基于凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用的水工混凝土耐久性試驗研究

王 嬌

(營口市水利勘測建筑設計院，遼寧 營口 115000)

針對東北地區的地理位置特點，水工混凝土長期處于硫酸鹽離子侵蝕以及凍融循環的共同作用，對水工混凝土的耐久性和使用壽命都產生不同程度的影響[1]。開展硫酸鹽離子和凍融循環耦合作用下的水工混凝土耐久性試驗對于水工混凝土的配比設計，提高水工混凝土工程的使用壽命具有重要的理論意義和實用價值[2]。國內有許多學者展開混凝土耐久性研究，但是大部分都是針對硫酸鹽離子或者凍融循環單個影響要素進行分析[3- 7]，而對于硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環共同作用下水工混凝土耐久性研究的成果還較少，特別是在東北地區還未進行相關應用，為此本文結合水工試驗[8- 9]，對硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環共同作用下的耐久性能指標進行試驗分析，分析成果對于東北地區水工混凝土耐久性規劃設計具有重要的參考價值。

1 試驗方案設計

1.1 混凝土配比設計

參照《水工混凝土施工規范》[10]，綜合其水工混凝土的各項指標要求，綜合設定混凝土的綜合配比，其用水量為135.0kg，砂率主要為28%，采用二級天然的河床卵石作為其試驗混凝土粗骨料，最大粒徑為25mm，大小石子的綜合比例選定為1∶1，減水劑和引氣劑的比例分別為0.7%和0.002%。本試驗主要選用對3種不同試驗施工混凝土進行配比設計，各編號混凝土配比結果見表1。

1.2 混凝土試件的制作

根據SL 677—2014《水工混凝土施工規范》制作兩組立方體水工混凝土試件，采用上下兩層的澆筑方式進行水工混凝土試件的制作。先澆筑上層的水工混凝土筑件，再開始進行下層混凝土筑件的澆筑，兩個工序之間的時間間隔分別為3h，所有試件制作完成后，進行為期100天的標準養護。將兩組混凝土試件分別放入離子水環境和4%的標準硫酸鈉的溶液中進行水工混凝土的凍融循環試驗，凍融循環試驗如圖1所示。

表1 不同試驗水工混凝土的配比參數

圖1 水工凍融循環試驗

1.3 試驗方法

將進行完標準養護后的試件提前5h放入到離子水進行浸泡，然后放入凍融循環試驗盒中，采用快凍法進行凍融循環試驗。5%的硫酸鹽和凍融耦合循環試驗主要將標準試驗混凝土件提前5d放入到配置好的5%的硫酸鹽溶液中進行浸泡。然后放入到5%的硫酸鹽標準試驗盒中進行凍融循環試驗。將試驗水工混凝土放入到兩種試驗環境中進行30、60、120、160次的凍融循環試驗，試驗儀器如圖2所示。每完成一次試驗循環周期后取出試驗標準件，并擦拭干凈后放入電子稱上進行稱重。

圖2 試驗觀測儀器

1.4 試驗分析方法

在進行循環周期試驗時，當混凝土質量損失量低于5%時，則停止進行凍融循環試驗，水工混凝土質量損失率的計算方程為：

(1)

式中，Δwn—試驗水工混凝土的質量損失率，%；w0—試驗前的質量損失率，%；wn—經過多次循環周期后的試驗件的質量損失率，%。

在進行周期循環時，可以得到凍融循環次數與水工混凝土質量損失之間的相關關系，相關方程為：

wn=aw0e-0.0002t

(2)

式中，a—設計水膠比的修正系數；t—凍融循環的次數。

此外，對凍融循環和硫酸鹽共同作用下的水工混凝土的抗剪試驗進行分析，其衰減計算方程為：

(3)

式中，Δτ—強度損失率，%；τ0—試驗前的強度損失率，%；τn—經過多次循環周期后的試驗件的強度損失率，%。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失率的分析

