凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下水工混凝土力學性能分析

張麗靜

(盤錦禹泰水利工程質量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

因長期處于凍融損傷與鹽離子侵蝕作用的特殊環境下，北方寒灌區水工混凝土結構力學性能不斷降低，對工程的安全運行造成嚴重影響[1]。針對不利因素綜合作用下混凝土力學性能演化機理國內外學者開展了深入探究，如余紅發、吳中偉、Elhachem等[2-5]揭示了凍融循環與多種鹽離子侵蝕耦合作用下混凝土的損傷規律。研究認為[6-11]，鹽離子侵蝕及凍融循環是導致寒區水工混凝土裂化的關鍵因素，但尚未形成系統完善的理論體系。因此，深入探討復雜環境下水工混凝土力學性能衰減規律具有重要意義。

大凌河流域某高揚程梯級提水灌溉工程的灌區土壤面臨著突出的次生鹽堿化問題，水工混凝土結構力學性能受寒區凍融循環與灌溉回歸水中鹽離子侵蝕的耦合作用損傷嚴重，工程結構的損傷及裂化問題突出[12-13]。文章結合寒區灌溉工程實際情況，應用室內凍融循環加速試驗揭示了不同水膠比、粉煤灰和引氣劑摻量對水工混凝土抗壓強度的影響，進一步揭示了水工混凝土力學性能的衰減規律，對北方寒區混凝土配合比的優化設計及其力學性能研究提供了理論支持和參考。

1 試驗方案

1.1 工程概況

該提灌工程是綜合治理生態環境、解決區域農業灌溉以及人畜飲水問題的重要工程，經多年努力修建近2100余座渡槽、橋涵等輸水渠系構筑物，在改善區域農業生產條件和生活環境的同時，還取得了顯著的生態、經濟和社會效益。然而，由于長期處于高鹽侵蝕和凍融循環作用環境下輸水閘閥底板、渡槽排架、泵站輸水管道鎮墩等水工混凝土結構表面出現了剝落、開裂、粗骨料裸露現象，有的泵站產生承載力下降、結構損傷等問題，工程安全可靠度及運行效益的發揮受到嚴重制約。所以，有必要研究多因素耦合條件下提灌工程力學性能的衰減規律。

1.2 試驗材料

本試驗選用天瑞P·O 42.5級硅酸鹽水泥，粗骨料選用5～20mm連續級配人工碎石，細骨料選用細度模數2.6的天然河砂，依據《普通混凝土配合比設計規程》合理確定試驗配合比。其中，快速凍融循環試驗選用HDK-9型快速自動凍融循環機等儀器來完成，嚴格按照耐久性試驗規程規定的流程開展試驗。

2 結果與分析

2.1 不同水膠比的試驗結果

設計強度等級C30，保持粉煤灰摻量30%和引氣劑摻量0.02%不變，水膠比0.32、0.42、0.45三組混凝土試塊。先凍融循環20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復以上過程直至凍融循環達到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗過程中如果試樣質量損失>5%則停止試驗。不同水膠比設計方案，見表1；不同水膠比設計方案，見表2；不同水膠比的力學性能變化曲線，見圖1。

表1 不同水膠比設計方案

表2 不同水膠比抗壓強度檢測值

試驗表明，水膠比最高的A3組抗壓強度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用達到100次、200次、300情況下，A1試塊的抗壓強度減少了4.80%、13.85%、21.47%，A2試塊的抗壓強度減少了4.89%、17.06%、27.58%，A3試塊的抗壓強度減少了4.91%、20.26%、31.33%。因此，水膠比在一定程度上影響了混凝土力學性能，水膠比較高的劣于水膠比較低的混凝土力學性能[14]。所以，對北方寒區硫酸鹽侵蝕與凍融循環條件下，應選擇強度較高且水膠比較小的混凝土。

2.2 不同引氣劑摻量的試驗結果

設計強度等級C30，保持水膠比0.42和保持粉煤灰30%不變，引氣劑摻量0%、0.01%、0.02%、0.03%四組混凝土試塊。先凍融循環20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復以上過程直至凍融循環達到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗過程中如果試樣質量損失>5%則停止試驗。不同引氣劑摻量設計方案，不同引氣劑摻量設計方，見表3；不同引氣劑摻量抗壓強度檢測值，見表4；不同引氣劑摻量力學性能變化曲線，圖2。

表3 不同引氣劑摻量設計方案

表4 不同引氣劑摻量抗壓強度檢測值

試驗表明，引氣劑摻量最低(0%)的B1組抗壓強度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用達到100次、200次、300情況下，B1試塊的抗壓強度減少了4.67%、17.36%、31.95%，B2試塊的抗壓強度減少了5.17%、17.21%、27.40%，B3試塊的抗壓強度減少了4.89%、17.06%、27.58%，B4試塊的抗壓強度減少了4.49%、15.50%、27.27%。所以，引氣劑摻量顯著影響著混凝土力學性能，引氣劑摻量較高的劣于引氣劑摻量較低的混凝土力學性能[14]。所以，對北方寒區硫酸鹽侵蝕與凍融循環條件下，為提高混凝土抗侵蝕抗凍融能力應摻入適量的引氣劑。

2.3 不同粉煤灰摻量的試驗結果

設計強度等級C30，保持引氣劑摻量0.02%和水膠比0.42不變，粉煤灰摻量0%、20%、30%、40%四組混凝土試塊。先凍融循環20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復以上過程直至凍融循環達到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗過程中如果試樣質量損失>5%則停止試驗。不同粉煤灰摻量設計方案，見表5；不同粉煤灰摻量抗壓強度檢測值，見表6；不同粉煤灰摻量力學性能變化曲線，見圖3。

表5 不同粉煤灰摻量設計方案

表6 不同粉煤灰摻量抗壓強度檢測值

試驗表明，粉煤灰摻量最高的C4組抗壓強度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用達到100次、200次、300情況下，C1試塊的抗壓強度減少了6.20%、14.81%、23.29%，C2試塊的抗壓強度減少了7.51%、17.45%、24.76%，C3試塊的抗壓強度減少了4.89%、17.06%、27.58%，C4試塊的抗壓強度減少了17.22%、34.15%、50.88%。所以，粉煤灰摻量顯著影響著混凝土力學性能，粉煤灰過高會加速力學性能的下降速度[15-21]。所以，對北方寒區硫酸鹽侵蝕與凍融循環條件下，為提高混凝土抗侵蝕抗凍融能力應摻入適量的粉煤灰，但≤30%。

3 結 論

文章利用室內凍融循環加速試驗，探討了硫酸鹽侵蝕與凍融循環耦合作用下不同水膠比、粉煤灰和引氣劑摻量對水工混凝土力學性能的影響，并進一步揭示了抗壓強度衰減規律，主要結論如下：

1)引氣劑和粉煤灰摻量對混凝土力學性能的影響較為顯著，而水膠比的影響相對較低。為改善硫酸鹽與凍融循環耦合作用下混凝土力學性能可以摻入適量的粉煤灰，但一般≤30%，粉煤灰摻量超過30%將明顯降低混凝土強度。

2)硫酸鹽侵蝕與凍融循環下混凝土力學性能受引氣劑摻量的影響較大，為了提高混凝土抗離子侵蝕抗凍融能力可以摻入適量的引氣劑。通過試驗研究分析，可以為北方寒區水工混凝土配合比的優化設計及其力學性能研究提供一定理論支持和參考。