非饱和混凝土硫酸钠表面侵蚀试验方法及特点

董党锋

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

非饱和混凝土是水工混凝土工程中的一种常见工作状态，具体是指结构内部致密程度很高的混凝土在路面、桥梁结构的浪溅区使用时，无法使试件内部处于饱和状态。这种工作状态在水工混凝土中所占比例很大。与饱和混凝土不同，在低温作用下，此类混凝土仅在表面发生了冰冻破坏。因此，我们有必要提出一种专门的试验方法评价非饱和混凝土结构的抗冻性能，从而为获得一种成本低、速度快的抗冻性能评价方法提供了条件。

1 现行抗冻方法存在的不足

国内试验方法中慢冻法借鉴参考东欧以及苏联的方法，在长期的实践过程中发现由于慢冻法采用的是抗压强度作为评定指标，按规范要求成型较多的试件，导致工作量加大;试验过程基本是人工操作，试验误差较大，失重率作为评定指标，但经常出现随冻融循环次数的增加试件重量却增大的情况［1］;一次循环至少8 h，试验周期较长。虽然快冻法在一定程度上克服了慢冻法在以上三方面的不足，但快冻法存在两个难以解决的问题:首先是未解决试件养生条件的差异所带来的影响，对于密实程度高、抗渗性能好的现场试件，内部处于干燥状态，不受冰冻影响，表现为强度损失仅在表面发生，与标养的保水试件在动弹模的衰减方面存在较大差异［2］;其次是对于非饱和混凝土，在冰冻过程中由于表面不断破坏，水分逐渐渗入，导致试件的重量损失被渗入的水分所弥补，表现并不明显，结果导致试验结果的再现率降低，影响评价的可靠性和合理性。

2 硫酸钠表面侵蚀试验

2．1 试验方法的基本构思

混凝土的饱水程度对其抗冻融破坏有很大的影响。混凝土饱和度低于某个临界值，混凝土就具有较高的抗冻融循环能力，而干燥的混凝土则不受冻融循环的影响。也就是说若混凝土从未被湿饱和过，也就没有冻融循环损坏的危险。即使是经湿养护的混凝土试件，其内部孔隙也不可能完全由水所充满［3］。大多数的应用中混凝土处于部分干燥状态，在受潮时这种混凝土吸收的水分一般比其已失去的水分少。非饱和混凝土的内部是处于相对干燥状态的，因此其破坏是从表面向内逐层破坏的，而不是像饱和混凝土，冰冻破坏在表面和内部同时发生(表面冻融次数可能会多些，破坏会相对快些)，在设计试验方法时，尝试找到一种方法，能够模拟产生类似冰冻的破坏，但仅在表面发生，发生的范围局限于水的渗入范围，在研究了各种无机物的结晶后，认为利用硫酸钠进行试验可以较好的达到试验目的［4］。使用硫酸钠试验具有以下特点:1)可以加速破坏。硫酸钠的结晶破坏，可以在混凝土内部产生很大的膨胀压力，可以近似模拟冰冻的状态，但膨胀应力要大于冰冻应力，可以加速破坏的过程。2)发生的范围局限于表面。确切说是在非承压情况下水能够渗入的部分，与天然的冰冻破坏过程和范围非常相近。3)硫酸钠结晶温度低。带来的好处是在烘干过程中，不会因高温影响混凝土的性能，可以使试验结果更加客观。

2．2 仪具与材料

1)烘箱:能使温度控制在105℃ ±5℃;2)米格尺:以cm为单位，透明有机玻璃尺，评价表面破坏情况;3)容器:搪瓷盆或不锈钢盆，容积不小于试件尺寸;4)试剂:无水硫酸钠和10水结晶硫酸钠(工业用);5)钢丝刷。

2．3 准备工作

1)硫酸钠溶液的配制:取一定数量的蒸馏水，加温至30℃～50℃，每1 000 mL蒸馏水加入无水硫酸钠(Na2SO4)300 g～350 g或10水硫酸钠(Na2SO4·10H2O)，用玻璃棒搅拌，使其溶解并饱和，然后冷却至20℃～25℃;在此温度下静置48 h，其相对密度应保持在 1．151 ～1．174(波美度为 18．9 ～21．4)范围内。试验时容器底部应无结晶存在。

2)试件的制备:按照《公路工程水泥混凝土试验规程》的规定制备标准混凝土试件，如需要同时测定动弹模，试件尺寸应为40 cm×10 cm×10 cm，并标养28 d。每组应制备不少于3个试件。

