海水環境下水工混凝土涂滲透結晶材料的試驗研究

朱 冰

（盤錦市水利服務中心，遼寧 盤錦 124010）

水工混凝土耐久性直接決定著水利工程的經濟性、可靠性和安全性等問題，并逐漸引起廣大學者的重點關注，增強混凝土耐久性的關鍵在于降低滲透性、控制裂縫的形成與發展、優化混凝土孔結構等[1]。然而在使用和建設過程中水工混凝土難免會產生裂縫，裂縫的形成與發展為侵蝕環境下腐蝕介質創造了滲入通道，這使得結構整體耐久性下降。若未及時修補裂縫，裂縫的覆蓋范圍與尺寸就會不斷發展，并進一步降低結構耐久性能。因此，必須采取有效的裂縫修復或控制措施。隨著科技的不斷發展，裂縫自愈合技術逐漸成為混凝土領域的研究熱點[2]。目前，研究應用較多的裂縫自愈合技術有生物細菌礦化法、滲透結晶法和有機物粘結法等，由于具有較強的修復能力和良好的抗滲性等優點，滲透結晶材料(CRM)逐漸引起廣大學者的關注[3-5]。

從現有研究成果上看，目前主要集中于滲透結晶材料對裂縫自愈合上，其對水工混凝土增強抗蝕的影響分析特別是作用機理的探討還鮮有報道。鑒于此，文章應用墻體耐候性熱雨試驗箱，使用海水對比研究不同配合比水工混凝土鋼筋腐蝕電位、電通量、擴散系數和抗壓強度變化特征。該系統可以控制風力、濕度、溫度等環境因素變化模擬水工混凝土所處實際環境，更加真實地反映混凝土的服役年限和耐久性。

1 試驗方法

1.1 原材料及配合比

試驗選用華新水泥股份有限公司生產的P·O 42.5 級水泥，細度模數2.1 的天然河砂，連續級配粒徑范圍5～25mm 花崗巖碎石，蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑，從市場上購買的聚合物水泥防水涂料(滲透結晶材料)，HPB300 光圓鋼筋和當地自來水。其中，鋼筋單根長度100mm，直徑6mm，試驗前除銹打磨至光亮。

依據《水工混凝土配合比設計規程》，試驗設計涂抹與不涂抹滲透結晶材料(CRM)、C50 及C30兩個標號共4 種配合比，如表1 所示。

表1 試驗配合比

1.2 試驗方法

設置墻體耐候性熱雨試驗系統每8h 為一個循環，先升溫到60℃維持3h 再持續噴室溫海水1h，然后溫降至室溫靜置4h。該熱雨試驗儀器共有2排24 個噴頭，每個噴頭都能連續噴灑室溫海水，噴灑直徑可以達到2m 以上，將所有試件錯開排列并確保都能被噴淋到。

參照《水工混凝土耐久性技術規范》、《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》中推薦的方法，采用DTL-300 型電通量測定儀和NJ-RCM-16 型氯離子擴散系數測定儀測試混凝土的電通量及擴散系數。根據以下流程測試鋼筋腐蝕電位：先按照試驗配合比（表1）配制混凝土試件，然后控制鋼筋保護層厚度20mm，即在混凝土兩個邊緣約20mm 處插入已打磨光亮的鋼筋。標養至設定齡期后用沖擊鉆鑿出鋼筋至尾端外露20～30mm，將ZBL-C310A型鋼筋銹蝕檢測儀的兩極分別夾裝在鋼筋上及滿飽和硫酸銅溶液中，接觸2s 待度數穩定后記錄數據，鋼筋電位取4 個點的平均值。

2 試驗分析

2.1 抗壓強度試驗

先將成型后的水工混凝土標養28d 測定抗壓強度，然后分組放入熱雨試驗系統循環60 次(20d)和海水池中浸泡60d，測定不同試驗條件下的強度如圖1 所示。

圖1 抗壓強度試驗值

由圖1 可知，水工混凝土涂抹與未涂抹滲透結晶材料(CRM)的各齡期抗壓強度相差不大，混凝土試件經60 次熱雨循環后強度較高，海水浸泡60d后C30 混凝土強度略有上升，但仍低于60 次熱雨循環后的試件，這是因為熱雨循環在一定程度上發揮著蒸養作用，可以加快強度的增長；海水浸泡60d 相較于標養28d 時，C50 混凝土抗壓強度略低。標養28h 后C30 混凝土海水浸泡60d 后的強度略有提升，而C50 混凝土海水浸泡60d 后的強度略低于28d，究其原因可能與海水中的有害離子侵蝕有關，仍需進一步研究?？傮w而言，水工混凝土強度受滲透結晶材料(CRM)的影響較低。

2.2 滲透性能試驗

1）擴散系數分析。先將成型后的水工混凝土標養28d 測定擴散系數，然后分組放入熱雨試驗系統循環60 次(20d)和海水池中浸泡60d，利用NJRCM-16 型測定儀測試不同試驗條件下的擴散系數如圖2 所示。

