硫酸鹽侵蝕和凍融循環作用下粉煤灰混凝土性能分析

李澤發

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

0 引言

隨著國內對水資源逐漸深入開發利用，在沿海區域建設水利工程現象較多。該類工程常常選用外摻粉煤灰的碾壓混凝土澆筑，但時常受到硫酸鈉侵蝕與凍融循環雙重作用的影響[1]。因此為了保證水電站或水庫的使用壽命，必須掌握硫酸鹽侵蝕和凍融循環雙重作用不同外摻比例的粉煤灰混凝土性能變化[2]。

本文為了探究硫酸鹽侵蝕+凍融循環雙重影響下粉煤灰外摻比例變化與混凝土性能關系與影響機理，設計硫酸鹽侵蝕+凍融循環、凍融循環兩種試驗條件，設定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外摻比例形成對比試驗，選取試驗構件質量損失、相對動彈性模量、抗壓強度、抗壓強度損失百分比等各指標表征混凝土性能變化。根據試驗數據分析得到的理論指導工程實踐，提高水利工程質量。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與混凝土混合比介紹

選擇PO32.5 型號的水泥與II 級粉煤灰作為膠凝材料，減水劑型號為上海某廠提供的JM-III 型，引氣劑型號為AIR204型。選擇細度模數為2.65 的中砂作為細骨料。粗骨料為粒徑范圍5.0 mm～20.0 mm、20.0 mm～40.0 mm、40.0 mm～80.0 mm 的石灰石，各粒徑范圍石灰石質量比例為1∶1∶1.33。水可選用自 來水即可。試驗的混合比見表1。

表1 試驗中單位體積內混凝土混合比

1.2 試驗構件制作與試驗方法介紹

依據相關規范要求澆筑試驗構件，拌和完成后第一時間把拌和物倒在濕潤的鐵皮上[3]，攪拌均勻后把拌和物分成雙層依次填充進200 mm×200 mm×800 mm 棱柱與邊長為200 mm的立方體模具內，下部填筑完成后振搗20.0 s，接著填筑表層，接著振搗20.0 s 后成型。構件成型后第一時間放置在標準養護室內，4.0 h 后抹面，1 d 后去除模具后標識試驗組及標號。再次放置在標準養護養護3 個月。試驗構件規格與試驗組標號見表2。

表2 試驗構件規格與試驗組標號、用途

其中設定試驗條件為凍融循環與硫酸鹽侵蝕2 種影響的自由組合，硫酸鹽侵蝕選擇含量5.0%的硫酸鹽溶液來實現[4]。D0.0 是粉煤灰外摻比例0.0%時凍融循環構件，D20.0 是粉煤灰外摻比例20.0%時凍融循環構件，D40.0 是粉煤灰外摻比例40.0%時凍融循環構件。QD0.0 是粉煤灰外摻比例0.0%時硫酸鹽侵蝕的凍融循環構件，QD20.0 是粉煤灰外摻比例20.0%時硫酸鹽侵蝕的凍融循環構件，QD40.0 是粉煤灰外摻比例40.0%時硫酸鹽侵蝕的凍融循環構件。

為了保證凍融循環或凍融循環與硫酸鹽侵蝕的試驗效果，在養護85.0d 時，將各試驗構件依次浸泡在20.0℃左右的水箱與5.0%的硫酸鹽溶液箱內到3 個月取出[5～7]。對構件檢測質量、相對動彈性模量、波速后依次完成100.0 次、200.0 次、300.0次、400.0 次凍融循環、硫酸鹽侵蝕+凍融循環試驗。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失分析

