裕民縣均朱熱克村引水渠首工程混凝土耐久性試驗研究

王永偉

（塔城地區水利水電勘察設計院，新疆 塔城 834700）

0 引言

硫酸鹽侵蝕是導致混凝土結構破壞的主要因素之一[1～2]。它主要通過降低混凝土的強度來破壞混凝土結構，這是由于硫酸根離子與混凝土水化產物之間發生化學反應產生膨脹劑引起混凝土開裂導致的[3]。我國的環境調查結果顯示，沿海岸線的一些港口、海上工程、海底隧道和跨海大橋等均遭受著有害離子的侵蝕和破壞[4]，大量的水利工程遭受著硫酸鹽侵蝕。另外，新疆、青海、西藏、甘肅、內蒙古等西部地區鹽堿上建造的混凝土結構，如橋梁、道路等也遭受著硫酸鹽侵蝕的破壞，導致每年的維護成本較高。干濕循環下混凝土性能是研究混凝土耐久性的一個重要方面，干濕循環條件下是離子向混凝土內部傳輸最快的情況；對于素混凝土，當鹽溶液為硫酸鹽溶液時，會形成鈣礬石，造成混凝土裂縫破壞；對于鋼筋混凝土，干濕循環既加快鋼筋表面的氯離子積累，又有水和氧氣，會造成鋼筋銹蝕，因此對干濕循環下混凝土耐久性能的研究是至關重要的。目前國內已開展了一些研究，曹健[5]在軸壓荷載及干濕循環-硫酸鹽侵蝕耦合作用下研究了混凝土長期性能演變規律；孫迎召等[6]研究了干濕循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下硫酸鈉溶液濃度對混凝土損傷的影響；孫繼成[7]分析了應力和干濕循環對混凝土滲透性的影響以及不同應力作用下混凝土中氯離子的滲透規律。但在國內外文獻中，對干濕循環作用下混合鹽即將硫酸鹽加入氯化物鹽中對混凝土耐久性的研究較少，以及用粉煤灰替代一定比例的混凝土后混凝土試件的耐久性研究較少，因此，本文以裕民縣均朱熱克村渠首工程為例，在室內試驗的基礎上分析上述兩種因素對混凝土耐久性的影響。

1 工程概況

裕民縣均朱熱克村渠首工程位于裕民縣境內察汗托河，該河發源于西南巴爾魯克山南坡，屬于察汗托海河支流。裕民縣均朱熱克村渠首工程以渠首為控制斷面，集水面積5.47 km2，河長5.019 km。區域地貌自南向北可劃分為中低山區、低山丘陵、山前傾斜平原與河流沖洪積平原；中低山區、低山丘陵地形起伏較大，地勢由東向西傾斜。工程區屬中低山區，河谷地貌，海拔高程1400 m～1700 m。

2 試驗材料及方法

混凝土配合比設計采用JGJ55-2000設計規范。設計三種混凝土配合比，粉煤灰用量在混凝土中采用等效替代法。三種混凝土配合比設計方案（A組、B組、C組）的詳細指標值見表1。

表1 混凝土配合比設計方案

混凝土結構的相對動彈性模量可準確地評估混凝土性能的變化和失效。混凝土試件的相對動彈性模量作為混凝土耐久性變化的評估指標，其計算方法為[8]:

式中:Erd為混凝土的相對動彈性模量，%；Emn為凍融循環N次后混凝土的動彈性模量，MPa；Em0為凍融循環開始前混凝土的初始動彈性模量，MPa。

當Erd值小于65%時，混凝土試件被認為遭受損壞。試件尺寸為200 mm×200 mm×400 mm。為避免試件成型后表面及內部水分蒸發，采用塑料薄膜包裹其表面，并在室溫20±5℃的環境中放置約24 h，隨后將塑料薄膜剝離，并將試件在混凝土養護室（溫度20±2℃，濕度95%以上）中保存28 d，試件間間隔約2 cm。經過上述混凝土試件養護后，開始進行三種混凝土配合比（A、B、C）的混凝土試件在干濕循環下，長期受到三種化學介質（10%Na2SO4、10%Na2SO4+5%NaCl、H2O）侵蝕的實驗研究。干濕循環過程中，將試件放入侵蝕液14 h，然后在空氣中干燥1 h，隨后在80℃的烘箱中烘烤8 h，最后冷藏1 h，該過程共需24 h。侵蝕液每月更換一次。在侵蝕期間，測量試件的動彈性模量，每10天計算其相對動彈性模量。整個實驗經歷120次干濕循環即120天。

