干濕條件下硫酸鹽會對生態透水混凝土侵蝕性分析

單文娜

(遼陽縣水利事務服務中心，遼寧 遼陽 111200)

0 引 言

目前，護坡工程為穿越城鎮等治河工程的重要組成部分，傳統護坡的治理方式比較單一，尤其是大范圍普通混凝土澆筑或砌筑護岸，給河流生態系統穩定性及河道周圍的自然景觀往往會造成不利影響[1-2]。為了實現經濟社會與河道生態環境的和諧統一，達到更好的護坡治理效果，可利用生態透水混凝土以便維護和改善河流生態系統，并逐漸成為河道治理的新方法。在河道治理工程中應用生態透水混凝土具有明顯的優勢，但也存在許多不足之處，如透水性與強度相互矛盾。一般地，透水混凝土既需要一定的孔隙維持其透水性又要依賴水泥、骨料等材料間的黏結力保持足夠的抗壓強度，所以試驗研究其相關施工工藝和配合比，現已成為領域內研究的熱點[3]。隨著城鎮規模的擴大以及人口數量的增加，河流水體和降雨中的硫酸鹽侵蝕混凝土的作用不斷加劇，逐漸成為破壞水工結構的重要因素。與普通混凝土相比，具有更多內部孔隙的透水混凝土更易受到硫酸鹽的侵蝕，并且護坡混凝土受水位的升降變化長期處于干濕循環環境中，干濕循環會加劇硫酸鹽反應和水泥的水化[4-5]。因此，文章利用室內模擬試驗，探討了生態透水混凝土受干濕條件下硫酸鹽的侵蝕作用，旨在為護坡混凝土的配合比設計和施工方案優化提供一定借鑒。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗原材料主要有硫酸鈉、鋼纖維、粗細骨料、水泥、水、減水劑、硅灰，其中硫酸鈉為AR級分析純無水硫酸鈉，配置溶液濃度5%；鋼纖維為端鉤鋼纖維；粗骨料為粒徑范圍5-20mm的人工石灰石碎石，細骨料為普通河砂；水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28d抗折和抗壓強度為8.1MPa、47.6MPa，初凝和終凝時間為206min、260min，各項指標符合試驗要求；水為普通自來水；減水劑為高效聚羧酸減水劑；硅灰的7d活性指數為132%，比表面積26700m2/kg，二氧化硅含量達到94.1%。

1.2 試件制作

工程中，攪拌制作透水混凝土的方式主要有水泥漿裹石法、二次投料法以及一次投料法三種。實踐表明，水泥漿裹石法能夠在不同程度上增強混凝土的力學性能[6]。因此，本試驗在制作透水混凝土時擬選用水泥漿裹石法。

透水混凝土的攪拌制作嚴格執行《透水混凝土路面技術規程》規定的操作流程，待攪拌完成后手握成團松開仍可保持原狀即混凝土塌落度幾乎為零時，可以開展下一步成型制作。試件制作過程中主要有人工夯擊和振壓成型兩種方式，立方體的邊長尺寸為150mm。試件制作前先擦拭干凈磨具，再用脫模劑涂刷內壁，拌和物入模后室溫靜置24h脫模，將其放于標養室養護至規定齡期28d。

1.3 計算分析

完成養護后，先測試試件的相對橫向動彈模量、有效孔隙率以及初始質量，再測試硫酸鹽和干濕循環作用下的抗侵蝕性。試驗流程：將養護完畢的試件放入清水和質量分數為6%、4%、2%的硫酸鈉溶液中浸泡48h，然后取出試件風干2h并用烘箱烘干18h(烘箱溫度80℃)，烘干后自然環境下冷卻4h，由此實現一次干濕循環，最后共完成8次循環試驗，并對有關參數進行測量。質量損失率VWi的計算公式為：

(1)

式中：W0、Wi為試件的初始質量(g)和經過i個干濕循環后的質量(g)。

試驗采用DT-12型混凝土動彈模量測定儀按照《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》測量試件的動彈模量，測試流程和方法嚴格執行規范要求[7]。先對試件橫向基頻損失利用儀器測定，再計算混凝土的動彈模量Ed，即：

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(2)