圖2 擴散系數測試值

由圖2 可知，C30 明顯高于C50 混凝土的擴散系數，強度等級相同時，經60 次熱雨循環后的混凝土擴散系數最高，其次是28d 齡期和海水浸泡60d 后的混凝土試件。標養28d 時，未涂抹高于涂抹滲透結晶材料(CRM)混凝土的擴散系數，而熱雨循環或海水浸泡后未涂抹小于涂抹滲透結晶材料(CRM)混凝土的擴散系數。因此，水工混凝土強度與擴散系數密切相關，密實度越低則擴散系數越大，強度也越高。海水浸泡60d 后C30 未涂抹滲透結晶材料(CRM)的強度和密實度略有提升，所以擴散系數減小；水工混凝土經60 次熱雨循環后的密實度和強度較高，擴散系數達到最大，究其原因是海水中的氯離子在雨熱循環試驗過程中向混凝土中滲入，從而導致氯離子擴散深度及電通量較高，擴散系數增大；水工混凝土涂抹滲透結晶材料(CRM)后，擴散系數依然增大是因為滲透結晶材料表面粗糙易截留海水中的氯鹽，氯鹽會隨著滲透結晶材料的有效組分向內部不斷滲透，從而增大了擴散系數。

海水浸泡條件下，水工混凝土擴散系數受氯離子滲入的影響較低，而熱雨循環會明顯提高氯離子擴散系數，說明氯離子更容易擴散的熱雨循環更符合水工混凝土使用環境，即熱雨循環降低混凝土耐久性的程度高于單純海水浸泡。

2）電通量分析。先將成型后的水工混凝土標養28d 測定其電通量，然后分組放入熱雨試驗系統循環60 次(20d)和海水池中浸泡60d，利用DTL-300 型測定儀測試不同試驗條件下的電通量如圖3所示。

圖3 電通量測試值

結果表明，C30 明顯高于C50 混凝土的電通量，這與抗壓強度越高、密實度越好則電通量越小的變化規律相符；28d 齡期混凝土試件，其涂抹略低于未涂抹滲透結晶材料(CRM)的電通量；海水熱雨循環及海水浸泡混凝土試件，其涂抹略整體高于未涂抹滲透結晶材料(CRM)的電通量，尤其是雨熱循環條件下的增幅明顯。因此，在滲透結晶材料上氯離子的滲入和富集作用將明顯提高電通量，而熱雨循環對氯離子的滲入和富集作用更加明顯，相較于海水浸泡相差更加明顯。

2.3 鋼筋腐蝕電位

先將成型后的水工混凝土標養28d 測定鋼筋腐蝕電位，然后分組放入熱雨試驗系統循環60 次(20d)和海水池中浸泡60d，按照文中所述方法測試不同試驗條件下的鋼筋腐蝕電位，并仔細觀察鋼筋表面腐蝕情況，如圖4 所示。

圖4 鋼筋腐蝕電位測試值

結果顯示，涂抹條件相同時，C30 略小于C50混凝土的鋼筋腐蝕電位，對于28d 齡期試塊涂抹滲透結晶材料(CRM)的鋼筋電位稍高，海水浸泡60d后涂抹滲透結晶材料(CRM)的鋼筋電位明顯下降，經60 次雨熱循環后涂抹滲透結晶材料(CRM)的鋼筋電位降幅更高，這符合氯離子擴散系數變化規律，氯離子的深入使得鋼筋腐蝕電位減小而銹蝕幾率增大；28d 齡期的鋼筋電位處于-96～-135mV 之間，鋼筋表面無明顯銹蝕，鈍化膜完好；60 次熱雨循環明顯降低了鋼筋腐蝕電位，特別是C30 混凝土降幅較高，腐蝕電位減小到-275mV，鋼筋表面有少量點蝕，鈍化膜有所破壞，其它組未發現明顯銹蝕?？傮w而言，在海水環境下摻入滲透結晶材料(CRM)，對水工混凝土耐久性將產生較大影響[11-13]。

3 結 論

文章采用墻體耐候性熱雨試驗箱，使用海水對比研究不同配合比水工混凝土鋼筋腐蝕電位、電通量、擴散系數和抗壓強度變化特征，主要結論如下：

1）水工混凝土抗壓強度與滲透性能密切相關，抗壓強度越大則抗滲性越好。相較于單純海水浸泡，海水熱雨循環更有利于促使氯離子向混凝土中的滲透，使實際混凝土電通量和擴散系數測試結果與試驗結果存在一定差異。

2）水工混凝土抗壓強度受滲透結晶材料的影響較低，但海水浸泡條件下滲透結晶材料的涂抹有利于氯離子的滲入與富集，使得鋼筋腐蝕電位減小以及擴散系數的提高，對水工混凝土耐久性產生較大影響，并且干濕交替作用下的影響更加明顯。