硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用對水工混凝土耐久性的影響研究

李欣然

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

考慮到中國東北地區特殊的氣候環境條件，水工混凝土長期受到凍融循環及硫酸鹽離子侵蝕的共同作用，在一定程度上影響著水利工程的使用年限和結構耐久性[1-2]。因此，試驗研究水工混凝土在凍融循環與硫酸鹽離子耦合作用下的耐久性，對于水工混凝土配合比優化設計和水利工程長效安全穩定運行等具有重要實用價值[3]。針對混凝土耐久性國內外諸多學者做了深入研究，但大多數都是分析凍融循環或硫酸鹽離子單一要素，對水工混凝土耐久性受凍融循環與硫酸鹽離子侵蝕耦合作用下的影響研究還鮮有報道，尤其是針對北方地區的有關研究更少[4-7]。鑒于此，文章利用水工試驗的方式，從多個角度試驗分析了凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下的耐久性指標，旨在被北方地區水利工程規劃設計和水工混凝土配比優化設計提供一定借鑒。

1 試驗方案設計

1.1 混凝土配合比

根據《水工混凝土施工規范》對各項指標的要求，合理確定混凝土配合比的標準用水量135kg，砂率34%，試驗混凝土粗骨料為天然河床二級卵石，大小石子比例1:1，最大粒徑25mm，引氣劑和減水劑取總用水量的0.002%、0.8%。依據試驗目的和要求，本試驗共設計3種配合比，水工混凝土配合比，見表1。

表1 水工混凝土配合比

1.2 混凝土試件

水工混凝土立方體試件按照《水工混凝土施工規范》[8]制作，制作過程中采取先澆筑上層、再澆筑下層分層澆筑的方式，相鄰工序間的間隔不得超過3h，按照以上流程共制作2組，完成所有試件制作后標準養護100d。然后將標準養護后的2組試件分別浸入含5%的硫酸鈉溶液和離子水環境中，從而完成凍融循環試驗。

1.3 試驗方法

首先，將標養后的混凝土試件提前浸入5%的硫酸鹽溶液中浸泡5d，然后利用快凍法把浸泡后的試件置入凍融循環試驗盒中進行凍融與5%的硫酸鹽耦合循環試驗。按每凍融循環25次測定一次質量損失，測試時先將試件表面水分擦拭干凈，然后放置電子秤稱重測定其質量，設定凍融循環次數為0、25、50、75、100、125、150、200次。

1.4 數據處理

結合相關標準規范，以混凝土質量損失率低于5%作為凍融循環試驗停止條件，可采用下式計算混凝土質量損失率，即：

(1)

式中：△ωn為混凝土質量損失率，%；ω0、ωn為試驗前和經過多次循環后的試件質量，kg。根據循環試驗數據，還可利用下式建立水工混凝土質量損失與凍融循環次數之間的相關關系[9]，即：

ωn=aω0e-0.0002t

(2)

式中：a、t為所涉及水膠比修正系數和凍融循環次數。此外，結合水工混凝土受硫酸鹽和凍融循環共同作用的抗剪試驗市局，可以建立強度衰減方程[10]，其表達式為：

(3)

式中：△τ為強度的損失率，%；τ0、τn為試驗前和經過多次循環后混凝土試件的強度，MPa。

2 結果與分析

2.1 質量損失率

通過8次循環周期試驗分析水工混凝土的質量損失變化，凍融循環作用下的質量損失變化，表2；硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的質量損失變化，見表3。繪制質量損失曲線以更加直觀的描述不同配合比的混凝土質量損失狀況，不同循環次數下的質量損失率，見圖1。

表2 凍融循環作用下的質量損失變化

表3 硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的質量損失變化

(a)凍融循環作用

由圖1可知，試驗初期5%硫酸鹽溶液中的混凝土質量損失率低于離子水環境，但質量損失率隨著循環次數的增加而逐漸增大，水工混凝土受硫酸鹽侵蝕作用隨硫酸鹽與凍融循環耦合作用的增加而增強，硫酸鹽逐漸向內部擴散并破壞混凝土的耐久性。

2.2 質量衰減規律

通過分析水工混凝土質量損失與試驗周期循環次數之間的關系，進一步揭示硫酸鹽與凍融循環耦合作用下的質量衰減規律，硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合下的質量衰減規律，見表4。

由表2、表3可知，水工混凝土在不同循環次數下的質量損失受水膠比的影響較大，并表現出的明顯的規律性，即質量損失率隨水膠比的增大而增加，這是由于水泥水化程度隨著水膠比的增大而降低，從而導致骨料間的黏合度下降，因此水膠比越大混凝土的質量損失呈明顯的上升趨勢。不同循環次數下的質量損失率，見圖1。

由表4可知，各配比下混凝土質量損失與循環次數間具有顯著的相關關系。耦合作用下水工混凝土表面摩擦系數變幅減小，但各配比下的表層黏聚力降幅逐漸增加。結合試驗數據，混凝土摩擦系數變幅隨硫酸鹽侵蝕與凍融耦合循環次數的增大而減小，但其表層黏聚力變幅增大，所以水工混凝土質量損失主要受表層黏聚力變化的影響。此外，水工混凝土表層抗剪強度隨著耦合循環次數的增加而減小，其表層抗壓能力也不斷下降[11-14]。

表4 硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合下的質量衰減規律

2.3 彈性模量損失

彈性模量是分析水工混凝土耐久性的重要參數，通過試驗研究分析不同配合比下水工混凝土的彈性模量損失，凍融循環作用下的彈性模量損失變化，見表5；硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的彈性模量變化，見表6。

續表4 硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合下的質量衰減規律

表5 凍融循環作用下的彈性模量損失變化

表6 硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的彈性模量變化

試驗表明，各配比下水工混凝土彈性模量的遞減速率隨著硫酸鹽侵蝕與凍融耦合循環次數的增大不斷增大。在試驗條件不變的情況下，較小水膠比的混凝土試件具有更好的耐久性。

2.4 抗壓強度損失

根據水工混凝土彈性模量損失變化情況，進一步試驗研究不同配合比的抗壓強度損失，凍融循環作用下的抗壓強度損失變化，見表7；硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的抗壓強度變化，見表8。

表7 凍融循環作用下的抗壓強度損失變化

表8 硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下的抗壓強度變化

結合抗壓強度試驗數據可知，各配比下混凝土抗壓強度隨著試驗循環周期次數的增加呈現出明顯的遞減趨勢，并且遞減變幅隨水膠比的增加而增大，水膠比達到0.33時在硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用，水工混凝土的抗壓強度下降變幅較小。所以，北方嚴寒地區水工混凝土澆筑應選擇較小的水膠比。

3 結 論

1)試驗表明，凍融循環能夠在一定程度上加速水工混凝土硫酸鹽侵蝕，耦合作用加劇了溶蝕作用，并且水膠比越低混凝土的耐久性越高。

2)硫酸鹽侵蝕和凍融循環對混凝土材料的破壞具有相互疊加、相互影響特點，使水工結構破壞程度和混凝土質量損失率呈明顯上升的趨勢。

3)本試驗重點探討了硫酸鹽侵蝕與凍融循環作用下水工混凝土的抗壓強度、彈性模量以及質量損失率等指標，未考慮對其他指標的影響，未來仍需進一步討論耦合作用對其他指標的影響。