式中：L、a為試件的側面長度和截面邊長，cm；W為試件的質量，g；f為和橫向基頻，Hz。

采用萬能試驗機按照規定的試驗方法測試混凝土抗壓強度fcu，抗壓強度的測試時間為每一次干濕循環周期前和結束后[8-9]，其計算式為：

fcu=P/A

(3)

式中：P為試驗的破壞荷載，N；A為試件的承壓面積，cm2。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率

根據相關試驗數據，計算不同干濕循環條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件質量損失率，并以圖形的方式反映質量損失率變化趨勢，混凝土試件質量損失率，見圖1。

圖1 混凝土試件質量損失率

從圖1可以看出，隨著干濕循環次數的增加不同硫酸鹽溶液濃度的混凝土試件質量均呈現出先上升后下降的變化趨勢。另外，相對于清水條件下的試件質量損失率，硫酸鈉溶液試驗具有更加明顯的變化，表明透水混凝土受硫酸鈉的侵蝕作用十分明顯。深入分析可知，侵蝕初期透水混凝土試件以硫酸鈉的擴散和侵蝕結晶為主，所以試件質量有所增大，隨后試件質量因砂漿的開裂、脫落而逐漸下降，試驗結束后的質量減少至初始質量以下。通過對比分析發現，試件質量的變化程度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而增大，從而使得最終的剩余質量也越小。

2.2 抗壓強度檢測

結合相關試驗數據，計算不同干濕循環條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件抗壓強度，并以圖形的方式反映抗壓強度變化趨勢。混凝土試件抗壓強度，見圖2。

圖2 混凝土試件抗壓強度

從圖2可以看出，隨著干濕循環次數的增加不同硫酸鹽溶液濃度的混凝土試件抗壓強度均呈現出出先增大后減小的變化趨勢。另外，相對于清水條件下的試件抗壓強度，硫酸鈉溶液試驗具有更加明顯的變化，表明透水混凝土受硫酸鈉的侵蝕作用非常明顯。深入分析可知，侵蝕初期硫酸鹽的結晶和滲透作用會增大試件密實度，從而提高其抗壓強度，隨后試件抗壓強度因砂漿的開裂、脫落而逐漸減小。對比分析發現，試件抗壓強度的變化程度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而增大，從而使得最終的抗壓強度也越小。同時，在砂漿破壞與結晶侵蝕擴散達到平衡后，混凝土抗壓強度在硫酸鹽溶液濃度為4%仍存在一定波動。

2.3 相對橫向動彈模量

采用相關試驗數據，計算不同干濕循環條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件相對動彈模量，并以圖形的方式反映相對動彈模量變化趨勢?；炷猎嚰鄬訌椖Ａ?，見圖3。

圖3 混凝土試件相對動彈模量

總體而言，在整體上相對動彈模量均表現出波動下降的變化趨勢，并且硫酸鹽溶液中的波動更加明顯，試件的相對動彈模量值隨硫酸鹽溶液濃度的增大而減小[10-14]。經8次干濕循環后，清水條件下的試件相對動彈模量略有減小，而6%、4%、2%硫酸鹽濃度溶液下試件的相對動彈模量分別減小20.37%、14.18%、8.18%，由此表明生態透水混凝土受硫酸鈉的腐蝕作用非常顯著，并且溶液濃度越大造成的腐蝕作用越強。

3 結 論

文章采用模擬試驗，探究了生態透水混凝土受硫酸鹽侵蝕和干濕循環作用的影響，主要結論為：

1)相對于清水試驗條件，生態透水混凝土時間的相對橫向動彈模量、抗壓強度、質量損失率均明顯減小，表明生態透水混凝土受硫酸鹽溶液的侵蝕作用極為顯著。

2)生態透水混凝土時間的相對橫向動彈模量、抗壓強度隨硫酸鈉溶液濃度的增大而減小，其質量損失率隨硫酸鈉溶液濃度的增大而增加，表明硫酸鈉溶液濃度越大則侵蝕生態混凝土的作用越強。

3)考慮到生態透水混凝土受干濕循環和硫酸鹽侵蝕作用，為保證混凝土耐久性和工程施工質量，建議適當調整施工工藝和設計參數，充分考慮干濕循環、硫酸鹽侵蝕對河道工程設計的影響。