凍融循環和硫酸鹽侵蝕+凍融循環時，凍融循環數量與構件質量呈負相關關系，與質量損失百分比呈正相關關系，具體變化曲線見圖1。在400.0 次凍融循環時，試驗構件D0.0、D20.0、D40.0 質量損失百分比依次是1.81%、3.08%、4.04%。試驗構件QD0.0 在400.0 次凍融循環時質損比例變成4.25%，QD20.0 在300.0 次凍融循環時質損比例變成3.34%，400.0 次時變成5.54%，大于5.0%，QD40.0 在200.0 次凍融循環時質損比例變成4.56%,300.0 次時變成5.89%。即可推斷濕篩購進質量損失與外摻粉煤灰比例呈正相關，尤其有硫酸鹽侵蝕的影響時，抗凍性下降明顯。在凍融循環數量一致下，凍融循環構件質損比例遠小于硫酸鹽侵蝕+凍融循環構件質損比例，同時凍融循環數量上升，硫酸鹽侵蝕+凍融循環構件質損比例增長幅度大。

圖1 混凝土構件質量損失百分比和凍融循環數量的關系曲線圖

2.2 相對動彈性模量分析

濕篩混凝土構件的相對動彈性模量與凍融循環數量呈負相關關系。在400.0 次凍融循環時，D0.0、D20.0、D40.0 試驗構件分別減小至83%、70.1%、59.8%。QD0.0 試驗構件400.0次凍融循環時78.3%，QD20.0 在300.0 次凍融循環時變為73.3%，400.0 次凍融循環時變成62.0%，QD40.0 構件在200.0次凍融循環時變成80.7%，300.0 次凍融循環時變成60.2%，400.0 次后變成40.6%?？梢缘贸?，凍融循環數量一致時，濕篩混凝土構件抗凍性能與粉煤灰外摻比例呈負相關關系。凍融前期，降幅較小，隨時間推移，下降幅度增長，并以指數態勢發展。

圖2 是水溶液與鹽溶液分別影響時混凝土構件進行凍融循環時相對彈性模量與凍融循環數量關系圖。分析圖2 曲線能夠得到，凍融循環數量一致時，水凍影響的混凝土構件相對動彈性模量遠高出鹽凍影響的混凝土構件的彈性模量，并且當凍融循環數量上升，水凍影響的混凝土降幅小于鹽凍降幅。進一步分析說明在硫酸鹽侵蝕的影響可加快混凝土破損。

圖2 混凝土構件凍融循環時相對彈性模量與凍融循環數量關系圖

分析水工混凝土相對動彈性模量粉煤灰外摻比例凍融循環數量間的方程式，可建立方程式為：

式中：En是凍融多次時相對動彈性模量；a1、a2是常數；n 是凍融循環數量；kc與粉煤灰外摻比例相關的變量，kc=a3c2+a4c+a5，c是粉煤灰外摻比例。

利用回歸分析計算出鹽凍情形時方程各標量值后得到En=0.9242。

2.3 抗壓強度分析

為了深度分析僅在凍融循環或硫酸鹽侵蝕或雙重影響時混凝土力學性能下降情況，計算濕篩混凝土構件的抗壓強度損失百分比見下式[8]：

式中：Sn代表濕篩混凝土強度損失百分比，%；Pn代表若干凍融循環時混凝土抗壓強度，MPa；P0代表未經凍融循環混凝土初始抗壓強度值，MPa。

試驗混凝土構件的抗壓強度損失百分比與凍融循環數量呈正相關關系。400.0 次凍融循環時，D0.0、D20.0、D40.0 3 個試驗構件分別減小至23.98%、31.27%、43.73%。QD0.0 試驗組構件400.0 次凍融循環時變成41.8%，QD20.0 試驗構件300.0 次凍融循環時變成42.45%，400.0 次時變成52.75%。QD40.0 試驗組構件200.0 次凍融循環下降幅度為47.7%，300.0 次凍融循環時為60.55%，400.0 次時變成68.05%。站在混凝土承載能力的角度來看再次驗證了在凍融循環數量一致的情形時，抗壓強度損失百分比和粉煤灰外摻比例呈負相關，即抗凍性能下降，在凍融破損后期，混凝土承載力降幅最大。

