嚴寒沿海地區水工混凝土凍融-干濕循環作用下抗氯離子侵蝕性能試驗研究

楊冬鵬

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

對處于嚴寒沿海地區水工建筑物水位變化區的混凝土而言，凍融循環、干濕循環和氯鹽侵蝕是影響其結構耐久性的關鍵因素。幾種因素共同作用下對水工混凝土耐久性的研究較少，因此，研究混凝土在凍融-干濕循環耦合作用下，氯離子對水工混凝土的侵蝕過程，可以為今后混凝土在凍融-干濕循環耦合作用下的抗氯離子侵蝕性能的研究提供試驗方法和基礎數據。

1 試驗用原材料

試驗采用的水泥為撫順水泥廠生產的P·O·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為綏中電廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰，減水劑為遼寧江海水利工程公司生產的引氣減水劑，拌合用水和養護用水均為沈陽市飲用自來水，粗骨料和細骨料產地均為遼寧省綏中縣，各原材料物理化學指標均滿足國家相關標準要求。

本文將未摻加輕燒氧化鎂、聚丙烯纖維的混凝土定義為基準混凝土，設計指標C30W6F200，水膠比0.39，砂率為32%，坍落度為55mm，含氣量為4.7%，配合比見表1。輕燒氧化鎂混凝土中輕燒氧化鎂為武漢三源特種建材有限責任公司生產的MAG- I型氧化鎂膨脹劑，外摻量為3%；聚丙烯纖維混凝土中聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長度為10～20mm，外摻量為1kg/m3。雙摻混凝土即為在基準混凝土中同時摻入3%的輕燒氧化鎂和1kg/m3的聚丙烯纖維。

表1 基準混凝土材料用量 單位：kg/m3

2 試驗方法

2.1 試件制作

本文的重點為干濕循環與凍融循環耦合試驗，因此，試件統一采用標準抗凍試件進行試驗。試件成型后經標準養護28d后即可進行后續試驗。試驗前，首先將試件在80±5℃烘箱中烘至恒重，自然冷卻至室溫后將除成型面外的其它5個表面均用環氧樹脂密封，以防止其它表面與外界水分和氯離子交換，保證了試驗過程中氯離子只能從一個面滲透進入混凝土內部[1- 5]。

2.2 干濕循環與凍融循環耦合試驗方法

目前對于混凝土試件干濕循環與凍融循環耦合試驗方法無明確統一的規定。干濕-凍融循環試驗分為兩步，第一步為凍融循環試驗，第二步為干濕循環試驗。常見的干濕循環與凍融循環耦合作用的試驗方法有兩種，方法A是單次的干濕循環與凍融循環相耦合，方法B為確定一定連續次數的干濕循環和一定次數的凍融循環耦合為一個大的耦合循環。

在一個完整自然年內，混凝土在夏季和秋季只受干濕循環的影響，而在冬季和春季又只受凍融循環的影響。因此，若要就相似模擬混凝土構筑物在自然環境中的服役狀態而言，方法B更加接近實際狀態。在未做特殊說明時，干濕循環和凍融循環均是選用方法B得到的試驗數據和結論。

混凝土在現場所經歷的單次凍融循環和室內的單次凍融循環意義是完全不同的，本文采用年均等效凍融循環次數neq代表混凝土在現場環境一年里經歷的凍融循環次數，有

neq=K×nact/S

(1)

式中，S—室內外凍融環境下混凝土凍融損傷比例系數；K—混凝土在發生凍融循環時的飽含水時間比例系數；nact—現場年均凍融循環次數[6]。

利用中國氣象局采集的歷史氣象數據統計得到遼寧省的現場環境累年年均正負溫交替次數為(70～100)次/a，考慮到嚴寒地區的持續性負溫天氣，經修正后得到的現場環境年凍融循環次數為nact=(100～130)次/a，這里取最大值nact=130次/a。另外，遼寧省室內外凍融損傷比例系數S=8.76～15.71，取飽含水比例系數K=1，則現場年等效室內凍融循環次數neq=K×nact/S=(8.27～14.84)次/a。這里取最大值14.84次/a，約等于15次/a。因此，設計方法B為15次連續凍融循環(約2.5d)后連續15個干濕循環(約30d)為一個干濕—凍融耦合循環試驗。

2.3 氯離子含量的測定

采用化學滴定方式測試試樣不同深度處的自由氯離子含量，結果用氯離子占混凝土質量百分比來表示[7- 9]。在小于10mm深度范圍內在每2mm取一個試樣；深度大于10mm的范圍內每5mm取一個試樣。具體試驗方法見JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規程》中相關章節。

2.4 混凝土孔隙率的測定

眾多研究資料表明，混凝土作為一種多孔人工合成材料，其孔隙率的大小及分布對混凝土的抗凍性能和抗氯離子侵蝕性能[10- 13]有較大影響。本文采用浸泡法對混凝土孔隙率進行測定計算，公式如下：

(2)

