生態(tài)浮島混凝土在干濕循環(huán)作用下的損傷試驗研究

沈 桃 王效玲

（江蘇省揚州技師學(xué)院，江蘇 揚州225100）

隨著社會發(fā)展和生活水平提高，城市周圍的自然環(huán)境，特別是水邊的自然景觀狀況越來越受到人們重視。設(shè)計優(yōu)美的綠色景觀，凈化河川水質(zhì)，以努力創(chuàng)造生態(tài)環(huán)境，這些已成為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重點。目前，作為一種低成本的原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)，生態(tài)浮島技術(shù)得到較為廣泛應(yīng)用。本文對輕質(zhì)陶粒混凝土浮島載體的研制進(jìn)行闡述，著重描述生態(tài)浮島混凝土在干濕循環(huán)作用下的損傷試驗下的特征。

1 浮島混凝土干濕循環(huán)試驗概述

1.1 研究背景

混凝土在自然環(huán)境干濕條件下，腐蝕最容易發(fā)生和發(fā)展。作為浮島工程使用的混凝土，不僅要遭受水流的沖擊，水位變化區(qū)也同時處于干濕反復(fù)交替的作用下。許多長期處于水與大氣交界面部位，是腐蝕破壞最突出的地方，導(dǎo)致混凝土的耐久性降低。資料[1]也表明，混凝土處在干濕循環(huán)環(huán)境中所受到的侵蝕要比持久處在濕環(huán)境中更加嚴(yán)重。在長期與水接觸的混凝土結(jié)構(gòu)中，其與水平面接觸的上下幾公分部位是經(jīng)常破壞。因此，研究混凝土耐久性不可忽視的一個重要方面就是混凝土干濕循環(huán)性能研究。

1.2 干濕循環(huán)對混凝土的影響

至今就混凝土干濕循環(huán)的破壞機(jī)理來講，還沒有得出一個明確的定論。喬宏霞等[1]研究粉煤灰混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的動彈性模量時，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)在飲用水中進(jìn)行的一系列干濕循環(huán)之后混凝土的動彈形模量均會有所降低。這說明了一個事實：干濕循環(huán)使得混凝土的結(jié)構(gòu)有所損傷。

張偉勤等[2]通過實驗得出隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，混凝土的強(qiáng)度早期略有增強(qiáng)，但在后期會遞減，主要原因是早期水化使混凝土內(nèi)部致密從而增加其強(qiáng)度，而在后期由于干濕循環(huán)的增多，混凝土強(qiáng)度會呈現(xiàn)遞減趨勢。

吳金海[3]研究了海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。同時提出了較為詳盡的干濕循環(huán)原理，并且在參照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTJ 270-98）[4]的基礎(chǔ)上，制訂了試驗的干濕循環(huán)方式。

2 干濕循環(huán)實驗試樣的制備與干濕循環(huán)試驗

2.1 試件尺寸

本次試驗混凝土立方體試件采用的規(guī)格為100mm×100mm×100mm。

2.2 試件制備數(shù)量

陶粒混凝土干濕循環(huán)試驗，分為三類水灰比（w/c=0.32、0.35、0.39）和砂率（40%、42%、44%）共選取了六組試件進(jìn)行試驗，選取試件的編號和試驗配合比見表1。按照表1 配合比，將每組混凝土試件制作3 個，取其平均值為測試值。本次試驗一共有6 組18 個試件，成型后用于干濕交替試驗。

表1 陶粒混凝土配合比（kg/m3）

2.3 試件養(yǎng)護(hù)

混凝土成型后編號,并放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，溫度20°C，濕度在95%左右環(huán)境中養(yǎng)護(hù)到28d 齡期后，移出待用。

2.4 試驗方法

試驗前,對混凝土試件初始質(zhì)量及超聲波聲時進(jìn)行測定，并記錄下初始數(shù)據(jù)。試驗時，先將養(yǎng)護(hù)好的試件放入干濕循環(huán)試驗機(jī)的試驗箱中，相鄰試件之間的距離應(yīng)為20mm，且試件與試驗箱側(cè)壁間距不得小于20mm。試件放入試驗箱后，將清水注入試驗箱，清水表面應(yīng)超過最上層試件表面20mm。然后設(shè)定干濕循環(huán)試驗機(jī)的干濕交替各時間參數(shù)：先將混凝土試件浸泡15個小時，然后風(fēng)干1 小時，再烘干6 小時，最后冷卻2 小時，即為一個干濕交替周期。設(shè)定好后，啟動設(shè)備開始試驗，每5 個循環(huán)即5 天測定一次數(shù)據(jù)（試件質(zhì)量和超聲波聲時）。

