水工混凝土抗環境水侵蝕實驗系統的研制

許雅欣，楊華山

（武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072）

水工混凝土是水利水電工程施工的主要材料，若水工建筑物處于具有侵蝕性的靜水或流動水等環境條件下，則其耐久性問題會變得十分突出。近年來，國內外對水工混凝土的侵蝕問題逐漸重視，法國P.Faucon、F.Adenot等［1-3］對混凝土結構物的混凝土強度和孔隙率等指標的影響作了大量研究，對混凝土受軟水侵蝕的物理化學機理作了較詳細的論述，特別是對混凝土結構物與軟水接觸過程中的溶蝕過程作了定量研究，取得了較多成果。然而，國內至今沒有一套標準化的混凝土抗溶出性侵蝕試驗方法及評價混凝土抗溶出性侵蝕性能的指標［4］。對此，研制了一種水工混凝土抗環境水侵蝕實驗系統。

1 水工混凝土抗環境水侵蝕實驗系統

1.1 環境水對水工混凝土的侵蝕

環境水對水工混凝土的侵蝕作用主要分為溶出性侵蝕（軟水侵蝕）、碳酸性侵蝕、一般酸性侵蝕和復合環境水的侵蝕等［5］。

1.1.1 軟水

軟水侵蝕一般表現為Ca的流失。當混凝土處于軟水中時，混凝土中的氫氧化鈣將首先被溶解，直至溶液中的氫氧化鈣濃度達到極限濃度才能停止。而當混凝土處于流動水體中時，溶解的氫氧化鈣被水沖走，將難以達到極限石灰濃度，特別是當混凝土不夠密實或有裂隙時，在壓力水作用下，水滲入混凝土內部，將氫氧化鈣溶解并滲濾出來，混凝土結構破壞更為嚴重。

1.1.2 碳酸性

雨水、某些地下水中常含有一些游離的二氧化碳，其含量過多時，將對混凝土起破壞作用。這是因為混凝土中的氫氧化鈣能與二氧化碳起化學反應，生成的碳酸鈣會進一步與二氧化碳反應生成易溶于水的碳酸氫鈣。如果混凝土是在有滲濾的壓力水作用下，生成的碳酸氫鈣將被水帶走，上述反應將難以達到平衡，氫氧化鈣不斷流失，使混凝土中石灰濃度逐漸減低，混凝土結構遭到破壞。

1.1.3 一般酸性

某些地下水或工業廢水中常含有游離的酸類。這些酸類能與水泥石中的氫氧化鈣起作用，生成相應的鈣鹽。所生成的鈣鹽或易溶于水，或在水泥石孔隙內結晶膨脹，破壞水泥石結構。

1.1.4 復合環境水

在實際工程中，環境水對水泥石的腐蝕常常是幾種侵蝕介質同時存在并共同作用的。如軟水和碳酸性水共同侵蝕作用時，混凝土中的氫氧化鈣受軟水侵蝕溶解后，即與游離的CO2起反應，生成碳酸氫鈣，大大加速了氫氧化鈣的反應速率，縮短水泥石的破壞時間。

1.2 系統設計

過水系統控制侵蝕介質的流量以保證其循環流動，將翼墻進口設置為圓弧形，以減少水頭損失，增大有效水頭，構件中溢水板的形狀與同樣條件下薄壁堰自由出流水面下緣的形狀相吻合，保證水頭高度，維持過流能力，防止形成空蝕破壞和水舌顫動，保證出槽水流穩定性。

試驗系統中采用pH傳感器測量侵蝕介質的pH值隨侵蝕歷時的變化。相同侵蝕條件下，侵蝕溶液中所測pH值越低，說明混凝土試件抗環境水侵蝕能力越強。

試驗系統中采用電導率傳感器測量侵蝕介質的電導率值隨侵蝕歷時的變化。相同侵蝕條件下，環境水侵蝕溶液中所測電導率越低，說明混凝土試件抗環境水侵蝕能力越強。

1.3 實驗系統的組成

1.3.1 過水

過水系統主要由水泵、進水管道、水箱、上流進水閥、上流出水閥、流量控制水槽等組成，如圖1。流量控制水槽分為上流寬水槽與下流窄水槽。水泵將水流從水箱抽至上流寬水槽中，水流溢過擋水板，經過曲線形溢流面和圓弧型的翼墻進口，流出流量控制下流窄水槽，最終從窄水槽尾部進入水箱從而達到水循環。

