硫酸鹽侵蝕和凍融循環對碾壓混凝土層面抗剪強度的影響

王 斌，代 帆，宋曉波

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430064)

1 概 述

隨著我國對水資源的充分循環利用，我國沿海地區修筑大量水電站[1]。但面臨著水內含有大量鹽分且在冬季嚴寒夏季炎熱或晝夜溫差較大時，凍融循環作用明顯雙重難題[2]。為了提升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下碾壓混凝土層面抗剪強度變化，以便在工程建設初期采取有效措施。

本文主要探討碾壓混凝土受到硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重作用時層面抗剪強度變化規律。首先介紹試驗用材與混合比設置、構件制作、試驗方法。設置3種水膠比例0.40、0.50、0.60，并設置去離子水環境與6.0%Na2SO4溶液環境，進行凍融循環試驗，選取質量損失百分比與抗剪強度損失比進行比較分析，以指導工程實踐，提升大壩水庫等修筑質量。

2 設置試驗

2.1 試驗材料介紹與混合比

在設置試驗混合比時選擇贛州當地某拱壩碾壓混凝土混合比[4]，同時結合相關規范與施工現場測得的流動性小幅調節。詳細的碾壓混凝土混合比設置情況見表1。

水泥材料選擇南昌市某水泥廠提供的中熱硅酸鹽水泥，強度等級P.O52.5。水泥所含化學成分及占比見表2[5]。摻和料選擇天然火山灰。以細度模數2.72的石英砂作為細骨料，以粒徑最大值為78 mm的天然卵石作為粗骨料。SBTJM - II 型高效減水劑(標準型)與 AIR202 型引氣劑作為外加劑，其外摻比例依次是1.0%、0.08%，全部由某單位提供。

表2 水泥化學構成及各自占比

2.2 樣品構件制作

按照相關規范中抗剪強度試驗規程制作含層面的構件，大小為邊長160 mm的立方體，共設置2組，并標號1與2。構件分成上下層澆筑，在下層碾壓混凝土澆筑成型后再澆筑上層碾壓混凝土并振搗，兩次澆筑相距時間長保證為240 min、各構件統一養護75 d[6]。1組構件置于去離子水環境內，2組構件置于5.5%硫酸鈉溶液內，2組構件完成凍融。

2.3 試驗方法介紹

僅在水環境時的凍融試驗：把養護到設計齡期的構件提早5 d置于去離子水內浸泡后放置在含有去離子水的構件容器內，參考相關試驗規程里的快凍方法完成凍融試驗。

凍融循環與含量6.0%Na2SO4溶液侵蝕聯合影響試驗：把養護到設計齡期的構件提早5 d置于含量6.0%Na2SO4溶液內浸泡后放置在含有6.0%Na2SO4溶液的構件容器內，并按相同方法完成凍融試驗。

上述兩類環境下完成25.0、50.0、100.0、150.0次凍融循環試驗，具體見圖1。每一次循環試驗后拿出4個構件擦拭干凈后測定其重量，并選擇直剪儀對構件的抗剪強度進行測定，具體見圖2。

圖1 凍融試驗情景圖

圖2 剪切試驗實景圖

3 試驗數據探析

3.1 外觀破損情況

經過上述2類凍融環境后，凍融數量的上升、各水膠比例的碾壓混凝土在150.0次凍融破壞后的外觀破損情況見圖3-圖8。

圖3 去離子水環境下各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.40)

圖4 6.0% Na2SO4各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.40)

圖5 去離子水環境下各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.50)

圖6 6.0% Na2SO4各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.50)

圖7 去離子水環境下各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.60)

圖8 6 .0% Na2SO4各次凍融循環后外觀破損情況(水膠比例0.60)

構件的外觀破損從最初的光滑平整逐漸至表面漿體掉落，后掉塊，甚至更多。結合外觀破損情況，可將其劃分成3個時期：①凍融早期，構件周圍有少量麻點顯露。②凍融中期，構件外觀的水泥漿體開始脫落，同時裂縫與孔洞出現并增加。③凍融晚期，構件外表骨料無水泥漿體裹附，直接接觸外界環境骨料開始掉落。

試驗時，碾壓混凝土的質量損失以質量損失百分比作為評價指標。

質量損失百分比計算公式如下，并取4個構件實測數據的均值作為實測數據。

ΔZn=100(Zy-Zn)/Zy

(1)

