试件水灰比和胶砂比对混凝土硫酸盐侵蚀速度影响(1)

文章编号:1672-7843(2007)02-0092-05试件水灰比和胶砂比对混凝土硫酸盐侵蚀速度影响方祥位,申春妮,张　伟(后勤工程学院军事建筑工程系,重庆400041)摘　要　通过大量试验,采用强度指标研究了试件水灰比和胶砂比对硫酸盐侵蚀速度的影响。

结果表明:试件的水灰比越大,胶砂比越小,侵蚀速度越快;为了加快硫酸盐侵蚀速度,宜采用大水灰比、小胶砂比的试件。

在各种条件下,硫酸钠侵蚀破坏的速度比硫酸镁侵蚀快。

对硫酸钠型侵蚀,采用抗折抗蚀系数作为判定指标较为合理,而对硫酸镁型侵蚀,应该综合考虑抗折抗蚀系数和抗压抗蚀系数。

关键词　混凝土;硫酸盐侵蚀;水灰比;胶砂比;影响机理中图分类号:X703文献标识码:B硫酸盐侵蚀是混凝土耐久性研究的重要内容,同时也是影响因素最复杂、危害性最大的环境水侵蚀之一。

土壤、地下水、海水、腐烂的有机物以及工业废水中都含有硫酸根离子,它们渗入混凝土内部与水泥水化产物发生反应,产生膨胀、开裂、剥落等现象,使混凝土的强度和粘性丧失。

近年来,在水利、公路、海港以及机场等工程中都发现硫酸盐侵蚀的问题。

严重的甚至导致混凝土建筑物结构的破坏,使建筑物在没有达到预期的设计使用寿命就发生破坏,造成人力和财力的极大浪费。

从20世纪开始,水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀快速评估方法的研究就得到重视,研究者提出了一系列的水泥抗硫酸盐侵蚀快速评估方法,如美国的AST M C452—95,AST M C1012—95a 方法以及我国提出的G B /T 2420—1981方法等。

但是,这些方法还存在一些问题,很多科学家对AST M C452—95和AST M C1012—95a 方法提出异议,认为此方法不能充分预测现场的实际情况,主要集中在试件的尺寸、养护、浸泡方式、试验持续的时间以及试验通过对膨胀的测量来评价水泥的抗硫酸盐性上。

我国的试验方法也存在着一定的问题,如试件尺寸太小、仪器设备陈旧难以满足正常检验等[1～5]。

到目前为止,还没有提出一个科学有效的水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀快速评估试验方法。

然而,在实际工程中,特别是处于硫酸盐侵蚀的工程中,能否在较短的时间内判断出混凝土是否具有抗硫酸盐侵蚀性能尤为重要。

混凝土硫酸盐侵蚀破坏的速度和诸多因素有关,包括试件的水灰比、胶砂比、预养方式、试件的形状(特别是表面积与体积之比,称为比表面积)、侵蚀溶液种类、浓度和温度、与试件体积有关的溶液的体积以及溶液更新的频率等。

当设计一个合适的试验方法时,这些因素都应该被考虑到[6]。

本文研究试件水灰比、胶砂比对硫酸盐侵蚀试验速度的影响,试件尺寸、预养方式、溶液浓度及温度等对硫酸盐侵蚀试验速度的影响将另文讨论,为提出一个具有可操作性的水泥混凝土硫酸盐侵蚀快速评估试验方法提供参考。

收稿日期:2006-09-14作者简介:方祥位(1975-),男,重庆市铜梁县人,博士生,主要从事岩土工程和建筑材料研究。

1　试验原材料与方法1.1　试验原材料(1)水泥:试验采用自磨的纯硅酸盐水泥,水泥熟料的C 3A 含量为12%,因为C 3A 含量如果小于5%水泥具有抗硫酸盐性,在较短时间内侵蚀现象不明显。

水泥化学成分见表1。

表1　水泥的化学成分 %Si O 2Fe 2O 3A l 2O 3Ti O 2CaO Mg O Na 2O K 2O S O 3烧失量合计19.19 4.62 5.730.4661.07 1.110.110.61 2.67 2.0197.58 (2)砂:试验所采用的砂为厦门生产的水泥强度试验用标准砂。

