不同温度下水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀试验研究

吴培元

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000)

修建大型基建工程时,会用到大量的混凝土结构,然而很多地区存在着硫酸盐,危害混凝土结构使用寿命,研究混凝土的抗硫酸盐侵蚀性是不容忽视的问题。

一百多年前已有混凝土抗硫酸盐侵蚀的相关文献,并取得了很多研究成果,主要涉及以下几方面:水泥成分、水胶比、硫酸溶液浓度、不同种类粉煤灰、混凝土中掺入钡盐等对于混凝土抗侵蚀性的影响[1-4]。如Monteiro等[5]认为水胶比和水泥的成分对混凝土抗侵蚀产生影响;亢景富[6]认为影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能与水泥中C3A的含量有关,并提出许多有效建议。方祥位等[7]进行了温度(21 ℃、38 ℃、50 ℃)对混凝土抗侵蚀性的研究并得出重要结论,但没有研究低温对混凝土的影响。王云天等[8]研究了低温对于混凝土抗侵蚀性影响,但只分析了对抗折强度影响。所以通过不同温度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)干湿循环模式下,研究不同水灰比不同水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能,主要针对温度因素对于侵蚀后混凝土的抗折强度、抗压强度、质量损失率及相对动模量4个指标的影响进行分析。

1 试验

1.1 试验材料及仪器

材料:水泥采用普通硅酸盐水泥和中抗硫水泥2种;骨料为中级砂,级配良好,细度模数2.7;侵蚀溶液为硫酸镁溶液,用市售无水硫酸镁配水而成。

仪器:电动抗折试验机、全自动液压恒应力试验机、电子秤、动模量测定仪。

1.2 试验方法

试块尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,水灰比(质量比)为0.5和0.36 2种,详细的配合比数据见表1。

表1 砂浆配合比Table 1 Mortar proportioning

试验方案设计是在3种温度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)下分别将编号A5、B5、A3、B3的水泥砂浆试块放入干湿循环模拟保温箱内,进行干湿循环。

试验采用干湿循环模式,即标准养护28 d后,在80 ℃烘24 h冷却至室温,分别在3种温度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)下浸泡48 h,用80 ℃的高温烘干20 h,冷却4 h,然后进入下一次循环,一次循环为3 d,共循环60次,共计180 d。每10次循环后测量一次水泥砂浆试块的抗折强度、抗压强度、质量及动弹性模量。在这种循环条件下,混凝土受2种作用的破坏,即化学腐蚀和物理作用(盐的结晶作用[9])。

2 试验结果分析

2.1 结果评判标准

试验设置了对比组,即将相同水灰比相同水泥砂浆的试块浸泡在水中进行不同温度(5 ℃、10 ℃、20 ℃)干湿循环,与试验组同一时间测试水泥砂浆试块2个指标(抗折强度、抗压强度)。

抗折抗蚀系数Kf为

(1)

其中:fst为第t龄期浸泡在硫酸溶液中水泥砂浆的抗折强度;fwt为第t龄期浸泡在水中水泥砂浆的抗折强度。

抗压抗蚀系数Kc为

(2)

其中:f′st为第t龄期浸泡在硫酸溶液中水泥砂浆的抗压强度;f′wt为第t龄期浸泡在水中水泥砂浆的抗压强度。

质量损失率Mr为

(3)

其中:Mt为第t龄期浸泡在硫酸溶液中水泥砂浆的质量;M0为水泥砂浆的初始质量。

相对动弹性模量Er为

(4)

其中:Ed为第t龄期浸泡在硫酸溶液中水泥砂浆的动弹性模量;E0为水泥砂浆的初始动弹性模量。

2.2 侵蚀后外观分析

观察试块表面的破坏状态,可以总结出试块受侵蚀的3个阶段:①侵蚀早期,试块表面的变化不明显,未见明显裂缝;②侵蚀中期,试块出现裂缝,边角有掉块现象;③侵蚀后期,破坏严重,出现掉渣现象,骨料漏出,剥落严重,水泥丧失凝聚性。

