凍融循環及鹽侵蝕復合作用下渠道混凝土耐久性試驗研究

卜祥新

（喀什地區水利水電勘測設計院，新疆 喀什 844000）

我國新疆寒區各大灌區建造有大量的混凝土渠道，混凝土的耐久性直接影響渠道的使用壽命和經濟效益。對混凝土渠道使用壽命影響最大的因素主要包括凍融循環、抗凍性、抗鹽性[1]。我國新疆地區冬季時間較長，一般長達四個月之久，因此對混凝土的抗凍性提出了更高的要求。目前國內針對混凝土的耐久性方面開展了許多研究，崔正龍等[2]對比了再生混凝土與普通混凝土在標準養護及高溫蒸壓養護時的耐久性能；李慶文等[3]研究了凍融和碳化交替作用下煤矸石混凝土的耐久性及質量、動彈性模量等特性；趙長勇等[4]在北方高寒地區利用加入凍融實驗研究了凍融循環及摻入氯鹽溶液的混凝土的耐久性能；宿曉萍等[5]研究了復合鹽及干濕交替環境會混凝土耐久性能的影響；羅單琦等[6]研究了不同溫度作用下混凝土的抗壓強度變化及耐久性能。

以上研究均為討論單一因素作用下混凝土的力學及耐久性能，對復合因素影響及工程運行過程中的破壞因素統計的研究較少。為了解我國寒冷地區混凝土渠道的耐久性衰減原因，以紅海水庫庫外渠為研究區，對采用混凝土進行防滲可能產生的破壞原因進行現場調查；采集渠道沿線所在地的水樣及土樣分析其化學組成及自然受損原因，并采用室內凍融加速試驗；研究凍融循環及鹽離子侵蝕復合作用下渠道混凝土材料的耐久性衰減損傷過程變化。

1 試驗材料及方法

試驗用的水泥選用普通硅酸鹽水泥，標號為P.O42.5。粗骨料選用粒徑為5 mm～25 mm連續級配的碎石骨料。細骨料選用河砂。混凝土拌合用水采用自來水，PH值為6.8。粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰。引氣劑采用SJ-3型高效引氣劑。硫化鈉與氯化鈉溶液采用無水化學品配置。本試驗根據水膠比（W）、粉煤灰(F)及引氣劑(Y)配比的不同，將試驗分為7組，分別為：O1(W=0.45 kg/m3、F=78 kg/m3、Y=77.5 g/m3)、O2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、O3(W=0.55 kg/m3、F=64 kg/m3、Y=63.1 g/m3)、P1(W=0.5 kg/m3、F=35 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、P2(W=0.5 kg/m3、F=105 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、Q1(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=34.7 g/m3)、Q2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=103.5 g/m3)。

采用3種侵蝕溶液，分別為3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4、5%Na2SO4溶液，并設置清水作為對照組。每組試驗采用尺寸相同的3塊混凝土試件進行重復試驗，混凝土試件的規格為100 mm×100 mm×400 mm。首先將試件放置在20℃左右的室內靜止24 h，隨后將其放入標準養護室（溫度為20℃，相對濕度＞95%），試件間隔2 cm。試件的抗凍耐久性能采用快凍法。用于凍融實驗的試件從標準養護室取出后放入清水及鹽溶液中浸泡4 h，此時試件達到28 h養護。測定其質量，對試件表明的損傷情況進行檢查，然后將其放入快速凍融試驗機進行凍融試驗，中心最高融化溫度控制在3℃，循環200次，每隔25次測量混凝土試件的質量，試驗結束后計算其質量損失率及平均質量損失率。

2 混凝土渠道侵蝕情況

在進行試驗前，需了解引起混凝土破壞的主要侵蝕介質，對南疆巴楚縣紅海水庫庫外渠進行了實地調查，發現灌區回水中含有大量的鹽離子，在凍融循環作用下，其可以持續入侵混凝土材料對其造成持久性侵蝕，進而導致混凝土發生表面剝落，由外向內，混凝土表明泛白，對混凝土結構的耐久性造成了嚴重影響。

在渠道沿線進行5組地下水水樣檢測，檢測結果表明，其水樣pH值在7.7～8.1之間，差別不大，紅海水庫庫外渠引水口處的硫酸根濃度較低為613 mg/L，其他位置的濃度較高為2 617mg/L～5711mg/L，均大于2000mg/L。紅海水庫引水口處的氯離子濃度較低為27.6mg/L，其他位置的濃度較高為1671mg/L～3871mg/L，碳酸氫根、鈣離子、鎂離子的濃度較低，其均值為317 mg/L，可以推斷出紅海水庫庫外渠混凝土建筑物受侵蝕的鹽離子主要為硫酸根離子和氯離子。在對水樣檢測的同時本文分別對上述位置渠道處的土樣進行了檢測，結果表明：除引水口附近土壤各離子濃度較低外，其他位置的含鹽量均較高，含鹽量達到58796 mg/kg，其硫酸根及氯離子含量分別為3391 mg/kg、16932 mg/kg。由于渠道蒸發量極大，導致土壤鹽濃度增加，同時在灌區上水后，受灌溉回歸水的沖刷作用，將土壤中的鹽離子帶入地下水中，導致地下水含鹽量增加，當地下水位上升后，又補充了土壤中的含鹽量，導致鹽離子濃度減少緩慢，對混凝土渠道造成了永久性破壞。

