硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下濕篩水工混凝土試驗分析

孫振峰

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 莊河 116400)

我國東北部地區的季節性溫差較大，氣候寒冷，河流與地質環境中大都含有鹽滯性水，水庫大壩極易發生硫酸鹽侵蝕和凍融破壞，多種不利因素的耦合作用勢必導致溢流面、水位變化處等混凝土剝蝕，大壩運行受到嚴重威脅[1]。超聲檢測是一種利用透射波信號檢測被檢對象的無損檢測技術，因具有精準度高、操作方便等獨特的優勢被廣泛應用于混凝土耐久性研究領域[2-3]。超聲檢測水工混凝土受單一因素不利作用的影響因素較多，并取得了豐碩的成果。然而，大壩水位變化區的三級配混凝土性能較普通的二級配混凝土具有明顯差異，并且易受硫酸鹽侵蝕與凍融循環作用，濕篩剔除大骨料時不僅會明顯改變混凝土的三相組成，還會帶走一定的漿體，而現有研究較少利用超聲法檢測多因素耦合作用下的濕篩水工混凝土性能。鑒于此，文章以東北地區某水庫大壩為例，采用快凍法建立混凝土強度、凍融次數與超聲波速之間的數學關系式，論證了水位變化區濕篩混凝土抗凍性評價時超聲檢測技術的有效性、可行性。

1 試驗方法

1.1 配合比設計

試驗水泥為渤海牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰用綏中電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，粗細骨料選用連續級配的人工碎石和中砂，其中小石、中石、大石粒徑為5-20mm、20-40mm和40-80mm，砂的細度模數2.7，含水率4.5%；外加劑選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑和GYQ?-Ⅲ高效引氣劑；試驗用水為自來水。考慮拌合物坍落度設計要求，經多次試配確定最終的配合比，如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試件成型

根據《水工混凝土配合比設計規范》將攪拌好后的原材料過30mm孔徑篩1min，采用過篩料按照表2中的要求澆筑配制混凝土試件。

表2 試件分組與尺寸

為了使各組試件吸水飽和，將養護至規定齡期前4d的濕篩混凝土試件分組別放入質量分數5%的Na2SO4溶液和20℃±3℃水中浸泡4d，達到規定齡期后放入裝有硫酸鹽溶液和水的試件盒內，利用HDK-9型快速凍融試驗機測試凍融循環50次、100次、150次、200次、250次、300次的混凝土試樣抗凍性。

濕篩混凝土的超聲波波速利用Pundit Lab超聲波檢測儀測定，為保證兩個換能器的中心能夠在涂有凡士林耦合劑的一組對立面上呈一條直線，除澆筑面外測四組對立面的中心部位聲速，每個試件每組對立面測3個波速取平均值。

采用WAW-1000B型微機電液伺服萬能材料試驗機測試混凝土強度，其最大加載力可以達到1000kN。

2 超聲波速與抗壓強度的關系

2.1 外觀損傷特征

鹽凍和水凍條件下不同凍融循環次數后的混凝土外觀損傷情況，可以劃分成3個階段：①階段1：混凝土表面開始出現坑蝕和麻點；②階段2：混凝土表面逐漸露出細骨料，膠凝材料流失；③階段3：混凝土表面逐漸露出粗骨料，細骨料剝落增多且棱角嚴重脫落。

通過對比分析可知，凍融循環次數相同的情況下，混凝土受鹽凍和水凍作用造成的外觀損傷程度具有明顯差異。凍融循環達到100次時，兩種試驗條件下混凝土表面都出現了坑洞與麻點，但相差不明顯；凍融循環達到150次時，鹽凍條件下混凝土表面出現細骨料外露的現象，而水凍作用下的坑蝕明顯增多，兩者具有明顯的表觀特征差異；凍融循環達到200次時，鹽凍條件下可以看到許多的粗骨料外露，部分棱角開始脫落，而水凍表面的細骨料有少許外露；凍融循環達到300次時，鹽凍條件下的棱角明顯脫落，棱柱體總表面積的2/3都出現一定的粗骨料裸露現象，表面損壞嚴重，水凍作用下表面有更多的細骨料外露。因此，多因素耦合作用既加重了混凝土的損傷程度又加快了其表面損傷速度。