(3)拌和用水:自来水。

1.2　试验方法混凝土硫酸盐侵蚀破坏判定指标的选择是一直在探讨但尚未取得共识的重要问题。

现在比较普遍采用的指标有:表观物理性能、试件的长度变化、重量损失、抗折强度等。

如果试件的表面被腐蚀后,就很难再用表观物理性能来确定它的抗硫酸盐性能,且在不同的试验中,试件的外观有很大的主观性,很难完全一致。

通过对膨胀的测量来评价水泥的抗硫酸盐性也有很大的不足之处,以AST M C452—95为例,对于A 型水泥在浸泡后用此方法测量,短时间内,由于水化硫铝酸钙和石膏的形成而引起的膨胀量很小,如果用此方法,则认为水泥具有抗硫酸盐性。

但是,随着时间的延长,如几年后膨胀发生了,此时是由于Ca (OH )2的消耗而使C -S -H 发生分解,生成石膏。

膨胀是由石膏的结晶产生的,这一点在实际中也得到证明,而采用膨胀的方法在短期内就没有预测到这一点[7]。

测定试件重量损失也存在不足之处。

混凝土硫酸盐侵蚀的实质是水泥的部分水化产物和硫酸盐反应,生成高硫型水化硫铝酸钙和石膏使试件的重量增加。

在侵蚀初期,侵蚀的结果并没有使试件的重量减小,反而使试件的重量增加。

因此,采用重量损失作为判定标准达不到快速评定的目的。

另外,重量的损失和试件的孔隙状态有关,不同的试验可能得到不同的结果。

测定试件强度的变化是比较好的标准,此方法物理意义明确,方法简单且与工程中常用的指标相吻合。

因此,本文主要以胶砂试件的抗折抗蚀系数K 和抗压抗蚀系数R 作为评定的标准,即K =f S /f w ,R =C S /C w 。

式中,f S ,C S 为在侵蚀溶液中浸泡到规定龄期的胶砂试件的抗折强度和抗压强度,f w ,C w 为同龄期淡水中试件的抗折强度和抗压强度[8]。

本文选取了两种具有代表性的硫酸盐溶液,分别是硫酸钠和硫酸镁,研究试件浸泡在这两种溶液中的侵蚀破坏速度。

1.3　试件的制备与养护每一系列砂浆试件包含若干组,试件的制备过程参照G B /T 17671—1999(水泥胶砂强度检验方法)。

试件经过一定方式养护后,取一组测定基准强度,其余组分别放入硫酸钠溶液、硫酸镁溶液以及水中。

通过滴定硫酸使溶液的pH 值保持在7～8,且使硫酸钠及硫酸镁溶液的浓度分别保持其设定值。

随时观察试件表面变化情况,所有溶液每隔28d 更换一次。

在规定龄期从硫酸钠、硫酸镁以及水中各取出一组测其强度值。

2　试验结果与分析2.1　水灰比对硫酸盐侵蚀试验速度的影响试件胶砂比均为1∶3.5,试件尺寸为20mm ×40mm ×160mm ,硫酸钠和硫酸镁溶液的质量分数分别为15%和13%,水灰比分别为0.50,0.55及0.60。

2.1.1　水灰比对硫酸钠侵蚀试验速度的影响图1和图2分别是不同水灰比的试件在硫酸钠溶液中的抗折抗蚀系数和抗压抗蚀系数的经时变化。

从图1可以看出,水灰比为0.5和0.55的试件抗折抗蚀系数的变化趋势基本相似,当水灰比增加到0.6时,抗折抗蚀系数的衰减时间提前。

在试验初期,水灰比为0.5和0.55的试件的强度还处于上升阶段,而水灰比为0.6的试件的强度已有明显的下降趋势,其抗蚀系数在28d 后已衰减到0.65。

这说明水灰比越大,抗蚀系数的衰减也越快。

但是,随着试验的进行,在84d 以后,水灰比对硫酸钠侵蚀试验速度的影响不明显,其变化趋势几乎相同。

从图2可以看出,在试验初期,当浸泡龄期相同时,水灰比越大,抗压抗蚀系数的值越小,这说明其39第2期 方祥位等　试件水灰比和胶砂比对混凝土硫酸盐侵蚀速度影响抵抗侵蚀的能力越差,破坏越快。

但随着试验的进行,3种水灰比下试件抗压抗蚀系数的变化趋势基本相似,增大水灰比并没有使试件抗压抗蚀系数的衰减加剧。

对比图1和图2相同水灰比下试件的抗折和抗压抗蚀系数表明,对硫酸钠侵蚀,抗折抗蚀系数的衰减比抗压抗蚀系数快。

图1　水灰比不同的试件在硫酸钠溶液中抗折抗蚀系数的经时变化图2　水灰比不同的试件在硫酸钠溶液中抗压抗蚀系数的经时变化2.1.2水灰比对硫酸镁侵蚀试验速度的影响图3和图4分别是不同水灰比的试件在硫酸镁溶液中的抗折抗蚀系数和抗压抗蚀系数的经时变化。

