不同修復材料對混凝土水閘結構劣化的影響

楊 策

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

鋼筋混凝土的耐久性對基礎設施的可持續性至關重要，其中混凝土的劣化將降低鋼筋混凝土水閘結構的耐久性[1-2]，提高耐久性的方法就是對變質混凝土進行修補。然而，這種方法不是一個長期的解決方案，因為應用修復處理后的混凝土在不久后(1-2年)就會再次劣化。眾多學者針對其劣化原因進行了大量的探究，如李珍等[3]學者通過有限元方法對凍融循環作用下水工建筑材料劣化過程及影響規律進行了模擬計算。李雋等[4]學者通過自然浸泡和干濕循環的試驗方法對混凝土在不同濃度氯鹽浸泡中的破壞特征進行了相關研究。吳宇等[5]學者通過非平穩隨機過程模擬對水閘混凝土的老化、劣化過程進行研究。根據前人研究可知，在寒冷地區混凝土的短期再劣化是通過復合劣化發生的：即霜凍損傷和氯離子誘導損傷的相互干擾加劇了混凝土的劣化。當混凝土在有氯離子滲透的情況下遭受凍融作用時，氯離子濃度和滲透壓增大，且由于凍害，混凝土表面可能會發生結垢，使得氯離子很容易通過覆蓋的混凝土到達鋼筋。

本文主要研究在霜凍損傷和氯致損傷的復雜劣化環境中修復材料的性能，對修復材料的含水率和氯離子滲透情況進行分析，從根本上了解混凝土水閘結構短期再劣化的原因。通過單側氯化鈉溶液吸收試驗和凍融試驗，驗證兩種修復材料修復混凝土時其中水離子和氯離子的變化規律。

1 試驗程序

1.1 試驗方案

試驗方案見表1，分別在氯致損傷和復雜劣化環境下測定修復后混凝土的氯離子含量和含水率。其中氯離子含量通過電位滴定法進行測量；含水率通過電極法比電阻測量。至于修復材料，根據前人研究，選擇具有抗凍性和致密結構的修復材料，能有效降低水分子和氯離子的擴散速率。選擇2組修復材料，分別為水泥砂漿和聚合物水泥砂漿，其中水泥砂漿抗凍性相對較低、無抑制氯離子的能力，聚合物水泥砂漿抗凍性高、抑制氯離子滲透效果較好。

表1 試驗方案

1.2 試驗方法

混凝土圓柱形試件尺寸為φ100×200mm，其配合比見表2。將試件在水中和空氣中分別養護兩周，再切割為φ100×100mm的樣品。根據劣化條件和修復材料的不同，設計13種試樣構型。采用6組標本(1組=2個標本)，按規定時間間隔測定氯離子含量，再對剩下試樣的含水率進行測量。試樣用環氧樹脂密封，以抑制除測試表面外其他側面的吸水能力。每個試樣的檢測表面暴露于3.5%氯化鈉溶液中1周，并覆蓋聚乙烯袋保持其含水率。

表2 混凝土配合比

設置2種試驗條件，方案1：氯離子誘導損傷，水溫20℃，相對濕度60%；方案2：復合劣化，-20℃～20℃凍融循環，模擬修復混凝土復合劣化時，水分子和氯離子通過修復材料的傳遞過程。

試樣吸收氯化鈉溶液一周后，應從每個試樣頂部剪去30mm，因為該部分試樣被氯離子腐蝕了。然后使用水灰比(W/C)為0.50的水泥砂漿或聚合物水泥砂漿進行修復，其混合比例見表3—4。再將修復后的試樣暴露在不同劣化環境中4周(方案1和方案2)。

表3 水泥砂漿的配合比

表4 聚合物水泥砂漿的配合比

測量含水率和氯離子含量的試驗流程如圖1所示。主要在標記點(●)處進行測量，分別為劣化前(O)、修復前(1stD)和再次劣化后(1W、2W、3W、4W)連續4周對含水率和氯離子含量進行測量。

圖1 試驗流程

為了研究含水率和氯離子在測試表面通過修復材料和混凝土的轉移路徑，將試樣分為圖2所示的4個部分：0mm(測試表面)～15mm(1F)、15～30mm(2F)、30～45mm(3F)和45～60mm(4F)，并采用電位滴定法測定氯離子含量。由于混凝土、水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的總氯離子含量不同，故所有試件的初始氯離子含量均設為0%。

圖2 處理試樣

試樣中濕度傳感器電極的安裝間隔為15mm，濕度傳感器由兩個平行電極組成，其長度配置如圖3所示：a(電極半徑)

圖3 濕度傳感器配置

為了確定含水率，分別使用熱電偶和電極計測得試樣的溫度和比電阻(ρ)。最后，利用實測值通過式(1)計算含水率。

(1)

