硫酸盐侵蚀下铁路混凝土含气量控制标准研究

刘 斌，刘东锋，王亚萍，马 旭

(中国水利水电第三工程局有限公司,陕西 西安 710024)

我国盐渍土壤分布十分广泛,尤其是滨海以及西部盐湖地区存在较高浓度的硫酸盐根离子。近年来,随着铁路基础建设的不断推进,大量铁路轨道、路基、桥隧建筑物等混凝土主体结构存在硫酸盐侵蚀风险,长期处于硫酸盐侵蚀环境下的铁路混凝土会出现膨胀、开裂、剥落、腐蚀变质等现象,使混凝土的强度和耐久性能出现劣化,严重影响工程结构的安全性和可靠性[1-4]。大量研究和工程实践表明,硫酸盐侵蚀对混凝土性能劣化的影响很大,破坏力更强[5-8]。

铁道行业标准TB 10424—2018铁路混凝土工程施工质量验收标准中规定:处于盐类结晶破坏环境的混凝土含气量不低于4.0%,并且必须采取减水剂和引气剂双掺的方式进行配制。混凝土中引入适宜均匀分布稳定且封闭的微小气泡,可提高其工作性和耐久性[9]。但规范中并未针对不同强度等级混凝土做出明确的含气量上限控制要求,这样可能会造成混凝土含气量过高,不仅会增加胶凝材料和外加剂的用量,而且也不利于混凝土质量和成本控制。本文以不同中强混凝土(C35,C40和C50)作为研究对象,研究不同含气量变化对抗压强度耐蚀系数的影响规律,从而得到针对不同强度等级混凝土含气量的控制要求。

1 试验

1.1 原材料

水泥:山东东华水泥有限公司淄博万华分公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥,28 d胶砂强度为48.2 MPa;粉煤灰:F类Ⅱ级粉煤灰,需水量比96%;细骨料:中砂,细度模数为2.8的河砂;粗骨料:由粒径5 mm～10 mm,10 mm～20 mm与20 mm～31.5 mm的碎石按照质量比2∶5∶3混合后使用;减水剂:山西方兴建材有限公司生产的FX-1H缓凝型高性能聚羧酸减水剂,减水率30%;引气剂:山西方兴建筑材料有限公司生产的FX-9型引气剂;拌合水:自来水。

1.2 混凝土配合比

TB 10005—2010铁路混凝土结构耐久性设计规范中要求处于硫酸盐环境的主体结构混凝土最低强度等级为C35,故设计C35,C40和C50三个强度等级混凝土进行试验。通过调整外加剂掺量,将混凝土坍落度控制在(220±10)mm,4种含气量控制在(2±0.2)%,(4±0.2)%,(6±0.2)%和(8±0.2)%范围内。混凝土配合比见表1。

1.3 试验方法

试验按照GB/T 50081—2019普通混凝土力学性能试验方法标准和GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准将试块养护56 d后进行抗硫酸盐侵蚀试验,1次干湿循环周期为1 d,侵蚀溶液为质量浓度5%的硫酸钠溶液,每隔30次干湿循环检测抗压强度耐蚀系数变化情况,直至300次干湿循环。

2 结果与讨论

2.1 含气量对C35混凝土抗压强度耐蚀系数的影响

C35混凝土硫酸盐溶液干湿循环后的抗压强度耐蚀系数变化情况见图1。由图1可知,各循环周期下C35混凝土抗压强度耐蚀系数均存在先增大后降低的趋势,这是因为在干湿循环初期,混凝土内部形成的盐晶体和未反应的粉煤灰进一步水化,起到填充空隙和密实的作用,使得混凝土的强度增加,但是随着干湿循环的持续,盐晶体继续富集和长大,引起混凝土孔结构的破坏,导致强度急剧降低。

四种含气量的C35混凝土在180次干湿循环下耐蚀系数分别为90.4%,94.1%,86.8%和79.9%,均大于75.0%,满足KS180等级要求;在300次干湿循环下的耐蚀系数分别为81.3%,83.1%,77.7%和70.0%,含气量为8.0%的C35混凝土耐蚀系数已不满足要求。这主要是由于同一强度等级混凝土含气量在一定范围内,随着其内部引入的微小气泡越多,硫酸盐环境下引入的封闭气孔可以作为盐类结晶压力的“缓冲区”,其抗硫酸盐侵蚀性能越好,但是当含气量过高时有害气泡数量增多,容易导致气泡分布不均匀,对混凝土自身强度造成较大损失,其抵抗盐类结晶压力破坏的能力大幅降低,抗硫酸盐侵蚀性降低[10]。

