摘要:本试验研究了应力作用下混凝土的硫酸盐腐蚀特性，采用在线测定方法对不同水灰比的混凝土试件进行了与干湿循环有关的单一破坏因素（Single damage factor, SDF）和多重破坏因素（Multiple damage factor, MDF）作用下的耐久性试验研究；探索了荷载、干湿循环和硫酸盐侵蚀等破坏因素的单独作用及其复合作用对混凝土耐久性的影响规律；以动弹性模量为评价指标对多因素协同作用下的不同水灰比混凝土试件的抗硫酸盐侵蚀性能进行了表征，通过测试硫酸盐侵蚀条件下混凝土动弹性模量的变化规律，得到更为实用的混凝土抗硫酸盐性能的评价方法；同时采用XRD对硫酸盐侵蚀产物进行了表征，以对荷载、硫酸盐共同作用下的混凝土腐蚀特性进行了微观分析。
关键词:硫酸盐腐蚀、荷载作用、干湿循环、相对动弹性模量、在线测量
0 引言
硫酸盐侵蚀是混凝土老化病害的主要问题之一，对于混凝土的硫酸盐腐蚀，人们关注的常常是在实验室按照现有标准测得的抗压强度、抗折强度和硫酸盐浸泡时间等单一破坏因素(Single damage factor，SDF)作用下的耐久性指标。然而，在实际工程中，结构混凝土的耐久性问题是一个干湿循环、荷载作用等多种破坏因素交互作用的复杂问题。如何考虑实际工程中复杂的双重破坏因素(Double damage factors, DDF)或多重破坏因素(Multiple damage factors, MDF) 的特点，使实验室得到的结果客观地反映结构工程中混凝土的耐久性或者使用寿命，是当前混凝土科学研究中的一个重要课题[1-3]。
本文针对不同水灰比、不同胶凝材料的试件，浸渍于10%的Na2SO4溶液中，在抗弯荷载与非荷载作用下，分别测量其抗折强度；并根据干湿循环次数和相对动弹性模量的变化，制定相应的）失效标准（当相对动弹性模量＜60%时，认为该试件失效），结合混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的物象变化和外观损伤情况，综合评价混凝土抗硫酸盐腐蚀效果。
1 试验方案
1.1 加载系统设计
加载装置如图1所示，其特点如下：
（1) 加载装置可以适应不同大小的试件，便于对混凝土的不同性能进行加载试验。
（2) 一个装置能够同时对1～5组试件进行加载，每一组可由3～6个试件组成。
（3) 加载装置的关键部分(受力部分)不用浸泡在腐蚀介质中，不会使装置生锈或腐蚀。浸泡在腐蚀介质中的仅仅是受力支点而已，而受力支点可以采用不锈钢或者事先进行防锈处理。
1.2 试验方法
本文研究中的混凝土配合比可见表1：
按表1的配合比拌合混凝土，成型100mm×100mm×400mm试件，标养28天后进行有关试验。
荷载作用下的在线测定
本研究采用在线测定方法评价混凝土试件在侵蚀环境中的耐久性能，根据动弹性模量的变化来表征试件在侵蚀溶液中的稳定性，优点是试验时无需破损试件，同组试件可在侵蚀过程中连续测定，试验数据系统性好，离散性小，可用少量试件进行多方面的研究，适合在试验室开展混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究；与现行的标准试验方法相比（见表2）在线测定方法能更为客观反映实际结构在硫酸盐环境中的劣化过程，因此工程意义明显。
表2 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法比较[4,5]
混凝土试件经标养28天后，安放在加载架上，每3个试件一组，一个箱子中2组试件，如图1所示。加载的荷载水平均为30%极限荷载，通过弹簧加载。加载后在箱中加入质量百分比为10%的Na2SO4溶液，进行干湿循环试验。试件在硫酸钠溶液中浸泡8小时，抽排8小时，烘干8小时（烘干温度65℃），一个循环24小时，烘干后测定试件的动弹性模量。试件的相对动弹性模量低于60%时，才将试件卸下；这种试验状况，通常称为在线测定，能比较准确地反映客观实际。
2 试验结果与分析
2.1 加载与非加载对比试验
利用在线测试方法对不同的试件进行实验研究，如表3所示。表中编号为1，2，3，4，5的试件（W/C=0.3）及编号为6，11的试件（W/C分别为0.4，0.5）进行加载与非加载的浸泡及干湿循环试验，并进行同步检测。
表3 加载与非加载干湿循环同步检测结果对照表
不同胶凝材料组成的试件（w/c=0.3），在荷载作用下，达到断裂时的干湿循环次数及动弹性模量测试结果可见表4。
由表3，4可以看出：非受载干湿循环试件，达到与受载试件相同的干湿循环次数时，相对动弹性模量不变，为100%；山铝水泥的抗硫酸盐侵蚀效果最好，断裂时的干湿循环次数最高；在荷载相同，经过不同次数干湿循环之后，相对动弹性模量降低，是由于试件受拉区出现了微裂缝，加速了溶液中SO42-向试件内部的扩散渗透，加速了钙矾石的结晶膨胀，使混凝土中出现了更多的微裂缝，相对动弹性模量降低。