水灰比0.5的普通硅酸水泥外观变化较明显,具体情况如图1所示。侵蚀环境温度为5 ℃时比10 ℃和20 ℃时的水泥砂浆受破坏严重,说明温度确实能够影响混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力,温度低时抗侵蚀性弱。

图1 0.5水灰比普通水泥砂浆外观Fig.1 Ordinary cement mortar with water ash ratio of 0.5

2.3 水泥砂浆抗侵蚀强度分析

(1) 抗折抗蚀系数 2种水灰比水泥砂浆抗折抗蚀系数随循环次数变化曲线分别如图2和图3所示。其中A5-5、A5-10、A5-20分别表示A5编号的水泥砂浆在5 ℃、10 ℃、20 ℃环境下的工况, A3-5、A3-10、A3-20分别表示A3编号的水泥砂浆在5 ℃、10 ℃、20 ℃环境下的工况，B5-5、B5-10、B5-20和B3-5、B3-10、B3-20与此类似，不再赘述。

由图2可知,抗折抗蚀系数呈现先增加后减少的特点,也就是在硫酸盐溶液侵蚀水泥砂浆前期加强了水泥砂浆的抗折强度,这是由于硫酸盐侵蚀前期会在水泥砂浆的缝隙中形成结晶盐,填充了水泥砂浆的缝隙,提高了其性能。随着侵蚀时间的增加,形成逐渐增多的结晶盐,使其发生膨胀开裂,此时抗折强度也在降低,水泥砂浆逐渐被侵蚀。5 ℃下的抗折抗蚀系数提升的最大值次于10 ℃和20 ℃下的抗折抗蚀系数提升的最大值,在5 ℃下循环10次后,抗折抗蚀系数就开始下降,而10 ℃和20 ℃下水泥砂浆的抗折抗蚀系数循环20次才出现下降。5 ℃下水泥砂浆被侵蚀的最严重,表现为最终抗折抗蚀系数最低,20 ℃下水泥砂浆的最终抗折抗蚀系数最高,10 ℃下的最终抗折抗蚀系数居于二者之间。由此可见低温会影响混凝土的抗侵蚀性能,加速侵蚀。

图2 0.5水灰比水泥砂浆抗折抗蚀系数Fig.2 Bending strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.5

图3 0.36水灰比水泥砂浆抗折抗蚀系数Fig.3 Bending strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.36

由图3可知,5 ℃下最终抗折抗蚀系数最低,20 ℃下最终抗折抗蚀系数最高,低温会对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性产生一定影响,但是最终的抗折抗蚀系数10 ℃和20 ℃时的比较接近。综合图2和图3可得,0.36水灰比水泥砂浆抗折抗蚀系数较高,说明降低水灰比会提高抗侵蚀性能。

(2) 抗压抗蚀系数 2种水灰比水泥砂浆抗压抗蚀系数随循环次数变化曲线分别如图4和图5所示。

由图4可知,抗压抗蚀系数随循环次数的增加呈现先增大后减小的规律,循环次数40次时,抗压抗蚀系数几乎都在1附近徘徊,之后开始明显降低。对于0.5水灰比普通水泥抗压抗蚀系数变化情况来说,20 ℃下的抗压抗蚀系数增加值最大,5 ℃下的抗压抗蚀系数增加值最小,10 ℃下的抗压抗蚀系数在二者中间;5 ℃时的抗压抗蚀系数在循环20次就开始下降,10 ℃和20 ℃时的抗压抗蚀系数在循环40次才开始下降;最终抗压抗蚀系数是20 ℃最大、10 ℃次之、5 ℃最小。