圖1 過水系統總體視圖

1.3.2 電子測量

電子測量系統主要由Arduino UNO兼容板、38kHz紅外接收管、I2C LCD1602液晶顯示屏、電導率模塊、pH電極模塊、溫度傳感器模塊等組成。電導率模塊為DJS-1型模塊，由DFROBOT公司生產。該模塊特點為：測量精度小于±10%F.S.（具體精度取決于校準精度）。溫度傳感器模塊為DS18B20模塊，由DFROBOT該模塊特點為：傳感器為數字式，信號穩定，同時一個信號線上能夠同時支持多個DS18B20溫度探頭，如圖2。

圖2 電子測量系統原理詳圖

1.3.3 軟件

自主研發的軟件系統主要由上位機程序和下位機程序組成。

pH電極和電導率電極采集信息，經由pH模塊和電導率模塊處理模擬信號傳給Arduino，Arduino內部的A/D采集模擬信號，經過校正公式算出pH值和電導率的值，將數據通過串口傳給電腦。同時上位機程序記錄數據存儲到數據庫。繪制出pH和電導率隨時間變化的曲線，如圖3。

圖3 測量電路工作流程

2 實例

2.1 原材料與實驗方法

分別采用W/C為0.4和0.5的水泥凈漿（試件尺寸160mm×40mm×10mm，養護齡期為28d）模擬水工混凝土表面，去離子水（Soft water，SW）模擬侵蝕介質，以自來水（Tap water，TW）作為基準侵蝕介質。

水箱中裝入侵蝕溶液（去離子水），混凝土試樣放入窄水槽，開啟水泵，水流進入過水系統，被抽至上流寬水槽，溢過擋水板，依次經過曲線型溢流面和圓弧型翼墻進口，進入窄水槽，最終從窄水槽尾部再次進入水箱使侵蝕介質不斷循環。電子測量系統連接至計算機，運行上位機程序。液晶顯示屏亮，插入溫度傳感器，按遙控器上“OK”按鈕依次進行電導率電極校正和pH電極校正。將校正后的電極放置到預測量位置，上位機程序自動記錄測量數據，并把數據以excel表格形式發送至計算機。

2.2 結果與討論

圖4 ΔpH與侵蝕齡期的關系

圖5 ΔDD與侵蝕齡期的關系

圖4和圖5分別為△pH與侵蝕齡期的關系和△DD與侵蝕齡期的關系，可以看出試樣TW W/C=0.4的△pH和△DD在試樣周期內都保持相對穩定，說明自來水不具有侵蝕性。相同侵蝕齡期，試樣SW W/C=0.4和SW W/C=0.5的△pH和△DD均明顯大于試樣TW W/C=0.4，且試樣水灰比越大，△pH和△DD越大。這說明降低混凝土水灰比能夠提高其抗環境水侵蝕性能［6］。

3 結語

（1）水工混凝土抗環境水侵蝕實驗系統可以模擬不同環境水對混凝土進行侵蝕試驗，系統適用范圍廣。

（2）水工混凝土抗環境水侵蝕實驗系統可用于擋水建筑、輸水道、溝渠等混凝土的耐久性評價，其試驗結果也可為受環境水侵蝕的混凝土配合比設計提供依據。

［1］Ghabezloo S.Association of macroscopic laboratory testing and micromechanics modelling for the evaluation of the poroelastic parameters of a hardened cement paste［J］.Cement and Concrete research， 2010， 40（8）： 1197-1210.

［2］Faucon P， Adenot F， Jacquinot J F， et al.Long-term behaviour of cement pastes used for nuclear waste disposal：review of physico-chemical mechanisms of water degradation［J］.Cement and Concrete Research， 1998， 28（6）： 847-857.

［3］Carde C， Francois R.Modelling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes［J］.Cement and Concrete Composites， 1999， 21（3）： 181-188.

［4］劉冬梅，方坤河，阮燕.水工混凝土抗軟水接觸性溶蝕試驗研究［J］.混凝土，2006（8）：5-7.

［5］李亞杰，方坤河.建筑材料（第6版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［6］李新宇，方坤河.水工碾壓混凝土接觸溶蝕特性研究［J］.混凝土，2002（12）：12-17.