对于相同品种水泥（OPC42.5），不同W/C的混凝土试件，在荷载作用下，达到断裂时的干湿循环次数及动弹性模量测试结果可见表5。表5中的数据表明，随W/C的增大，荷载作用下混凝土干湿循环次数降低。这是由于混凝土强度、内部孔隙均随W/C变化而变化。随W/C增大，混凝土强度降低，孔隙增多，抗渗性下降，抗SO42-腐蚀性能下降。
2.2 加载试件的测试结果
将在10% Na2SO4溶液中浸泡的受载试件进行干湿循环试验（测试结果见表6），试验编号为1，2，6及11，除了2号试件使用山铝水泥外，其他编号的试件均采用OPC42.5。
表6 在10% Na2SO4溶液中浸渍受载试件的动弹性模量、抗折强度测试结果
由表6可知：试件编号为1，6，11的混凝土试件，均用OPC 42.5，水灰比分别为0.3，0.4，0.5；干湿循环次数随着水灰比的增大而降低；抗折强度也随水灰比的增大而降低；试件的质量损失几乎为零。编号为2的混凝土试件，初始动弹性模量比较高；28天的抗折强度高，经过150次干湿循环后的相对抗折强度比相同水灰比的试件（W/C=0.3，OPC42.5）经过145次干湿循环后的相对抗折强度较高，前者为113.5%，后者为112.7%。经干湿循环的试件，浸泡后试件的抗折强度均高于初始抗折强度。
由此可见，在检测的指标中，抗折强度随着干湿循环而提高；试件的质量损失都很小，
只有动弹性模量随着干湿循环次数的增多而降低。因此，可用动弹性评估试件受载干湿循环的性能，而且可以在线测定，以便客观地比较不同试件抗硫酸盐腐蚀的性能。
2.3 混凝土试件抗硫酸盐腐蚀特性研究
为了研究胶凝材料抗硫酸盐腐蚀特性，特别对混凝土试件的组成进行了设计，可见表7：
表7 混凝土试件抗硫酸盐腐蚀的材料组成设计
只有动弹性模量随着干湿循环次数的增多而降低。因此，可用动弹性评估试件受载干湿循环的性能，而且可以在线测定，以便客观地比较不同试件抗硫酸盐腐蚀的性能。
上述试件经水和硫酸盐溶液分别浸渍3个月、6个月龄期的抗压与抗折强度试验结果如表8和图2所示：
表8试件分别经水、硫酸盐溶液浸渍3个月、6个月龄期的抗压与抗折强度试验结果
从图2中的实验结果可知：W/C=0.3的混凝土试件，除了OPC+MK+FA试件外，OPC42.5、山铝32.5、OPC+MK+SG、OPC+SG的试件，在硫酸盐溶液中浸渍6个月的试件，抗折强度度均高于水中试件及在硫酸盐溶液中浸渍3个月试件的强度；W/C=0.4的试件，除了OPC+SG的试件以处，其他各组试件的抗折强度均系浸泡于硫酸钠溶液中3个月龄期的最高；W/C=0.5的试件均系各组试件浸泡于硫酸钠溶液中3个月龄期的最高。浸泡至6个月龄期时，强度下降。其原因可能是低水灰比（W/C=0.3）的试件密实度高，SO42-向内部的扩散渗透慢，浸泡时间长，SO42-向内部渗透量增大，生成新水化物使密实度提高，抗折强度提高。而高水灰比（W/C=0.5）的混凝土SO42-容易浸入试件内部，3个月浸泡后，密实度明显搞高，故强度提高。
3 结论
通过上述的研究，可以得出如下结论：
（1）采用弹簧加载装置，加载比较准确、稳定可靠，能够适应比较大的加载范围；同时可以采用传感器对所加的实际荷载进行校核。
（2）采用在线测定方法可在侵蚀过程中连续测定，试验数据系统性好，离散性小，可用少量试件进行多方面的研究，能客观地反映实际结构在硫酸盐环境中的劣化过程。另外，根据动弹性模量的变化来表征试件在侵蚀溶液中的稳定性，无需破损试件。
（3）荷载作用下，经过不同次数干湿循环之后，相对动弹性模量均降低；非受载干湿循环试件达到与受载试件相同的干湿循环次数时，相对动弹性模量不变，为100%。另外，随W/C的增大，荷载作用下混凝土干湿循环次数降低。
（4）经干湿循环的试件，浸泡后试件的抗折强度均高于初始抗折强度。
参考文献
1. Menashi D. Cohen and Mather. Sulfate Attack on Concrete-Research Need. ACI Materials Journal, 1991:62-69
2. 余红发, 慕儒, 孙伟等.弯曲荷载、化学腐蚀和碳化作用及其复合对混凝土抗冻性的影响[J] .硅酸盐学报,2005,33(4) :492 —499
3. 王爱勤, 曹建国, 李金玉,等. 高浓度和荷载条件下混凝土硫酸盐侵蚀特性及抗侵蚀技术[ A ]. 水泥基复合材料科学与技术[ C]. 北京: 中国建材工业出版社,1999. 179 —183
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5. The American Society for Test and Materials. ASTM C1012-2006 Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution[S]. Annual Book of ASTM Standards, 2006