式中，ρw—常溫下水的密度，g/cm3；ρc—飽水后試件的密度，g/cm3；mc—試件的飽水質量，g；m0—試件干燥質量，g。

3 干濕-凍融作用下混凝土中氯離子滲透性能試驗結果及分析

3.1 干濕-凍融作用對混凝土孔隙率的影響

按照設計試驗程序對混凝土試樣進行干濕循環和凍融循環耦合試驗，在完成預定循環次數后，將試件取出用鋼鋸切割為兩個部分，其中一部分用于試樣孔隙率的測定，另一部分則用于測定不同深度處的氯離子含量[14]。測定混凝土在完成預定復合循環次數后的吸水率并計算其孔隙率，最終數據見表2。同時，為了比較前文中所述的兩種試驗方法的區別，按照方法A對四組試件進行了30次干濕-凍融耦合試驗，試驗結果見表3。

從表2—3中可以看出，在完成一定次數的凍融循環和干濕循環耦合試驗后，所有試件的吸水率均隨著循環次數的增加而明顯增大。在方法B中，以基準混凝土為例，其在完成1次復合循環后的孔隙率較初始增大了0.64%，循環2次、3次和4次時分別較前次增大了0.96%、1.11%和1.33%。分析表2中的數據，還有如下規律：

(1)隨著循環次數的增加，四種混凝土的孔隙率變化的速率由大到小的排序為：基準混凝土、輕燒氧化鎂混凝土、聚丙烯纖維混凝土、雙摻混凝土，且孔隙率增大速率隨循環次數增大而增大。

(2)基準混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的孔隙增大速率基本一致，雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的孔隙增大速率基本一致，且基準混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的增大速率要大于雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的孔隙增大速率。考慮到干濕循環在短時間內對混凝土孔隙率影響較小，所以在這里孔隙率的變化主要是因為凍融循環造成混凝土出現凍融損傷而產生的微裂縫。同時也說明，在四種類型混凝土中，雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗凍性能要大于基準混凝土和輕燒氧化鎂混凝土，外摻輕燒氧化鎂對混凝土的抗凍性能影響不大。

表2 復合循環(方法B)后試件孔隙率

圖1 不同類型混凝土中氯離子含量分布

表3 復合循環(方法A)后試件孔隙率

注：方法A中復合循環15次中包含的干濕循環次數和凍融循環次數即相當于方法B中1次大的復合循環。

(3)在同樣經歷15次干濕循環和15凍融循環后，對比方法A和方法B，按照方法B進行試驗得到的基準混凝土、輕燒氧化鎂混凝土、聚丙烯纖維混凝土、雙摻混凝土的孔隙率分別增大0.64%、0.63%、0.57%、0.53%，而方法A中，四種混凝土的孔隙率分別增大了2.32%、1.23%、1.05%、0.95%；經歷30次干濕循環和30次凍融循環后兩種方法對混凝土孔隙率的影響差別同樣巨大。由此可以看出，在相同干濕循環次數和凍融循環次數下，方法A對混凝土造成的損傷程度要遠遠大于方法B。因此，若用方法A來進行混凝土在干濕—凍融條件下抗氯離子性能的研究，其得出的結論應是遠小于實際性能的。

3.2 干濕-凍融循環對混凝土中自由氯離子含量的影響

四種混凝土試件在干濕循環和凍融循環交替耦合作用下試件不同深度處自由氯離子濃度的試驗結果如圖1所示。

首先，在經歷一個復合循環作用時，試件中的自由氯離子含量峰值出現的深度向內延伸了一個測量距離。因為在干濕-凍融耦合作用下，使氯離子不斷向內侵蝕的主要因素是凍融循環過程中造成的混凝土損傷，改變了混凝土內部的微觀孔隙結構，使混凝土中裂縫逐步相互貫通，從而加速了氯離子在混凝土中的擴散和滲透。

在干濕-凍融耦合作用下，基準混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的自由氯離子峰值基本上在經歷一次復合循環后就會深入一個測量距離，聚丙烯纖維混凝土在經歷了3次復合循環后，其峰值才向內延伸一個測量距離，而對于雙摻混凝土，在經歷4次復合循環時，其峰值出現的深度仍然沒有發生變化，只是峰值的氯離子含量在不斷增大。由此可以得出，四種混凝土在干濕-凍融耦合作用時，抵抗氯離子侵蝕能力由大到小排序應為：雙摻混凝土、聚丙烯纖維混凝土、輕燒氧化鎂混凝土，最后是基準混凝土。

4 結語

在干濕-凍融交替耦合作用下，四種混凝土抵抗氯離子侵蝕能力均與孔隙率變化的速率密切相關，由大到小排序為：雙摻混凝土>聚丙烯纖維混凝土>輕燒氧化鎂混凝土>基準混凝土。在干濕-凍融交替耦合作用下，混凝土孔隙率不斷增大，使混凝土中裂縫逐步貫通，從而加速了氯離子在混凝土中的擴散和滲透。此外，不同的耦合試驗方法，得到的試驗結果是不同的，就本文提出的兩種耦合方法中，方法A對混凝土造成的損傷程度要遠遠大于方法B。因此，在研究復雜環境條件的混凝土耐久性能時，選取合適的耦合試驗制度，才能得到更準確的結果。