圖3 是水溶液與鹽溶液共同影響時混凝土構件凍融循環數量與構件抗壓強度損失百分比之間的關系圖。分析圖3 曲線變化能夠得到：在凍融循環數量相同時，水凍情形時混凝土構件的抗壓強度損失百分比遠小于鹽凍情形時混凝土構件抗壓強度損失百分比，且在凍融循環數量上升時，鹽凍影響的混凝土抗壓強度損失百分比以指數趨勢增長，外摻粉煤灰混凝土破損傷害十分顯著。

圖3 混凝土構件凍融循環數量與構件抗壓強度損失百分比之間的關系圖

分析水工混凝土抗壓強度和粉煤灰外摻比例，凍融循環數量3 者間方程式，可先建立方程式，利用試驗數值回歸分析計算出標量值，得出Pn=0.9619。

2.4 抗壓強度損失百分比和相對動彈性模量關系分析

混凝土抗壓強度表征混凝土承載性能，可反映混凝土抗凍性能[9]。相對動彈性模量是一類無損測量方法，可作為反映混凝土抗凍性能的指標。選擇外摻粉煤灰混凝土的相對動彈性模量來表征凍融循環后混凝土抗壓強度的損失百分比具有很好的效果。

表3 外摻粉煤灰混凝土經凍融循環后相對動彈性模量和抗壓強度損失百分比

在粉煤灰外摻比例為20.0%和40.0%的濕篩混凝土受到凍融循環時，相對動彈性模量和抗壓強度損失百分比具備較強的相關性。綜合公式1 與2 并解析各試驗數據，可推斷外摻粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重影響時，相對動彈性模量、抗壓強度和凍融循環數量全部大致為指數相關，而兩者則為線性相關。所以設立相對動彈性模量和抗壓強度損失百分比的方程式如下：

利用回歸分析計算硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重影響下混凝土抗壓強度損失百分比和相對動彈性模量、粉煤灰外摻比例3者的方程式，得sn=0.9950。

粉煤灰外摻比例為20.0%的濕篩混凝土在300.0 次凍融時，相對動彈性模量只是68.2%，而抗壓強度損失百分比以高達54.73%，在粉煤灰外摻比例為40.0%的濕篩混凝土在200.0次凍融時，相對動彈性模量只是79.74%，而抗壓強度損失百分比已高達42.83%，即可知凍融循環外摻粉煤灰混凝土相對動彈性模量減小程度低于抗壓強度損失百分比的降幅，構件經過凍融循環后破損與否由其抗壓強度決定。當相對動彈性模量值在60.0%以下時，顯然不適用在外摻粉煤灰的混凝土，當抗壓強度損失百分比超過50.0%時，反映出混凝土力學性能基本喪失，此時視試件已無承載能力，按照公式3 可求得其相對動彈性模量小于75.0%.

3 結論

本文為了探究硫酸鹽侵蝕+凍融循環雙重影響下粉煤灰外摻比例對混凝土性能的改變，設計硫酸鹽侵蝕+凍融循環、凍融循環兩種試驗條件，設定0.0%、20.0%、40.0%的粉煤灰外摻比例形成對比試驗。選取試驗構件質量損失、相對動彈性模量、抗壓強度、抗壓強度損失百分比等各指標表征混凝土性能變化。得出以下結論：

1）凍融循環數量一致條件下，粉煤灰外摻比例上升凍融循環的濕篩混凝土構件質量損失、相對動彈性模量、抗壓強度遠小于硫酸鹽侵蝕+凍融循環下的試驗構件，即硫酸鹽侵蝕加速混凝土凍融破壞作用。

2）外摻粉煤灰混凝土在硫酸鹽侵蝕+凍融循環雙重影響下，相對動彈性模量、抗壓強度和凍融數量為指函數趨勢，兩者為線性相關。

3）外摻粉煤灰混凝土相對動彈性模量降幅小于抗壓強度。并利用函數式重新增加粉煤灰混凝土凍融評價準則：抗壓強度損失百分比大于50.0%，且相對動彈性模量小于75.0%。