不同氯鹽濃度下堆石壩混凝土面板凍融循環耐久性試驗研究

楊 洋

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

混凝土是建筑領域用量最大的人造材料，被廣泛應用于各種結構工程建設施工。在自然和使用環境條件下，混凝土的結構材料也會逐漸發生老化和劣化，這不僅會影響到其使用性能，還會對整個建筑結構的安全性和可靠性造成影響[1]。我國二十世紀六七十年代興建了大量的水利工程，至今已有半個多世紀，大量的混凝土結構已經進入老化階段。同時，由于很多水工新結構處于比較嚴酷的環境條件下，其結構的耐久性問題日漸突出[2]。面板堆石壩的混凝土面板具有重要的穩定和防滲作用，對保證壩體結構穩定具有重要意義。在工程實踐領域，面板混凝土結構不僅會受到寒冷氣候的影響，在海濱和鹽漬地區還會受到氯離子的影響[3]。因此，在我國北方寒區且有鹽溶液侵蝕的情況下，面板將會面臨兩者的雙重作用，受到更為復雜的影響[4]。本次研究試圖通過實驗室試驗的方式，開展氯鹽與凍融循環綜合作用下的混凝土面板耐久性試驗研究，為相關類似工程設計和施工提供必要的支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水泥為石家莊上安水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。依據《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)對該水泥進行了檢驗，結果顯示各項指標都滿足要求，可以用于相關實驗[5]。實驗用細骨料為河沙，其性能滿足相關規范要求；實驗用粗骨料為機制碎石，粒徑為5～30 mm；實驗用粉煤灰為熱電廠生產的F型Ⅱ級粉煤灰，其性能符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中Ⅱ級粉煤灰要求；實驗用減水劑為山東萊蕪汶河化工有限公司生產的FDN-AⅡ型高效減水劑；其拌合用水為自來水。

1.2 試件的設計和制作

本次試驗設計的混凝土強度等級為C40，這與一般的面板混凝土等級一致。在拌合過程中采用0.42的固定水膠比，每方混凝土用水、水泥、河沙、碎石、粉煤灰以及減水劑的質量分別為138.0 kg、326.0 kg、832.0 kg、1150.0 kg、48.9 kg、2.6 kg。澆筑試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

在試件的制備過程中，首先按照上文確定的材料配合比，稱量好所有的各種原材料。在拌制過程中，先將砂子、碎石、水泥和粉煤灰倒入攪拌機攪拌2 min，然后加入減水劑和水攪拌3 min，然后出料。清理試件模具并在其內部壁面上涂抹一層脫模劑，然后將拌制好的混凝土一次性倒入模具，然后在振動臺上振動成型，之后刮去多余的拌合物并將表層抹平。在試件初凝之后，將其放入養護室在恒溫、恒濕的條件下進行養護，24 h之后拆模，然后繼續養護28 d，再在自然環境下養護至180 d。

1.3 試驗方法

為了研究不同氯鹽濃度下堆石壩混凝土面板凍融循環耐久性，結合我國海濱和鹽漬地區的不同氯鹽濃度，設計了2.0%、3.0%和5.0%三種不同的NaCl溶液用于試驗[6]。將養護完畢的試件分別進行抗壓強度試驗，其表面清理干凈之后放入塑料桶中，向桶中注入不同濃度的NaCl溶液浸泡4 d，取出并擦拭干凈表面水分，使用電子秤對每個試件進行稱重。之后將其放入盛有NaCl溶液的桶中，桶放入裝有防凍液的凍融試驗箱中進行凍融試驗[7]。每次凍融試驗包括冷凍和融化兩個過程，在2～4 h內完成。每25次凍融循環為一個周期，完畢之后取出試件，然后用相同濃度的NaCl溶液將表面由于凍融而剝蝕的混凝土砂漿清洗干凈。然后稱重記錄。之后更換桶中的NaCl溶液，再重復進行試驗。試驗過程中的質量損失率的計算方法如式(1)所示：

(1)

式中：△Wi為質量損失率；W0為試件的初始質量，g；Wi為第i個試驗周期之后的試件質量，g。

試件動彈模量的試驗使用DT-12 型混凝土動彈模量測定儀測量，測量方法和步驟按照《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)[8]的要求執行。利用儀器首先測定出混凝土試件的橫向基頻損失，然后再利用式(2)、式(3)進行相對動彈模量的計算，進而獲得試件的抗鹽凍性能。