2．4 试验步骤

1)用钢丝刷将试件表面脱模剂、油污等刷净后，将试件放入70℃ ±5℃烘箱中烘干至恒重(一般12 h)，将试件取出并冷却至室温。2)将试件放入盛有硫酸钠溶液的容器中，溶液体积不小于试件体积的2倍，温度应保持在20℃ ～25℃，试件底部距容器底部应不小于30 mm，试件顶部距离液面应不小于30 mm。3)浸泡12 h后，从溶液中提出试件，放在70℃ ±5℃烘箱中烘烤12 h，取出后，将试件冷却至20℃ ～25℃，用钢丝刷刷去表面已脱落的混凝土(如有)。4)用米格尺测量试件的上表面(也可为其他表面，整个试验过程中应不变)，评价试件表面损坏情况，测定表面脱落百分率，完成一个循环的试验。5)反复2)～4)的过程，直至混凝土表面破坏达到50%，完成一组试件的试验。6)取每组3个试件的破坏次数的中值作为该组试件的破坏值。7)确定试验参数。为找到合适的试验方法，确定试验参数，在试验过程中进行了不同浸泡时间、不同烘干时间、不同配合比、不同烘干温度的试验，通过反复调整，最终确定了试验参数如下:烘干温度:70℃ ±5℃。烘干时间:12 h。浸泡时间:12 h。破坏状态:表面50%发生破坏。

3 试验结果整理及其分析

在调整稳定试验方法后，进行了11组配合比的完整试验，并对1组现场切割取回的老混凝土试件进行了试验。试验中，选取了 0．6，0．55，0．5，0．45，0．4，0．35，0．3 共 7 个水灰比进行试验。其中不掺减水剂的有 4 组，水灰比分别为 0．6，0．55，0．5，0．45;掺木钙类普通减水剂的有 3 组，水灰比分别为 0．45，0．4，0．35;掺萘系高效减水剂的有3组，水灰比分别为0．4，0．35，0．3。通过对掺加不同外加剂的配合比，用相同的水灰比进行试验，研究外加剂对混凝土抗冻性能的影响。试验过程中，为了了解混凝土的整体性能变化情况，同时进行了动弹模试验，并测定了试验前后试件质量的变化情况。作为对比，还进行了现有老混凝土、机制混凝土砖和花岗岩的对比试验，对试验方法进行验证。详细试验结果见表1。表1中，掺加萘系高效减水剂，水灰比为0．3的试件，在进行43次循环后，表面仅有15%的破坏，因此终止试验。

表1 混凝土硫酸钠表面侵蚀试验结果汇总表

试验结果表明，混凝土的表面破坏与动弹模的变化之间不存在明显的相关关系，因此，用动弹模来评定非饱和混凝土的抗冻性能是不合适的，会导致混凝土的性能远远高于实际抗冻性能。重量损失同样与混凝土的表面破坏不存在相关关系，破坏迅速的红砖甚至发生了烘干后重量大幅度上升的现象。

4 硫酸钠表面侵蚀试验方法的特点

在对大量的试验结果整理分析的基础上，提出了非饱和混凝土抗冻性能快速检测的试验方法。该试验方法的特点如下:提出的抗冻试验方法，是在现行的集料、岩石和混凝土试验规程中的成熟方法的基础上，经过整理、分析提出的，并对试验参数进行了认真的验证，试验结果显示了良好的规律性，这些方法都反映出试验方法是稳定可靠的，在妥善利用的情况下，可以很好的指导工程试件。方法确定试验温度为70℃，是综合考虑了试验时间、试验精度等的结果。这个温度可以使硫酸钠充分结晶，又避免了对混凝土强度的损坏，表1中动弹模的变化规律就是很好的证明。更低的温度将使试验时间大幅度延长，影响试验效率。试验数据分析表明，可用20次～25次循环表面损坏不超过50%评价非饱和混凝土试件的抗冻能力是否满足要求。

5 结语

硫酸钠表面侵蚀试验是检验混凝土表面抗冻能力的有效方法，克服了快冻法在试验中的一些不足，适用于非饱和混凝土的抗冻性能试验。建议开展硫酸钠表面侵蚀法用于评价饱和混凝土抗冻性的尝试，解决现场试件与标养试件检验结果差距大的问题。

［1］方 璟，武世翔．混凝土在试验室条件下冻融破坏的特点［J］．混凝土与水泥制品，2003(4):89-92．

［2］姜双伦，姬立德，吴会强．混凝土的冻融破坏与外加剂［J］．混凝土，2001(2):22-25．

［3］李金玉，曹建国，徐文雨，等．混凝土冻融破坏机理的研究［J］．水利学报，1999(1):77．

［4］杨绍明，周双喜．混凝土抗冻性试验方法及其评价参数的探讨［J］．混凝土，2008(4):118-119．