綜合以上分析結果，本文主要討論硫酸根及氯離子組成的單鹽及復合鹽對南疆巴楚縣紅海水庫庫外混凝土渠道造成的耐久性影響。

3 結果分析

3.1 水膠比對混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

選擇O1、O2、O3三組混凝土試件，研究不同水膠比的混凝土試件在清水、3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4.5%Na2SO4溶液中浸泡并經凍融循環后對混凝土耐久性的影響，采用質量損失率反映試件的耐久性變化，試驗結果見圖1。結果表明：試件的質量隨凍融循環次數的增加，其損失率逐漸變大，水膠比較大的混凝土試件質量損失率大于水膠比較小的試件。在清水中，混凝土試件的耐久性較大，凍融循環達到200次時，混凝土試件依然具有很好的強度。在鹽溶液中，水膠比為0.55的試件最先破壞，其遭受破壞的凍融循環次數分別為150、150、125，水膠比為0.5的試件次之，說明鹽溶液侵蝕后的混凝土試件，水膠比越大，越容易被損壞，質量損失率也越大。

分析其原因：由于鹽侵蝕后的混凝土試件，導致其質量增加，在凍融循環過程中，增加了其膨脹性及混凝土內部孔隙度，導致其脆弱性增加，表面出現更多的混凝土剝落，所以當混凝土出去鹽侵蝕的環境中時，應盡量選用水膠比較小的混凝土試件。各鹽溶液侵蝕介質中試件的最大質量損失率分別為5.13%、4.65%、6.55%，最大質量損失率出現在符合鹽溶液中，說明復合鹽溶液對混凝土的耐久性危害最大。

圖1 凍融循環作用下不同水膠比混凝土的質量損失率

3.2 粉煤灰量對混凝土抗鹽凍耐久性的影響

中粉煤灰加入量為試件體積的10%、15%、20%，采用等體積替代水泥加入量，試驗對應P1、O2、P3組。試驗結果見圖2，由圖2可知：隨凍融循環次數增加，最初其質量損失率增加較緩慢，侵蝕介質為清水的試件，在凍融次數達到75次以后，質量損失率變為顯著增加，鹽侵蝕介質中的混凝土試件在凍融次數達到50次以后質量損失率變為顯著增加。粉煤灰加入量為20%的混凝土試件在侵蝕介質為NaCl溶液和Na2SO4溶液中凍融循環次數達到175次時發生破壞，而在復合鹽侵蝕介質中達到150次時發生破壞，其質量損失率為6.85%，說明復合鹽溶液對混凝土造成的危害最大。在同種侵蝕介質中隨粉煤灰量的增加，試件的質量損失率逐漸增加。

圖2 凍融循環作用下不同粉煤灰摻量混凝土質量損失率

3.3 引氣劑對混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

引氣劑能改善混凝土內部的孔隙結構，增加其力學性能。本文引氣劑添加量分別為0.05%、0.06%、0.07%，對應的試驗組分別為Q1、O2、Q3。試驗結果見圖3，可以看出在清水中，當凍融循環達到200時，各試件的質量損失率分別為3.41%、2.54%、1.47%。引氣劑加入量較低的混凝土試件質量損失率大于加入量較高的試件，說明適量的增加引氣劑的使用量能夠有效的增加混凝土的耐久性。在復合鹽中混凝土試件達到最大質量損失率為6.79%，引氣劑量的增加能減少鹽溶液侵蝕對試件造成的破壞。

圖3 凍融循環作用下不同引氣劑摻量混凝土質量損失率

3.4 不同侵蝕介質對混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

選擇A2試驗組計算了其在不同侵蝕介質中混凝土試件的質量及質量損失率見圖4，可以看出：凍融循環次數為0～75次時，混凝土試件的質量大小為：復合鹽＞清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液；凍融循環次數為100～200次時，混凝土試件質量及質量損失率的大小為清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液＞復合鹽；說明復合鹽對混凝土試件的破壞最大，侵蝕介質為復合鹽時混凝土試件在凍融循環次數為150次時破壞，發生破壞時其質量及質量損失率分別為8792 g。凍融循環次數達到200次時，清水及單鹽的質量損失率分別為2.57%、4.82%、3.62%。在凍融循環初期混凝土試件受鹽侵蝕影響質量有所增加。在凍融循環為100次時，NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl溶液+Na2SO4溶液的質量損失率分別為1.08%、0.76%、1.74，1.08%+0.76%=1.84%＞1.74%，說明復合鹽的質量損失率不等于單鹽侵蝕介質中混凝土的質量損失率加和。單鹽侵蝕介質中氯鹽對混凝土造成的破壞大于硫酸鹽。

圖4 不同侵蝕介質下混凝土質量變化

圖5 不同侵蝕介質下混凝土質量損失率變化

4 結論

本文以南疆巴楚縣紅海水庫庫外渠道為研究對象，在了解可能造成混凝土渠道損壞原因的同時，研究了凍融循環及復合鹽作用對渠道混凝土耐久性的影響。結果表明：復合鹽對渠道混凝土造成的破壞大于單鹽造成的破壞，引氣劑能很好地提高混凝土的抗鹽凍性及耐久性，其含量越高，混凝土的耐久性越好，但其添加量應控制在合理的范圍內，否則其將導致混凝土內部孔隙率增加，密實度下降。粉煤灰及水膠比不應較大，其值越大，混凝土的耐久性越差。單鹽侵蝕介質對混凝土的影響為氯鹽大于硫酸鹽。復合鹽導致的混凝土質量損失率不等于單鹽簡單的加和。