式中：ΔZn為經過凍融循環作用n次后的質量損失百分比例，%；Zy為未經過凍融循環作用前構件質量，g；Zn為對試驗構件經過n次凍融循環作用后的質量，g。

經過上述兩類凍融環境后，每次經過一個凍融循環周期時利用式(1)得到構件的質量損失百分比，依次記錄在表3與表4中。

表3 凍融循環作用時碾壓混凝土構件質量損失百分比表

表4 凍融循環和硫酸鹽侵蝕同時影響時碾壓混凝土構件質量損失百分比表

分析表3中試驗分組1、2、3對應的數據，能夠得到當凍融循環數量一致時碾壓混凝土的水膠比例與質量損失百分比速率成正相關關系。其原因是由于水膠比例高，水泥水化程度小，骨料間的漿體附著能力較小。比較3組和6組試驗數據可知，試驗早期構件放置在含有6.0%的Na2SO4溶液時小于含有去離子水中的質量損失百分比，經過50.0次凍融循環后，6組構件的質量損失百分比上升幅度逐漸超過3組；在凍融循環數量為150.0次時，3組質量損失百分比是4.09%，6組質量損失百分比遠大于3組，達到4.42%。硫酸鹽侵蝕和凍融循環兩種影響時間越長，Na2SO4溶液內部擴散越良好，導致碾壓混凝土質量損失百分比上升。

3.2 抗剪性能分析

3.2.1 硫酸鹽侵蝕和凍融循環同時影響下層面剪切性能分析

設定水膠比例0.40、0.50、0.60的碾壓混凝土在含量6.0%的Na2SO4溶液與去離子水內完成相應數量的凍融循環，并檢測層面抗剪強度值。對應法向應力設定1.0、2.0、3.0 MPa。對上述試驗數據利用庫倫方程計算得到混凝土層面摩擦系數f、黏結力c、法向應力u和剪應力t之間的方程式，具體見表5。

表5 各凍融環境時凍融循環數量下擬合的庫倫方程式匯總表

分析表5中公式可知，剪應力和法向應力呈線性關系，與庫倫抗剪定律吻合。試驗組經過2類環境的凍融循環試驗，碾壓混凝土的層面黏聚力的改變幅度遠不同于摩擦系數的改變幅度。由1試驗組數據可知，混凝土在150.0次凍融循環黏聚力由3.65減小至1.15，下降幅度2.50，對比摩擦系數下降幅度僅為0.30。分析試驗組5與6的摩擦系數和黏聚力可知，通過150.0次凍融循環時，共同影響時構件層面摩擦系數和黏聚力的減小幅度全部超過去離子水環境時的減小程度。通過數據分析可概括如下結論：在2類環境試驗時，層面黏聚力受凍融或Na2SO侵蝕破壞程度大于比摩擦系數，所以層面黏聚力決定了抗剪強度改變。硫酸鹽侵蝕和凍融循環雙重影響時下層面抗剪性能減小程度更甚。

3.2.2 硫酸鹽侵蝕和凍融循環同時影響下層面抗剪強度分析

碾壓混凝土強度損失百分比計算公式見式(2)，并取4個構件實測數據的均值作為實測數據。變化曲線見圖9、圖10。

Δt=100(ty-tn)/ty

(2)

式中：Δt為強度損失百分比，%；ty為未經過凍融循環作用前構件受到3 MPa法向應力時的抗剪強度值，MPa；tn為對試驗構件經過n次凍融循環作用后受到3 MPa法向應力時的抗剪強度值，MPa。

圖9 兩類凍融環境時抗剪強度損失百分比和凍融循環數量變化曲線

圖10 水膠比例0.60的碾壓混凝土在兩類凍融環境時抗剪強度損失百分比和凍融循環數量變化曲線

分析圖10中變化曲線可知，構件在兩類凍融環境時變化趨勢一致，即碾壓混凝土抗剪強度損失百分比與凍融循環數量呈正相關關系。在凍融循環數量較低時，構件放置在含6.0%Na2SO4溶液時層間抗剪強度損失百分比略小于放置在去離子水內，若凍融循環數量大于100.0次后，構件放置在含6.0%Na2SO4溶液時層間抗剪強度損失百分比降幅加大并超過放置在去離子水內。分析圖6中各水膠比例碾壓混凝土的抗剪強度損失百分比可知，凍融環境一致時水膠比例越大抗剪強度損失百分比越多。在2類環境共同影響時，水膠比例越低，碾壓混凝土層面抗剪強度損失百分比下降較小。

4 結 語

本文主要探討了碾壓混凝土受到硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重作用時層面抗剪強度變化規律。首先介紹試驗用材與混合比設置、構件制作、試驗方法。設置3種水膠比例0.40、0.50、0.60，并設置去離子水環境與6.0%Na2SO4溶液環境，進行凍融循環試驗，選取質量損失百分比與抗剪強度損失比進行比較分析。最后得到如下結論：

1) 在硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重影響時，前期硫酸鹽可阻止碾壓混凝土凍融破損，隨著時間延長，硫酸鹽侵蝕可為凍融破損助力，碾壓混凝土破損加快。

2) 水膠比例影響著硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重影響造成的碾壓混凝土層面抗剪強度下降程度，大致呈正相關關系。

3) 在硫酸鹽侵蝕與凍融循環雙重影響，層面黏聚力下降明顯，摩擦系數不受影響。