水閘混凝土鹽凍破壞的主要影響因素分析

董建忠

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局信息中心，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

混凝土鹽凍破壞是寒冷氣候條件下水閘混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一[1-2]，可能會導(dǎo)致內(nèi)部或外部損壞。抗鹽凍性取決于凍融循環(huán)的數(shù)量和頻率以及最低溫度、鹽濃度、混凝土成分、初始養(yǎng)護(hù)和齡期[3-4]。

可以采用不同的試驗方法，例如板試驗或毛細(xì)吸鹽凍融(CDF)試驗來證明不同混凝土成分的抗凍融除鹽性能[5]。近年來，人們對這些方法與野外暴露的相關(guān)性進(jìn)行了深入研究。根據(jù)不同作者的說法，大多數(shù)現(xiàn)有的測試方法都過于嚴(yán)格，它們不能用來評價混凝土的使用性能。因此，基于全概率方法的工程模型將具有顯著的優(yōu)勢。對不同混凝土成分、不同齡期的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測是一種更生態(tài)、更經(jīng)濟(jì)的方法[6]。

因此，采用一種能夠預(yù)測在凍融除冰鹽侵蝕條件下混凝土結(jié)構(gòu)壽命的模型，全面考慮了包括中間干燥期在內(nèi)的所有相關(guān)參數(shù)。針對2種混凝土材料，研究了在標(biāo)準(zhǔn)和實際鹽凍破壞條件下，不同參數(shù)對其性能的影響。

1 材料與方法

1.1 凍融除冰鹽侵蝕使用壽命預(yù)測

混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)設(shè)計要求生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化。因此，作為評估長期環(huán)境影響和優(yōu)化維護(hù)管理的必要工具，使用壽命預(yù)測變得越來越重要[7]。在耐久性方面，在鹽凍破壞下混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命預(yù)測方面還需要進(jìn)一步的研究。

凍融除冰鹽誘導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)在自由風(fēng)化條件下剝蝕的過程如圖1所示。

圖1 水閘混凝土結(jié)構(gòu)在室外風(fēng)化條件(包括凍融鹽害)下的鹽垢進(jìn)展圖

剝落的過程可以用方程1來描述：

s(n)=neff·rs

(1)

式中，neff—一個冬季期間的凍融循環(huán)的總數(shù)減去對凍融破壞無效的凍融循環(huán)的數(shù)量(nini)；rs—特定混凝土組合物每次凍融循環(huán)的剝落率。

為了量化nini和rs的輸入?yún)?shù)，不同的混凝土成分暴露于實驗室性能測試的標(biāo)準(zhǔn)化凍融循環(huán)中。使用了一種改良的CDF檢驗方法，并根據(jù)凍融荷載的不同，確定了每2次凍融循環(huán)中對破壞無影響的剝落量。實驗表明，將最低溫度從-20℃提高到-10℃，可使不摻氣劑的混凝土平均減少50%的剝落。因此，將每個混凝土樣本在最低溫度為-10℃下每2次凍融循環(huán)剝落量≤18g/m2(每28次凍融循環(huán)剝落量≤252g/m2)定義為“未損傷”混凝土。

1.2 混凝土成分

為了研究最低溫度、鹽和水分含量的影響，選擇了2種具有廣泛耐久性的混凝土。混凝土組成及其抗凍融耐鹽性見表1。

圖3是平方倍頻法(門限系數(shù)α=0.1)、能量檢測法和文獻(xiàn)[7]方法對機(jī)密信號的盲檢測概率的仿真情況，圖中能量檢測法在有大信號存在的情況下基本失效，文獻(xiàn)[7]方法本質(zhì)上有一個強(qiáng)干擾抵消的過程，所以對機(jī)密信號盲檢測效果最好，但是當(dāng)Ps/Pw大于16dB時，卻不能檢測到機(jī)密信號.因此，10lg(η0)=16dB是一個可靠的參數(shù)，因此前文的功率參數(shù)設(shè)計方案在滿足Ps/Pw≥16dB時，可以保證機(jī)密信號的抗盲檢測能力.