从图中可以看出,3种水灰比下试件抗折和抗压抗蚀系数总的变化趋势基本相似。

但是,当浸泡龄期相同时,水灰比越大,抗折和抗压抗蚀系数的衰减越快。

图3　水灰比不同的试件在硫酸镁溶液中抗折抗蚀系数的经时变化图4　水灰比不同的试件在硫酸镁溶液中抗压抗蚀系数的经时变化对比相同水灰比下试件的抗折和抗压抗蚀系数表明,对硫酸镁侵蚀,抗压抗蚀系数的衰减比抗折抗蚀系数明显。

2.2　胶砂比对硫酸盐侵蚀试验速度的影响试件水灰比均为0.55,试件尺寸为20mm ×40mm ×160mm ,硫酸钠和硫酸镁溶液的质量分数分别为15%和13%,胶砂比分别为1∶3,1∶3.5及1∶4。

2.2.1胶砂比对硫酸钠侵蚀试验速度的影响图5和图6分别是不同胶砂比的试件在硫酸钠溶液中的抗折抗蚀系数和抗压抗蚀系数的经时变化。

从图中可以看出,3种胶砂比下抗折和抗压抗蚀系数总的变化趋势基本相似。

在试验初期,抗蚀系图5　胶砂比不同的试件在硫酸钠溶液中抗折抗蚀系数的经时变化图6　胶砂比不同的试件在硫酸钠溶液中抗压抗蚀系数的经时变化49后　勤　工　程　学　院　学　报 第23卷数都有所上升,不过抗折抗蚀系数的上升幅度大;28d 后开始衰减,当浸泡龄期相同时,胶砂比越小,试件抗蚀系数的衰减越大。

因此,对于硫酸钠侵蚀,试件的胶砂比越小,侵蚀破坏的速度越快。

对比相同胶砂比下试件的抗折和抗压抗蚀系数表明,对硫酸钠侵蚀,抗折抗蚀系数的衰减比抗压抗蚀系数明显。

2.2.2　胶砂比对硫酸镁侵蚀试验速度的影响图7和图8分别是不同胶砂比的试件在硫酸镁溶液中的抗折抗蚀系数和抗压抗蚀系数的经时变化。

图7　胶砂比不同的试件在硫酸镁溶液中抗折抗蚀系数的经时变化图8　胶砂比不同的试件在硫酸镁溶液中抗压抗蚀系数的经时变化从图7可以看出,3种胶砂比下试件抗折抗蚀系数总的变化趋势基本相似。

在试验初期,抗折抗蚀系数没有下降,反而上升,当达到一定值后,抗蚀系数开始缓慢下降。

但是,胶砂比不同,抗折抗蚀系数的衰减不同,胶砂比越小,试件抗折抗蚀系数的衰减越大。

从图8可以看出,浸泡28d 时,胶砂比为1∶3和1∶3.5的试件抗压抗蚀系数还处于上升阶段,而1∶4的试件抗蚀系数已有微弱的下降趋势。

随着试验的进行,3种胶砂比的试件抗压抗蚀系数都开始衰减,胶砂比越小,衰减越大,侵蚀破坏的速度越快。

对比相同胶砂比下试件的抗折和抗压抗蚀系数表明,对硫酸镁侵蚀,抗压抗蚀系数的衰减比抗折抗蚀系数大。

2.3　影响机理分析2.3.1　水灰比和胶砂比的影响硫酸盐侵蚀破坏的实质是硫酸盐从外部环境中通过毛细孔和裂缝扩散或渗透并进入混凝土内部并发生反应,当有足够量的硫酸盐进入时,会出现显著的侵蚀征兆,如强度降低,体积膨胀等。

积累到一定程度之后,体积膨胀加速,当局部破坏达到严重程度时,就会出现裂缝。

混凝土的毛细孔和可能存在于混凝土中的裂缝或微裂缝对侵蚀的速率有较大的影响。

水灰比越大,胶砂比越小,水泥石的毛细孔率越大,硫酸盐进入混凝土内部发生反应的机率越大,裂缝和微裂缝的数量也就越多,外部离子的扩散速度和内部盐类的析出速度都将加快,硫酸盐侵蚀破坏的速度将加快。