結合8次循環周期試驗，對不同配比的水工混凝土的質量損壞變化進行分析，分析結果見表2、3。對不同試驗下的質量損失量曲線進行分析，結果如圖3所示。

表2 凍融循環作用下水工混凝土質量損失變化

表3 凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土質量損失變化

圖3 各試驗循環次數下的質量損失率分析結果

從表2和表3中可看出，水膠比對不同循環次數下水工混凝土的質量損失影響較為明顯，且具有明顯的規律性，隨著水膠比的增大，其質量損失量逐步加大，這主要是因為隨著水膠比的加大，水工混凝土的水泥程度逐步降低，骨料之間的粘合度逐步減小，使得水膠比增大，其質量損失也呈現較為明顯的遞增變化趨勢。從圖3中可看出，在5%的硫酸鹽溶液中其試驗初期的質量損失率相比于離子水中的質量損失率有所減小，而隨著試驗循環次數的不斷增加，其質量損失率逐步加大，隨著凍融循環和硫酸鹽溶液耦合作用的不斷增加，水工混凝土受硫酸鹽侵蝕作用逐步加大，且逐步向混凝土的內部進行擴散，使得其質量損失率逐步加大，混凝土的穩定性逐步被破壞。

2.2 質量衰減規律試驗分析

在試驗周期循環水工混凝土質量損失分析的基礎上，對凍融循環與硫酸鹽耦合侵蝕下的混凝土質量衰減規律進行試驗分析，試驗分析結果見表4。

從表4可看出，在各配比下循環次數與質量損失之間存在較好的相關關系。在耦合試驗過程中，各配比下水工混凝土表層的粘聚力降幅增大，但表面摩擦系數變幅較小。從試驗結果可看出，隨著凍融循環和硫酸鹽侵蝕耦合試驗次數的增多，其水工混凝土表層的粘聚力變幅不斷加大，但是其摩擦系數的變幅較小，因此水工混凝土表層的粘聚力變化是其質量損失變化的主要影響因素。隨著耦合試驗循環次數的增加，其表層抗剪強度有所遞減，水工混凝土表層抗壓能力逐步減弱。

2.3 彈性模量損失分析結果

水工混凝土彈性模量是其耐久性分析的重要指標，對不同試驗環境下各配比水工混凝土的彈性模量損失進行了試驗分析，分析結果見表5和表6。

表4 凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下質量衰減規律分析結果

表5 凍融循環作用下水工混凝土彈性模量損失變化

表6 凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土彈性模量損失變化

圖4 不同配比下水工混凝土的受壓曲線圖

從試驗結果可看出，在凍融循環和硫酸鹽耦合作用下，隨著試驗周期循環次數的增加，各配比水工混凝土的彈性模型的遞減速率逐步加大。在相同的試驗方式下，水膠比較小的混凝土相比于水膠比較大的混凝土的耐久性能更佳。

2.4 抗壓強度損失分析結果

在彈性模量損失分析的基礎上，對不同試驗方式下各配比水工混凝土的抗壓強度進行損失變化試驗分析，分析結果見表7、8。軸線位移下的壓力強度變化情況如圖4所示。

表7 凍融循環作用下水工混凝土抗壓強度損失變化

表8 凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土抗壓強度損失變化

從抗壓強度試驗分析結果可看出，隨著試驗循環周期次數的不斷增加，各配比下的水工混凝土的抗壓強度呈現較為明顯的遞減變化趨勢，且遞減變幅逐步加大，當水膠比達到0.33時，水工混凝土在長時段凍融循環和硫酸鹽侵蝕耦合作用下其抗壓強度下降變幅較小，因此在東北寒區進行水利工程施工時，應該選擇水膠比較小的混凝土進行澆筑。從圖4中可看出，隨著水膠比的增加，其軸線位移逐步加大，同一軸線位移上的應力強度逐步減小。

3 試驗結論

(1)凍融循環對水工混凝土的硫酸鹽侵蝕起到加速作用，耦合作用下，水工混凝土溶蝕作用加劇，通過對比試驗分析，水膠比越低，其水工混凝土的耐久性能越高。

(2)凍融循環與硫酸鹽侵蝕對混凝土材料的破壞程度具有相互影響以及相互疊加的特點，使得水工混凝土的質量損失率和結構破壞度呈現遞增變化趨勢。

(3)本文只重點考慮凍融循環和硫酸鹽侵蝕耦合作用下對水工混凝土質量損失率、彈性模量以及抗壓強度等指標的影響，其他指標影響還未涉及，在以后的研究中還需要對探討對其他指標的影響。