表1 混凝土的組成、空隙含量、抗壓強(qiáng)度和等級

1.3 樣品制備及實驗

澆鑄立方體(邊緣長度為150mm)后，樣品在1d后脫模。之后，標(biāo)本在20℃的水中保存34d。在35d時，將標(biāo)本鋸成所需尺寸(70×110×150mm3)。在20℃/65%(濕度)條件下干燥保存21d后，將標(biāo)本的側(cè)面密封。將標(biāo)本放置在3%NaCl溶液的容器中。然后給予7d的時間通過毛細(xì)管吸力吸收溶液。為了減少早期水化的影響，凍融暴露在63d齡時開始。

不同的實驗儲存系列，有或沒有中間干燥期，以及不同的最低溫度，如圖2所示。

圖2 實驗程序

混凝土試樣中氯離子含量用化學(xué)滴定法測定。鉆孔粉塵從混凝土表面取3個深度為1～5mm不同點。利用工作頻率為13.49MHz的移動核磁共振儀(ACT)通過1H T2弛豫時間間接測量近地表區(qū)域的水分運(yùn)動。測量使用CPMG脈沖序列進(jìn)行256次掃描和128次回波。硫酸銅校準(zhǔn)弛豫光譜含水量，減少測量時間。使用LabView程序MathScript和Diadem進(jìn)行數(shù)據(jù)評估。根據(jù)混凝土的抗凍融耐鹽性，在12mm或3～4mm深度測量了結(jié)果。采用AutoPore III壓汞孔法(MIP)測量孔徑分布，免除粗粒。

2 結(jié)果與討論

在建立凍融侵蝕工程模型的背景下，研究了最低溫度、鹽、水分和氯化物含量對凍融侵蝕的影響。因此，根據(jù)其對初始階段nini和后續(xù)剝落率rs的影響來評價結(jié)果，如圖1所示。

2.1 抗凍融除鹽性能低的混凝土

在-20℃的最低溫度下，對混凝土“0.60/nAE”在有無中間干燥期的冷凍融凍暴露過程中，橫截面上的剝落率、氯化物含量(近表面1～5mm區(qū)域的平均值)和水分吸收(近表面3～4mm區(qū)域的平均值)的比較情況，如圖3所示。

圖3 (a)2批不同系列混凝土的平均剝落率；(b)距離表面1～5mm處的氯化物含量(平均值)；(c)鹽凍病害期間每2次凍融循環(huán)的線性縮放；(d)凍融暴露期間靠近表面區(qū)域1～2mm處的水分吸收(平均值)

如圖3a所示，混凝土在連續(xù)暴露無干燥期后，剝落率呈上升趨勢。經(jīng)過21次凍融循環(huán)后，總剝落量幾乎達(dá)到5000g/m2，而8次凍融循環(huán)干燥7d后，總剝落的中位數(shù)約為3000g/m2。中間干燥期可減少約40%的后續(xù)剝落。經(jīng)過中間干燥期后，近地表區(qū)域的氯化物含量增加(圖3b)。1次凍融循環(huán)后的水泥氯化物含量最高，為2.48%(重量比)。然而，在最低溫度為-20℃的凍融暴露下，出現(xiàn)了硬攻擊導(dǎo)致混凝土樣本幾乎沒有初始剝落。干燥7d后，2次凍融循環(huán)后的剝落率為173g/m2d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于先前定義的無損剝落量35g/m2d(圖3c)。并且，水分在隨后的2次凍融循環(huán)內(nèi)被不斷吸收(圖3d)。如圖3c所示干燥7d后的剝落率比-20℃條件下凍融循環(huán)后的混凝土低65%。

對單側(cè)1H NMR分析T2衰變以確定體積水(主要在毛細(xì)管孔隙系統(tǒng)中)和物理結(jié)合水(主要在凝膠孔隙系統(tǒng)中)分布，如圖4a所示。從圖4b發(fā)現(xiàn)連續(xù)暴露混凝土試件吸水，觀察到散裝水向物理結(jié)合水的再分配。8次凍融循環(huán)后，物理結(jié)合水減少表示裂縫形成，用MIP測量證實。凍融暴露后未經(jīng)中間干燥，孔隙結(jié)構(gòu)粗化，總孔隙體積測量提高。