3 干濕循環(huán)試驗宏觀性能結(jié)果分析

本次干濕循環(huán)試驗對規(guī)定的干濕循環(huán)次數(shù)測試了試件的相對動彈性損失和質(zhì)量損失。

3.1 干濕循環(huán)作用下對混凝土相對動彈性模量的變化影響

圖1 是混凝土在清水中干濕交替與浸泡作用下的相對動彈性模量隨干濕交替次數(shù)的變化規(guī)律。在浸泡條件下，混凝土的相對動彈性模量Erd 變化相對平緩；而干濕循環(huán)作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的Erd 變化較為明顯。經(jīng)過40 個循環(huán)周期后，在清水中的混凝土試件Erd 下降了14.0%。原因可能是混凝土試件在清水溶液中浸泡被溶蝕，內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)并不斷使生成的氫氧化鈣溶出：而且靠毛細(xì)管吸收作用，干燥的混凝士表面接觸清水會吸收溶液，直到飽和，而頻繁的干濕交替作用使氫氧化鈣的溶出速度加快，混凝土內(nèi)部就將產(chǎn)生拉應(yīng)力.混凝土相對動彈性模量Erd 對這種現(xiàn)象很好的進(jìn)行了反映。

圖1 試件在清水中干濕交替與浸泡下的相對動彈性模量

（1）不同水灰比對混凝土相對動彈性模量的變化影響

本次試驗是將三種不同水灰比的試件C02、C05、C08（w/c=0.32，0.35，0.39）放入清水中，定期（每5 個循環(huán)）測量試件的動彈性模量，當(dāng)混凝土試件的動彈性模量損失達(dá)到50%以上時，認(rèn)為試件破壞，退出試驗。不同水灰比試件在清水中干濕循環(huán)的相對動彈性模量Erd 隨循環(huán)次數(shù)的變化見圖2。

圖2 不同水灰比干濕循環(huán)試件的相對動彈性模量

由圖2 可以看出，不同水灰比的各個試件的相對動彈性模量Erd 都呈下降趨勢。在試驗初期混凝土相對動彈性模量變化平緩，后期下降迅速。在清水中經(jīng)過40 次干濕循環(huán)后,編號為C08（w/c=0.39）、C05（w/c=0.35）和C02（w/c=0.32）試件的相對動彈性模量Erd 都呈下降趨勢。但在相同循環(huán)周期內(nèi)，C08 混凝土的相對動彈性模量Erd 都低于C05、C02 混凝土，平均降幅為12.4%。水灰比最大的試件C08 在40 天后，Erd 損傷也只有14%；水灰比最小的試件C02 在40 天后，Erd 損傷達(dá)12%，均未達(dá)到試件破損要求的50%，說明試件沒有破損。可見，干濕循環(huán)加速了混凝土的劣化程度。

在試驗過程中，水灰比大的混凝土試件與水灰比小的試件相比孔隙結(jié)構(gòu)相對疏松，孔隙較多，干濕循環(huán)讓混凝土內(nèi)部微裂縫加劇開展，不僅為侵蝕產(chǎn)物提供了一定的生長空間，也可能連通了各孔隙，造成連續(xù)貫通的孔結(jié)構(gòu)，加劇了混凝土的損傷程度。相反，水灰比小的試件微觀結(jié)構(gòu)分布比較合理，使得混凝土強(qiáng)度會增強(qiáng)，這是因為侵蝕產(chǎn)物填充了混凝土的孔隙，增加了其結(jié)構(gòu)的固相體積，改善了混凝土局部的孔隙結(jié)構(gòu)。

對比以上的宏觀試驗，可以看出混凝土水灰比越大，混凝土試塊Erd 的下降速度也越快。

（2）砂率對混凝土相對動彈性模量的影響

同水灰比（w/c=0.35）條件下，不同砂率對混凝土干濕交替共同作用下相對動彈性模量Erd 的影響規(guī)律。由圖可知：隨著干濕交替次數(shù)的增加，混凝土的相對動彈性模量都呈現(xiàn)下降趨勢。其中，砂率最小的試件C04 混凝土相對動彈性模量下降最為明顯，經(jīng)過40 個干濕交替后其相對動彈性模量Erd 下降了11.5%；編號為C05 試件的混凝土的相對動彈性模量Erd 下降了11.0%；編號為C06 試件的混凝土的相對動彈性模量Erd 下降了9.0%。對比以上的宏觀試驗，可以看出混凝土砂率越小，混凝土試塊Erd 的下降速度也越快。