2.2 超聲波測試

鹽凍與水凍試驗條件下，濕篩水工混凝土的超聲波波速隨不同凍融循環次數的變化特征見表3。

表3 濕篩混凝土超聲波波速

從表3可以看出，鹽凍和水凍作用下濕篩混凝土超聲波波速均隨著凍融循環次數的增加不斷下降，并且鹽凍作用下的下降速度更快。采用以下公式計算凍融循環作用下濕篩混凝土的相對超聲波波速T，見圖1，即：

T=vn/v0

(1)

式中：vn、v0為混凝土經多次凍融循環和標準養護至28d的超聲波波速。

(a)鹽凍作用 (b)水凍作用

結果表明，鹽凍作用下凍融循環達到300次時混凝土的相對超聲波波速減少到84.73%，相同條件下明顯低于水凍作用的相對超聲波波速，這既表明混凝土受硫酸鹽凍融的破壞作用強烈于水凍，也從微觀層面上反映了混凝土內部損傷與凍融循環之間的關系。在凍融初期，鹽凍與水凍作用下的相對超聲波波速下降幅度較低，凍融循環達到100次后鹽凍作用下具有更快的波速下降幅度。研究表明，混凝土內部受凍融循環的破壞十分顯著，特別是硫酸鹽提高了混凝土的損傷及其凍融破壞速度。

根據以上試驗數據，濕篩混凝土在鹽凍及水凍作用下，凍融循環次數與相對超聲波波速之間的關系式如下：

Ty,n=-1.0576×10-6×2-1.7285×10-4x+0.9996；R2=0.9970Ts,n=-1.2871×10-6×2+4.2618×10-5x+0.9942；R2=0.9935

(2)

式中：Ty,n為鹽凍作用下混凝土的相對超聲波波速；Ts,n為水凍作用下混凝土的相對超聲波波速；x為凍融循環次數；R2為相關系數。

2.3 抗壓強度與波速的關系

為進一步揭示抗壓強度與超聲波波速之間的關系，對試驗數據利用數理統計法進行回歸分析，從而建立數學統計模型并計算誤差范圍以及回歸效果。結果顯示，混凝土受硫酸鹽侵蝕與凍融循環作用時，其超聲波波速與抗壓強度之間的關系曲線為：

fcu=AvB

(3)

式中：A、B為待定系數值；fcu為抗壓強度；v為超聲波波速。因此，經進一步處理確定不同凍融循環后的抗壓強度，即：

fcn/fc0=A(vn/v0)B

(4)

式中：fcn為混凝土經多次凍融循環；fc0為初始的抗壓強度；vn為經多次凍融循環；v0為初始狀態的超聲波波速。將公式(4)兩邊取對數有In(fcn/fc0)=InA+BIn(vn/v0)，令y=In(fcn/fc0)，a=InA，B=b，x=In(vn/v0上式可以轉化成：

y=a+bx

(5)

采用公式(4)擬合分析試驗數據，從而獲取超聲波波速與混凝土抗壓強度的關系曲線，即y=4.7280x+0.0142(鹽凍作用)、y=4.8217x+0.0216(水凍作用)。然后可以反推出鹽凍和水凍作用下超聲波波速與混凝土強度之間的相互關系，即fcn/fc0=(vn/v0)4.7280、fcn/fc0=(vn/v0)4.8217。

3 結 論

1)隨著凍融循環次數的增加濕篩水工混凝土表面經歷了開始出現坑蝕與麻點、細骨料外露和膠凝材料流失、粗骨料外露且棱角脫落三個發展階段，表面出現嚴重損壞，多因素耦合作用既加重了混凝土的損傷程度又加快了其表面損傷速度。

2)鹽凍和水凍作用下濕篩混凝土超聲波波速均隨著凍融循環次數的增加不斷下降，并且鹽凍作用下的下降速度更快。鹽凍作用下凍融循環達到300次時混凝土的相對超聲波波速減少到84.73%，混凝土受硫酸鹽凍融的破壞作用強烈于水凍。濕篩混凝土在鹽凍及水凍作用下，凍融循環次數與相對超聲波波速之間的關系式為拋物線，并且兩者相關性較好。然后對試驗數據利用數理統計法進行回歸分析，揭示了抗壓強度與超聲波波速之間的關系。