm 棱柱与边长为200 mm的立方体模具内，下部填筑完成后振捣20.0 s，接着填筑表层，接着振捣20.0 s 后成型。构件成型后第一时间放置在标准养护室内，4.0 h 后抹面，1 d 后去除模具后标识试验组及标号。再次放置在标准养护养护3 个月。试验构件规格与试验组标号见表2。

表2 试验构件规格与试验组标号、用途

其中设定试验条件为冻融循环与硫酸盐侵蚀2 种影响的自由组合，硫酸盐侵蚀选择含量5.0%的硫酸盐溶液来实现[4]。D0.0 是粉煤灰外掺比例0.0%时冻融循环构件，D20.0 是粉煤灰外掺比例20.0%时冻融循环构件，D40.0 是粉煤灰外掺比例40.0%时冻融循环构件。QD0.0 是粉煤灰外掺比例0.0%时硫酸盐侵蚀的冻融循环构件，QD20.0 是粉煤灰外掺比例20.0%时硫酸盐侵蚀的冻融循环构件，QD40.0 是粉煤灰外掺比例40.0%时硫酸盐侵蚀的冻融循环构件。

为了保证冻融循环或冻融循环与硫酸盐侵蚀的试验效果，在养护85.0d 时，将各试验构件依次浸泡在20.0℃左右的水箱与5.0%的硫酸盐溶液箱内到3 个月取出[5～7]。对构件检测质量、相对动弹性模量、波速后依次完成100.0 次、200.0 次、300.0次、400.0 次冻融循环、硫酸盐侵蚀+冻融循环试验。

2 试验结果分析

2.1 质量损失分析

冻融循环和硫酸盐侵蚀+冻融循环时，冻融循环数量与构件质量呈负相关关系，与质量损失百分比呈正相关关系，具体变化曲线见图1。在400.0 次冻融循环时，试验构件D0.0、D20.0、D40.0 质量损失百分比依次是1.81%、3.08%、4.04%。试验构件QD0.0 在400.0 次冻融循环时质损比例变成4.25%，QD20.0 在300.0 次冻融循环时质损比例变成3.34%，400.0 次时变成5.54%，大于5.0%，QD40.0 在200.0 次冻融循环时质损比例变成4.56%,300.0 次时变成5.89%。即可推断湿筛购进质量损失与外掺粉煤灰比例呈正相关，尤其有硫酸盐侵蚀的影响时，抗冻性下降明显。在冻融循环数量一致下，冻融循环构件质损比例远小于硫酸盐侵蚀+冻融循环构件质损比例，同时冻融循环数量上升，硫酸盐侵蚀+冻融循环构件质损比例增长幅度大。

图1 混凝土构件质量损失百分比和冻融循环数量的关系曲线图

2.2 相对动弹性模量分析

湿筛混凝土构件的相对动弹性模量与冻融循环数量呈负相关关系。在400.0 次冻融循环时，D0.0、D20.0、D40.0 试验构件分别减小至83%、70.1%、59.8%。QD0.0 试验构件400.0次冻融循环时78.3%，QD20.0 在300.0 次冻融循环时变为73.3%，400.0 次冻融循环时变成62.0%，QD40.0 构件在200.0次冻融循环时变成80.7%，300.0 次冻融循环时变成60.2%，400.0 次后变成40.6%。可以得出，冻融循环数量一致时，湿筛混凝土构件抗冻性能与粉煤灰外掺比例呈负相关关系。冻融前期，降幅较小，随时间推移，下降幅度增长，并以指数态势发展。

图2 是水溶液与盐溶液分别影响时混凝土构件进行冻融循环时相对弹性模量与冻融循环数量关系图。分析图2 曲线能够得到，冻融循环数量一致时，水冻影响的混凝土构件相对动弹性模量远高出盐冻影响的混凝土构件的弹性模量，并且当冻融循环数量上升，水冻影响的混凝土降幅小于盐冻降幅。进一步分析说明在硫酸盐侵蚀的影响可加快混凝土破损。