3 結果分析

3.1 侵蝕方式對混凝土耐久性的影響

以水灰比為0.4的B組為試驗對象，研究以10%硫酸鈉溶液作為侵蝕介質的混凝土Erd值在2種不同侵蝕方式即干濕循環和長期浸泡下的耐久性變化。試驗結果見圖1。

圖1 不同侵蝕方式下混凝土Erd值變化

從圖1可看出:長期浸泡下混凝土試件的相對動彈性模量略有穩定的增加，侵蝕時間為120天時，Erd值為1.08，增加了6.9%。與長期浸泡不同，干濕循環及硫酸鹽侵蝕的混凝土試件Erd值產生了明顯波動。在干濕循環下，試驗混凝土的Erd值在侵蝕開始階段首先增加，然后在早期階段急劇下降，侵蝕時間為120天時，其Erd值達到0.79。對于干濕循環下的試件，由于烘烤過程中外部環境相對干燥，試驗混凝土中的水分子反向運動并向外蒸發，導致混凝土表面孔隙溶液中硫酸鹽濃度增加，硫酸根離子存在于混凝土內部和表面之間，根據自由離子擴散理論，混凝土空隙中的鹽分物質又會以液體的形式擴散到混凝土內部，隨侵蝕時間的增加，混凝土表面和中間層的大部分孔隙水被蒸發，多余的鹽水結晶并分離出來。這樣，硫酸根離子在內部迅速聚集，而在烘烤過程中水分向外移動，在每次浸泡過程中，會有更多的鹽分聚集到混凝土表面的毛細管間隙中，使混凝土表面鹽溶液不斷經歷“烘烤—蒸發—濃縮—結晶—烘烤”的循環變化。當混凝土中硫酸根離子達到閾值后立即發生侵蝕反應，使試件中如鈣礬石等物質出現，使混凝土膨脹產生裂縫，增加了侵蝕溶液的浸入范圍，嚴重時會導致混凝土外表明逐漸剝落，隨著浸泡時間的增加，將造成更嚴重的損害。

3.2 侵蝕介質對混凝土耐久性的影響

圖2、圖3和圖4分別為試驗組（A、B、C）在不同侵蝕介質及干濕循環下的相對動彈性模量變化。以試驗組A為例，可看出:在干濕循環下，硫酸鹽和混合鹽侵蝕介質中混凝土的Erd值在早期階段略有增加，隨后開始減小，其中在10%Na2SO4溶液中的試件Erd值下降最為明顯，當侵蝕時間為120天時，其Erd值達到0.71。與硫酸鹽侵蝕相比，混合鹽侵蝕的混凝土Erd值峰值出現較晚，當達到峰值后開始緩慢下降，最終Erd值為0.84，表明添加氯鹽能夠減緩干濕循環對混凝土造成的損害。水侵蝕溶液中混凝土試塊的Erd值變化較穩定，幾乎不會對混凝土造成損壞，其Erd值開始略有增加，后期略有減少，但其數值在初期以后均大于1，其原因可能是由于混凝土水化產生氫氧化鈣，而氫氧化鈣與硫酸鈉反應產生的硫酸鈣使混凝土體積膨脹，當烘烤的混凝土表面浸入水中后，通過毛細管吸水直至飽和，使混凝土出現“烘烤—浸泡—烘烤—浸泡”循環變化，會加劇氫氧化鈣的腐蝕，從而損壞混凝土內部結構。綜上分析，在干濕循環下，硫酸鈉溶液對混凝土的Erd值有較大影響。

圖2 硫酸鹽侵蝕下混凝土Erd值變化

圖3 混合鹽侵蝕下混凝土Erd值變化

圖4 水侵蝕下混凝土Erd值變化

3.3 水灰比對混凝土耐久性的影響

試驗設置2種不同水灰比（w/c=0.6、0.5），每種侵蝕介質設置有3組試驗樣本，每10 d測量其相對動彈性模量，取其平均值為該種侵蝕介質下混凝土的Erd值。對A組及B組試件進行了試驗，結果見圖5和圖6，可以看出:當水灰比較高即（w/c=0.6）時，混凝土試件損壞較快；在10%Na2SO4溶液侵蝕下，水灰比為0.6的混凝土試件在120天時Erd值下降到0.72，而水灰比為0.5的混凝土試件下降到0.77；對于其他兩種侵蝕介質，水灰比較高的混凝土試件損傷較快，混凝土受硫酸鹽溶液侵蝕時變化較明顯；不同侵蝕介質中Erd值總是遵循先增加后減小的變化趨勢。綜上分析，干濕循環下水灰比對混凝土在鹽溶液及水中的侵蝕有明顯影響。

圖5 試驗組A的Erd值變化

圖6 試驗組B的Erd值變化

3.4 粉煤灰對混凝土耐久性的影響

選擇具有相同水灰比的試驗組B和C研究粉煤灰對混凝土耐久性的影響，在干濕循環及10%硫酸鹽溶液侵蝕下，其相對動彈性模量變化見圖7。試驗組B沒有添加粉煤灰，而試驗組C添加了20%的粉煤灰。

圖7 試驗組B和C的Erd值變化

從圖7可看出:混凝土試件的Erd值在實驗開始時經歷了一段初始增長后開始下降。C組混凝土試件下降較緩慢，其開始下降的時間較晚，試驗結束時，其Erd值為0.89，B組的Erd值為0.71。C組混凝土試件的Erd值相對較慢達到峰值，增大幅度較小。因此，加入適量的粉煤灰在一定程度上能有助于加強混凝土抗鹽溶液的侵蝕能力。

4 結論

以裕民縣均朱熱克村渠首工程為案例，在工程施工前期，通過室內試驗的基礎上研究了干濕循環和鹽溶液復合作用下對混凝土耐久性的影響，得出結論:在干濕循環及鹽溶液復合侵蝕下，硫酸鹽侵蝕比混合鹽更加明顯；混合鹽中氯鹽會減少鈣礬石的產生，在一定程度上減緩了混合鹽對混凝土的破壞；水灰比越高，混凝土受硫酸鹽侵蝕的影響越大；添加粉煤灰有助于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。