圖4 (a)凍融試驗中近表面3～4mm深度處兩種混凝土物理結(jié)合水和重力水的定性進(jìn)展；(b)連續(xù)凍融荷載和中間干燥期凍融荷載作用下凍融暴露前后孔隙分布(毛細(xì)孔區(qū)域高亮顯示為灰色)

在凍融循環(huán)和干燥后，樣品在隨后的2次凍融循環(huán)中的吸水率達(dá)到最大。干燥處理后，初始吸水率略有下降。經(jīng)過額外的6次凍融循環(huán)，裂縫開始顯現(xiàn)。試驗結(jié)束時，近地表混凝土的孔隙系統(tǒng)測量值分布范圍更廣，表明毛細(xì)管孔的數(shù)量增加，而半徑小于10nm的孔洞增加最為顯著。干燥過程對后續(xù)剝落率產(chǎn)生積極影響的原因可能源于孔隙系統(tǒng)的變化。隨著試樣內(nèi)部氯化物含量的增加，剝落現(xiàn)象逐漸減弱，這是因為水分蒸發(fā)和氯化物通過“背馱式”運(yùn)輸至近表面混凝土，導(dǎo)致干燥后近表面區(qū)域的鹽濃度增加。另外，還可能由于水泥基體中氯化物的吸收、結(jié)晶和反應(yīng)，孔隙被堵塞，氯化物的積累導(dǎo)致孔隙溶液冰點降低，從而減少剝落。

中間干燥期對剝落率的影響如圖5a所示。經(jīng)過中間干燥期后，剝落率減少約25%，氯化物含量無顯著差異(圖5b)。此外，根據(jù)圖4c中初始階段的定義對結(jié)果進(jìn)行了評估。初始階段定義為混凝土試件在首次凍融暴露前處于預(yù)飽和狀態(tài)。干燥期后，7d可觀察到4次凍融循環(huán)的初始階段，6次凍融循環(huán)后剝落率達(dá)到18g/m2以上的水平。單面核磁共振測量證實了潛在損壞率。干燥期后，僅在4次凍融循環(huán)后，達(dá)到了臨界飽和程度(圖5d)，并發(fā)生破壞(圖5c)。后續(xù)的凍融循環(huán)只會導(dǎo)致外區(qū)含水量的少量增加(圖5d)，剝落率恒定(圖5c)。

圖5 (a)(0.60/nAE/-10/無干燥)和(0.60/nAE/10/7d干燥期)兩批不同系列的平均剝落率；(b)距離表面1～5mm處的氯化物含量(平均值)；(c)鹽凍病害期間每2次凍融循環(huán)的線性縮放；(d)凍融暴露期間靠近表面區(qū)域1～2mm處的水分吸收(平均值)

結(jié)果表明，低溫和干燥期對于抗凍融耐鹽性混凝土初始階段的nini和劣化階段的剝落量有著顯著的影響。對于在凍融除冰鹽侵蝕下的夏季和冬季干燥的混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)使用壽命設(shè)計具有關(guān)鍵性意義。然而，目前的預(yù)測壽命并未考慮到干燥期和不同的野外最低溫度的影響。在后續(xù)的14次凍融循環(huán)中，連續(xù)系列的剝落率并未達(dá)到，但在-20℃干燥后，連續(xù)系列的剝落率在-10℃干燥后達(dá)到了12次凍融循環(huán)。對于水膠比為0.60且無夾帶空氣的混凝土，在-10℃下，單次干燥7d，其剝落率從289g/m2d減少到17g/m2d(圖5c)。