由图5可知,5 ℃、10 ℃和20 ℃下的抗压抗蚀系数随循环次数的变化曲线互有穿插,说明温度对于抗压抗蚀系数的影响不太明显,虽然抗压强度也是硫酸盐侵蚀混凝土过程中的敏感测试指标,但是没有抗折强度测试指标的敏感性强,最终抗压抗蚀系数在20 ℃时最大。低水灰比可以降低温度因素对于混凝土抗侵蚀性的影响。

综合图4和图5可得,中抗硫水泥砂浆的最终抗压抗蚀系数比普通水泥砂浆的大,0.36水灰比的最终抗压抗蚀系数比0.5水灰比的大。

2.4 水泥砂浆抗侵蚀质量损失率分析

0.5水灰比普通水泥和中抗硫水泥质量损失率随循环次数的变化曲线如图6所示。

图4 0.5水灰比水泥砂浆抗压抗蚀系数Fig.4 Pressure strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.5

图5 0.36水灰比水泥砂浆抗压抗蚀系数Fig.5 Pressure strength and anti-erosion coefficient of cement mortar with water ash ratio of 0.36

图6 0.5水灰比水泥砂浆质量损失率Fig.6 Mass loss rate of cement mortar with water ash ratio of 0.5

从图6可知,质量损失率先呈现负值再变为正值,这说明水泥砂浆在浸泡过程中,先吸收溶液进入其内部,形成结晶,增加了其质量,然后发生破坏,出现掉渣现象,质量减少。对于0.5水灰比普通水泥质量损失率变化情况来说,20 ℃时出现的质量损失率负值最大,10 ℃时次之,5 ℃时最小,说明温度升高会使溶液加快进入水泥砂浆内部。最终5 ℃下的质量损失率最大,试块破坏最严重;20 ℃下的质量损失率最小,试块破坏程度最小;10 ℃下的质量损失率居于中间,说明低温会影响水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性。中抗硫水泥砂浆的质量损失率变化曲线也有类似规律,无论哪种温度下中抗硫水泥砂浆的最终质量损失率要比普通水泥的最终质量损失率小,中抗硫水泥确实加强了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。

2.5 水泥砂浆抗侵蚀相对动模量分析

2种水灰比水泥砂浆相对动模量随循环次数变化曲线分别如图7和图8所示。

图7 0.5水灰比水泥砂浆相对动模量Fig.7 Relative dynamic modulus of cement mortar with water ash ratio of 0.5

图8 0.36水灰比水泥砂浆相对动模量Fig.8 Relative dynamic modulus of cement mortar with water ash ratio of 0.36

由图7可知,在循环次数为40次之前,相对动模量处于1附近,循环40次之后相对动模量开始下降至1以下,试块开始急剧的破坏;循环次数为60次时,5 ℃下的最终相对动模量最小,20 ℃下的最终相对动模量最大,10 ℃下的居于中间,说明低温会对水泥砂浆的相对动模量产生影响。

由图8可知,20 ℃下循环次数50次时才出现相对动模量下降至1以下,5 ℃和10 ℃下是循环40次时出现;最终相对动模量值5 ℃下最小,10 ℃下的次之,20 ℃下的最大,说明温度越低,越降低混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

综合图7和图8可知,中抗硫水泥砂浆的最终质量损失率比普通水泥砂浆的大,0.36水灰比水泥砂浆最终质量损失率较低,降低水灰比会提高抗侵蚀性能。

3 结论

(1) 在硫酸盐侵蚀混凝土早期,会先加强混凝土的性能,然后不断将其破坏。

(2) 对比低温和常温情况下混凝土的抗侵蚀指标,低温不利于混凝土抗硫酸盐侵蚀,表现为抗折强度、抗压强度、相对动模量降低,质量损失率提高。抗折强度和相对动模量变化表现明显,抗压强度和质量损失率变化不太明显。

(3) 低水灰比的混凝土比高水灰比的混凝土更抗硫酸盐侵蚀;低水灰比时,在一定温度范围内,低温因素对于混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响不明显。