3.2 混凝土試件質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律

（1）干濕循環(huán)對混凝土質(zhì)量損失的影響

由實驗結(jié)果得出：無論是在清水溶液浸泡作用下，還是干濕交替作用后，混凝土試件的質(zhì)量變化規(guī)律表現(xiàn)出一致性，均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，而且當(dāng)試驗結(jié)束時，質(zhì)量下降幅度皆在0.5%以下。主要表現(xiàn)有：①混凝土試件在試驗前期其質(zhì)量會有小幅增加；②到了后期大多數(shù)混凝土試件質(zhì)量就會逐步減少。試驗40 天后，浸泡組試件和干濕交替組質(zhì)量損失分別為0.25%和0.45%。

（2）水灰比對混凝土質(zhì)量損失的影響

大體來說，在干濕循環(huán)的作用下不同水灰比試件的質(zhì)量變化盡管幅度有限，但都出現(xiàn)了比較平緩的增長，試件表面受到的損傷也不大。這主要是因為一方面混凝土水化是一個漫長的過程，試件處在浸泡期間屬于正常水化狀態(tài)，水化程度會慢慢地增強(qiáng)；另一方面，試件浸泡在溶液中其內(nèi)部會有一定的侵蝕產(chǎn)物生長富集，雖然產(chǎn)物量較少，但也對混凝土起到加固密實的作用，只不過增加速度緩慢。可以看出，低水灰比混凝土試件C02（w/c=0.32）較高水灰比混凝土試件C08（w/c=0.39）的質(zhì)量損失更加穩(wěn)定。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過試驗，可以看出處于干濕循環(huán)環(huán)境中的陶粒混凝土受到的損傷要比處于持久濕環(huán)境中的陶粒混凝土更加嚴(yán)重。在選用六組試件C02、C04、C05、C06、C08、C09 進(jìn)行干濕循環(huán)試驗中，隨著干濕交替次數(shù)的增加，陶粒混凝土的相對動彈性模量Erd都呈現(xiàn)下降趨勢，其質(zhì)量先有小幅增加后就逐步減少。經(jīng)過40個干濕交替后，編號為C02 試件的相對動彈性模量Erd 和質(zhì)量分別下降了12.2%和0.35%；編號為C04 試件的Erd 和質(zhì)量分別下降了11.5%和0.48%；編號為C05 試件的Erd 和質(zhì)量分別下降了11.0%和0.65%；編號為C08 試件的Erd 和質(zhì)量分別下降14%和0.45%，均未達(dá)到試件破損要求的50%和5%，說明試件沒有破損。其中編號為C04、C05 的相對動彈性模量Erd 下降較少，是損傷較小的試件，故適宜選擇編號為C04 配合比的陶粒混凝土作為浮島載體用混凝土。

4 結(jié)論

實驗通過設(shè)置對比組實驗（自然浸泡方式），采用宏觀（相對動彈性模量變化和質(zhì)量損失）與表觀兩種測試手段，重點研究了干濕交替作用下陶粒混凝土的損傷失效規(guī)律。試驗認(rèn)為，相對于自然浸泡，干濕交替加劇了陶粒混凝土的損傷失效程度。

4.1 在浸泡下的陶粒混凝土，40d 內(nèi)相對動彈性模量相對平穩(wěn)，且有小幅上升；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，干濕交替作用下陶粒混凝土的Erd 總體上都呈現(xiàn)非常明顯的下降趨勢。水灰比對陶粒混凝土的相對動彈性模量有重要影響，相同循環(huán)周期內(nèi)，C08陶粒混凝土的相對動彈性模量Erd 都低于C05、C02 陶粒混凝土，平均降幅為12.4%。可見，水灰比越大，陶粒混凝土試件Erd 的下降速度也越快。不同砂率對陶粒混凝土干濕交替共同作用下相對動彈性模量Erd 也有影響，陶粒混凝土砂率越小，陶粒混凝土試塊Erd 的下降速度也越快。

4.2 干濕交替作用下的陶粒混凝土質(zhì)量損失更為嚴(yán)重。浸泡組40 天后試件質(zhì)量損失為0.25%，干濕交替組40 次循環(huán)后（40 天）試件質(zhì)量損失為0.45%。低水灰比試件C02（w/c=0.32）的陶粒混凝土較高水灰比試件C08（w/c=0.39）陶粒混凝土質(zhì)量損失更為平穩(wěn)。控制陶粒混凝土砂率的大小能有效降低混凝土的質(zhì)量損失率，砂率較大的C06 組陶粒混凝土試件，質(zhì)量波動較其他兩組比較大，經(jīng)過40 次干濕循環(huán)后（40d），平均質(zhì)量損失為0.56%。砂率最小的C04 組陶粒混凝土試件的質(zhì)量損失為0.48%。