2.2 抗凍融除鹽性能高的混凝土

已知夾帶空氣和低水膠比的混凝土在實驗室中表現(xiàn)出較小的剝落率和優(yōu)異的現(xiàn)場性能。因此，結(jié)果僅適用于-20℃(嚴(yán)寒攻擊)的研究。凍融暴露時(0.50/AE/-20/7d干燥期)和非中間干燥期(0.50/AE/-20/無干燥)的剝落率、水分和氯化物含量如圖6所示。

圖6 (a)兩個系列混凝土的平均剝落率；(b)氯化物含量(近地表上1～5mm的平均值)；(c)鹽凍破壞期間每2次凍融循環(huán)的剝落率；(d)有無中間干燥期凍融暴露期間的水分含量(近地表上部1～2mm的平均值)

連續(xù)曝光序列的標(biāo)度率幾乎是線性的。21次凍融循環(huán)后的總剝落量為190g/m2，非常低。然而，剝落率和總累積剝落均有積極影響(圖6a)。凍融干燥期后剝落率降低約20%，氯化物含量增加約10%(圖6b)。盡管混凝土的抗凍融耐鹽性較低，但凍融荷載增加，氯化物含量也隨之增加。對于連續(xù)暴露于含除冰鹽的凍融循環(huán)的系列，凍融循環(huán)8次后氯化物含量最高。而凍融暴露中斷的系列，則確定了氯化物進(jìn)一步的增加。

每2次凍融循環(huán)后，0.50/AE混凝土系列的剝落率至少包含21次凍融循環(huán)(圖6c)。干燥后，剝落率進(jìn)一步降低。然而，對于抗凍融耐鹽性非常好的混凝土，初始含水率對nini沒有可量化的影響。對于無干燥，僅在凍融荷載期間測量了較小的吸收率。對于有干燥期，在干燥后的第一次凍融循環(huán)內(nèi)吸水率最高。

為研究中間干燥期對剝落率的影響，進(jìn)行單側(cè)1H NMR研究。觀察到在毛細(xì)吸力和凍融暴露過程中試樣吸收物理結(jié)合水和重力水。20次凍融循環(huán)后，物理結(jié)合水減少，體積水增加，表明裂縫形成。干燥7d后，水分含量隨著凍融循環(huán)增加。干燥前的散裝含水量在干燥后的13個凍融循環(huán)內(nèi)未達(dá)到，并且水分再分配到凝膠孔。如圖7(a)所示。

圖7 (a)凍融試驗中近表面1～2mm深度處兩種混凝土物理結(jié)合水和重力水的定性進(jìn)展；(b)連續(xù)凍融荷載和中間干燥期凍融荷載作用下凍融暴露前后孔隙分布(毛細(xì)孔區(qū)域高亮顯示為灰色)

結(jié)果再次得到MIP的證實。連續(xù)的凍融荷載導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變粗。相反，中間干燥條件下的孔隙結(jié)構(gòu)從粗孔變細(xì)孔。凝膠孔的增加可能歸因于鹽的結(jié)晶阻塞了表面毛細(xì)孔。例如，混凝土干燥后，毛細(xì)孔的吸濕量減少，物理結(jié)合水比例增加。干燥后，近表面混凝土中氯離子濃度提高。凍融和中間干燥后，孔隙體積可能變小或增大。然而，干燥的積極作用需要進(jìn)一步研究。除中間干燥期外，最低溫度、水分含量均對損傷演化有顯著影響。如圖7(b)所示。

3 結(jié)語

研究揭示了混凝土在鹽凍條件下抵抗破壞的關(guān)鍵因素。混凝土初始含水率對其抗鹽凍能力有顯著影響，降低含水率可以延緩破壞過程。中間干燥期的增長減緩了破壞的發(fā)展，歸因于離子結(jié)晶和反應(yīng)改變了孔隙結(jié)構(gòu)。最低溫度從-20℃提高到-10℃，可顯著降低混凝土剝落量，延長破壞的初始階段。高內(nèi)部鹽濃度也有助于減緩破壞過程。然而，為精確控制和管理鹽凍破壞，需更深入研究這些影響參數(shù)，并將它們納入設(shè)計模型中。此外，混凝土抵抗鹽凍破壞能力的提升還需進(jìn)一步研究。