根据C35混凝土含气量与抗压强度耐蚀系数之间的关联性,采用二次函数进行拟合,混凝土240次、270次和300次干湿循环试验后的拟合曲线如图2所示,相关系数R2均超过了0.95,拟合效果良好。

通过上述二次函数拟合方程式计算不同干湿循环次数下C35混凝土的最优含气量,即耐蚀系数最大值时所对应的含气量值,计算结果如表2所示。由表2可知,C35混凝土240次干湿循环下最优含气量值为3.4%;270次干湿循环下最优含气量值为4.4%;300次干湿循环下最优含气量值为3.8%。引气剂掺量增加会使混凝土成本增加,当含气量过高时有害气泡数量增多,会引起混凝土强度下降。因此,综合考虑经济性、安全性和规范要求三方面因素,建议C35混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量应控制在4.0%～4.4%。

表2 不同干湿循环次数下C35混凝土的最优含气量

2.2 含气量对C40混凝土抗压强度耐蚀系数的影响

C40混凝土经硫酸盐溶液干湿循环后抗压强度耐蚀系数变化情况见图3。各循环次数下C40混凝土抗压强度耐蚀系数均存在先增大后降低的趋势。四种含气量的C40混凝土在180次干湿循环下的耐蚀系数分别为97.5%,98.9%,99.29%和94.3%,均大于75.0%,故满足KS180等级要求;在300次干湿循环下的耐蚀系数分别为82.5%,85.8%,87.8%和80.2%。

根据C40混凝土含气量与抗压强度耐蚀系数之间的关联性,采用二次函数拟合,混凝土240次、270次和300次干湿循环试验后的拟合曲线如图4所示,相关系数R2均超过了0.90,拟合效果良好。

通过上述二次多项式函数拟合方程式计算不同干湿循环次数下C40混凝土的最优含气量,计算结果如表3所示。由表3可知,C40混凝土240次干湿循环下最优含气量值为5.0%;270次干湿循环下最优含气量值为5.3%;300次干湿循环下最优含气量值为4.9%。综合考虑,建议C40混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量应控制在4.0%～5.3%。

表3 不同干湿循环次数下C40混凝土的临界含气量

2.3 含气量对C50混凝土抗压强度耐蚀系数的影响

C50混凝土经硫酸盐溶液干湿循环的抗压强度耐蚀系数变化情况见图5。各循环次数下C50混凝土抗压强度耐蚀系数均存在先增大后降低的趋势。四种含气量的C50混凝土在180次干湿循环下的耐蚀系数分别为97.3%,98.1%,98.5%和96.3%,均大于75.0%,满足KS180等级要求;在300次干湿循环下的耐蚀系数分别为85.6%,89.9%,91.0%和85.2%。

根据C50混凝土含气量与抗压强度耐蚀系数之间的关联性,采用二次函数拟合,混凝土240次、270次和300次干湿循环试验后的拟合曲线如图6所示,相关系数R2均超过了0.93,拟合效果良好。

通过上述二次多项式函数拟合方程式计算不同干湿循环次数下C50混凝土的最优含气量,计算结果如表4所示。由表4可知,C50混凝土240次干湿循环下最优含气量值为4.8%;270次干湿循环下最优含气量值为4.9%;300次干湿循环下最优含气量值为5.0%。综合考虑,建议C50混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量应控制在4.0%～5.0%。

表4 不同干湿循环次数下C50混凝土的临界含气量

3 结论

1)在干湿循环240次、270次和300次下,C35,C40和C50混凝土抗压强度侵蚀系数变化与混凝土含气量呈二次函数关系,相关系数R2均在0.90以上,说明关联性良好。

2)建议C35混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量控制在4.0%～4.4%;C40混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量控制在4.0%～5.3%;C50混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的含气量控制在4.0%～5.0%。