图2 混凝土构件冻融循环时相对弹性模量与冻融循环数量关系图

分析水工混凝土相对动弹性模量粉煤灰外掺比例冻融循环数量间的方程式，可建立方程式为：

式中：En是冻融多次时相对动弹性模量；a1、a2是常数；n 是冻融循环数量；kc与粉煤灰外掺比例相关的变量，kc=a3c2+a4c+a5，c是粉煤灰外掺比例。

利用回归分析计算出盐冻情形时方程各标量值后得到En=0.9242。

2.3 抗压强度分析

为了深度分析仅在冻融循环或硫酸盐侵蚀或双重影响时混凝土力学性能下降情况，计算湿筛混凝土构件的抗压强度损失百分比见下式[8]：

式中：Sn代表湿筛混凝土强度损失百分比，%；Pn代表若干冻融循环时混凝土抗压强度，MPa；P0代表未经冻融循环混凝土初始抗压强度值，MPa。

试验混凝土构件的抗压强度损失百分比与冻融循环数量呈正相关关系。400.0 次冻融循环时，D0.0、D20.0、D40.0 3 个试验构件分别减小至23.98%、31.27%、43.73%。QD0.0 试验组构件400.0 次冻融循环时变成41.8%，QD20.0 试验构件300.0 次冻融循环时变成42.45%，400.0 次时变成52.75%。QD40.0 试验组构件200.0 次冻融循环下降幅度为47.7%，300.0 次冻融循环时为60.55%，400.0 次时变成68.05%。站在混凝土承载能力的角度来看再次验证了在冻融循环数量一致的情形时，抗压强度损失百分比和粉煤灰外掺比例呈负相关，即抗冻性能下降，在冻融破损后期，混凝土承载力降幅最大。

图3 是水溶液与盐溶液共同影响时混凝土构件冻融循环数量与构件抗压强度损失百分比之间的关系图。分析图3 曲线变化能够得到：在冻融循环数量相同时，水冻情形时混凝土构件的抗压强度损失百分比远小于盐冻情形时混凝土构件抗压强度损失百分比，且在冻融循环数量上升时，盐冻影响的混凝土抗压强度损失百分比以指数趋势增长，外掺粉煤灰混凝土破损伤害十分显著。

图3 混凝土构件冻融循环数量与构件抗压强度损失百分比之间的关系图

分析水工混凝土抗压强度和粉煤灰外掺比例，冻融循环数量3 者间方程式，可先建立方程式，利用试验数值回归分析计算出标量值，得出Pn=0.9619。

2.4 抗压强度损失百分比和相对动弹性模量关系分析

混凝土抗压强度表征混凝土承载性能，可反映混凝土抗冻性能[9]。相对动弹性模量是一类无损测量方法，可作为反映混凝土抗冻性能的指标。选择外掺粉煤灰混凝土的相对动弹性模量来表征冻融循环后混凝土抗压强度的损失百分比具有很好的效果。

表3 外掺粉煤灰混凝土经冻融循环后相对动弹性模量和抗压强度损失百分比

在粉煤灰外掺比例为20.0%和40.0%的湿筛混凝土受到冻融循环时，相对动弹性模量和抗压强度损失百分比具备较强的相关性。综合公式1 与2 并解析各试验数据，可推断外掺粉煤灰混凝土在硫酸盐侵蚀与冻融循环双重影响时，相对动弹性模量、抗压强度和冻融循环数量全部大致为指数相关，而两者则为线性相关。所以设立相对动弹性模量和抗压强度损失百分比的方程式如下：

利用回归分析计算硫酸盐侵蚀与冻融循环双重影响下混凝土抗压强度损失百分比和相对动弹性模量、粉煤灰外掺比例3者的方程式，得sn=0.9950。

粉煤灰外掺比例为20.0%的湿筛混凝土在300.0 次冻融时，相对动弹性模量只是68.2%，而抗压强度损失百分比以高达54.73%，在粉煤灰外掺比例为40.0%的湿筛混凝土在200.0次冻融时，相对动弹性模量只是79.74%，而抗压强度损失百分比已高达42.83%，即可知冻融循环外掺粉煤灰混凝土相对动弹性模量减小程度低于抗压强度损失百分比的降幅，构件经过冻融循环后破损与否由其抗压强度决定。当相对动弹性模量值在60.0%以下时，显然不适用在外掺粉煤灰的混凝土，当抗压强度损失百分比超过50.0%时，反映出混凝土力学性能基本丧失，此时视试件已无承载能力，按照公式3 可求得其相对动弹性模量小于75.0%.

3 结论

本文为了探究硫酸盐侵蚀+冻融循环双重影响下粉煤灰外掺比例对混凝土性能的改变，设计硫酸盐侵蚀+冻融循环、冻融循环两种试验条件，设定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外掺比例形成对比试验。选取试验构件质量损失、相对动弹性模量、抗压强度、抗压强度损失百分比等各指标表征混凝土性能变化。得出以下结论：

1）冻融循环数量一致条件下，粉煤灰外掺比例上升冻融循环的湿筛混凝土构件质量损失、相对动弹性模量、抗压强度远小于硫酸盐侵蚀+冻融循环下的试验构件，即硫酸盐侵蚀加速混凝土冻融破坏作用。

2）外掺粉煤灰混凝土在硫酸盐侵蚀+冻融循环双重影响下，相对动弹性模量、抗压强度和冻融数量为指函数趋势，两者为线性相关。

3）外掺粉煤灰混凝土相对动弹性模量降幅小于抗压强度。并利用函数式重新增加粉煤灰混凝土冻融评价准则：抗压强度损失百分比大于50.0%，且相对动弹性模量小于75.0%。