式中，M—含水率，%；t—測量溫度，℃；ρ—比電阻，Ω·mm。

2 研究結果

2.1 氯離子含量

將測量的氯離子含量根據劣化環境和修復材料進行分類，在1F-4F階段氯離子含量的變化規律如圖4所示。

圖4 氯離子含量變化規律

修復前(1stD)，方案1中累積的氯離子含量(1F-4F)為1.1kg/m3，方案2中氯離子含量(1F-4F)為6.5kg/m3。修復后再次劣化的第3周(3W)，方案1和方案2中水泥砂漿修復試樣氯離子含量分別為5.0kg/m3和30.0kg/m3，可知方案2中的氯離子含量是方案1中氯離子含量的6倍。說明由于凍害引起的裂縫和結垢導致氯離子含量增加。混凝土中氯離子的濃度與冰晶的生長有關，故孔隙率也應該考慮在內。當方案2的試樣使用聚合物水泥砂漿進行修復后又暴露于復合劣化環境中時，其將因為凍融而發生結垢。

為了評價修復材料抗復合劣化環境的效果，對修復材料水泥砂漿和聚合物水泥砂漿中的氯離子含量進行比較。方案1在修復后再次劣化的第3周(3W)時，水泥砂漿修復試樣的氯離子含量(1F+2F)(5.0kg/m3)高于聚合物水泥砂漿的氯離子含量(2.37kg/m3)，這是因為聚合物水泥砂漿的結構比水泥砂漿的結構要更加致密。因此，試樣中的氯離子轉移時一定程度上受修復材料孔隙率的影響。聚合物水泥砂漿PCM-2F中未檢測到氯離子，是因為聚合物水泥砂漿具有高密度結構，防止了氯離子滲透到混凝土中。在聚合物水泥砂漿PCM的兩種暴露條件下(方案1和方案2)，混凝土部分(3F和4F)中的氯離子含量都增加了。特別是在使用聚合物水泥砂漿PCM的方案1中，3F+4F的氯離子含量從0kg/m3(1stD)增加到9.10kg/m3(3W)。因此，試樣中的氯離子從修復材料移動到混凝土中(3F和4F)。與之相反，水泥砂漿CM-2F-4F中氯離子含量因方案2的高滲透性而增加。

在所有試樣中，氯離子含量從再劣化試驗開始均發生不同程度的增加，但其余試樣在修復后再次劣化的第4周(4W)內氯離子含量發生了下降，除了方案1中的聚合物水泥砂漿PCM。這是由于氯化鈉溶液的存在，預測氯離子含量應隨之增加。但在本文研究中，這一現象并沒有普遍明顯的發生。氯離子的減少與兩個因素有關，首先，在冷凍過程中，由于鈉溶液的凍結，水分無法移動；其次，溶液中氯離子濃度的增加令鈉溶液濃度升高，導致水分向相反方向運動。但這些因素也不足以解釋4W后氯離子含量的降低，應進一步研究發生這一現象的原因。

2.2 含水率

為研究含水率對氯離子轉移的影響規律，應測定試樣的含水率，結果如圖5所示。

圖5 含水率變化規律

方案2中修復材料水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的含水率普遍高于方案1中修復材料的含水率。且方案2中試樣1F的含水率大部分都呈現出逐漸增加的趨勢，這是因為微冰透鏡的形成。形成微冰晶透鏡時將產生約150nm的微尺度冰晶，其主要過程如下：①在凍結過程中，凝膠水和水泥基質在凝膠孔隙中引發凍縮；②凝膠水向冰晶移動；③冰晶中的凝膠水增多，故導致試樣含水率有所增加。

水泥砂漿修復試樣的含水率高于聚合物水泥砂漿修復試樣的含水率，這是因為聚合物水泥砂漿具有高密度結構，防止了水分子向試樣的移動。且方案1中每個試樣的3F由于添加修復材料時已干燥，故其含水率都較低。

將含水率變化過程與氯離子含量變化過程相比較，可知當試樣的含水率增加時，其氯離子含量也在隨之增加。因此，修復材料中的氯離子濃度隨著含水率的轉移而移動。

3 結論

本文通過試驗研究修復后混凝土在氯致損傷和復合劣化(氯致損傷和霜凍損傷)環境下短期再惡化的原因。研究結果表明。

(1)復合劣化環境中氯離子對混凝土的滲透性高于氯致損傷環境。

(2)氯離子在混凝土和修復材料中隨含水率的變化而變化。

(3)聚合物水泥砂漿作為修復材料時，其預防氯離子和水分子轉移的效果優于水泥砂漿。

由于本文重點研究在于不同修復材料處于劣化環境時氯離子含量的變化規律，因此忽略了混凝土初始氯離子含量。但是在原來混凝土中，初始氯離子濃度可能會造成短期的再惡化。因此，今后工作將進一步研究初始混凝土中氯離子含量增加的原因，探究氯離子在水中的擴散速度。