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(2)

(3)

式中：Ed為混凝土試件的動彈模量,MPa；W為試件的質量，kg；L為試件側面的長度，mm；f為試件的橫向基頻，Hz；a為試件截面的邊長，mm;Ei為第i次試驗的相對動彈模型；Edi為第i次試驗動彈模量，MPa;Edo為初始動彈模量，MPa。

混凝土抗壓強度試驗采用萬能試驗機以及規范GB/T 50082—2009的要求執行。在試件每一次鹽凍周期前和最后一次鹽凍周期后進行，其抗壓強度如式(4)所示：

(4)

式中：fcu為試件的抗壓強度，MPa；P為試驗的破壞荷載，N；A為試件的承壓面積，mm2。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率試驗結果與分析

研究中按照上節的方法，對不同NaCl溶液條件下試件的質量損失率進行試驗，每種濃度選擇3個試件，將試驗結果的均值作為最終的試驗結果。根據試驗結果，繪制出如圖1所示的質量損失率隨凍融試驗次數的變化曲線。

圖1 質量損失率隨凍融試驗次數的變化曲線

由圖1可知，在經過200次凍融循環之后，試件的質量損失率均呈現出先降低后升高的趨勢，并且在50次循環之后質量損失率的增速明顯加快。主要是因為堆石壩的面板混凝土在受到鹽凍侵蝕之后，會發生一系列物力和化學反應，最終導致試件質量的變化。一般來說，在前25次循環中，受到鹽凍的侵蝕作用，試件混凝土的內部會出現一些微小的裂縫，增加了混凝土的滲透作用，因此吸收了一定質量的凍融液，質量有小幅增加。但是，隨著試驗次數的增長，試件會產生比較明顯的剝落問題，因此質量損失逐漸加大。從不同NaCl溶液濃度的試驗結果來看，質量損失率隨著NaCl溶液濃度的增加呈現出先增大后減小的態勢。究其原因，主要是氯離子的滲入會增加濃度差，造成混凝土結構內部水分增加，進而增加結冰量，不利于提高試件的抗凍性；而較多的氯鹽可以降低冰點，起到除冰鹽提高抗凍性能的作用。因此，3.5%的氯鹽濃度條件下的試件質量損失率最多。

2.2 相對動彈模量試驗結果與分析

研究中按照上節的方法，對不同NaCl溶液條件下試件的相對動彈性模量進行試驗，根據試驗結果，繪制出如圖2所示的相對動彈性模量隨凍融試驗次數的變化曲線。

圖2 相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化曲線

由圖2可知，在經過200次凍融循環之后，試件的相對動彈性模量均呈現出不斷降低的趨勢，并且在50次循環之后質量損失率的增速明顯加快。從不同濃度氯鹽溶液的試驗結果對比來看，相對動彈模量隨著NaCl溶液濃度的增加呈現出先減小后增大的態勢。究其原因，主要較高的氯鹽濃度可以在一定程度上起到降低冰點的作用，減緩試件的結冰過程，因此也就會減緩相對動彈性模量的損失。

2.3 抗壓強度試驗結果分析

研究中按照上節的方法，對不同NaCl溶液條件下試件的抗壓強度進行試驗，根據試驗結果，繪制出如圖3所示的相對抗壓強度隨凍融試驗次數的變化曲線。

圖3 抗壓強度值隨凍融循環次數的變化曲線

由圖3可知，3.5%氯鹽濃度下的試件抗壓強度下降最慢，2.0%氯鹽濃度下的試件強度下降數快。5.0%氯鹽濃度中試件的抗壓強度開始下降較為緩慢，后期迅速下降。究其原因，氯鹽濃度較低時，冰應力大于鹽冰的抗壓強度，混凝土的抗拉強度損失相對較大；在中等濃度條件下，冰應力大于鹽冰的抗壓強度，因此混凝土試件的抗壓強度損失相對較小；在高濃度條件下，鹽冰會逐漸軟化，抗拉能力喪失，因此后期抗壓強度損失明顯增大。

3 結 語

本次研究通過實驗室試驗的方式，研究了不同氯鹽濃度下堆石壩混凝土面板凍融循環耐久性特征，獲得的主要結論如下：

(1)質量損失率隨著NaCl溶液濃度的增加呈現出先增大后減小的態勢，3.5%的氯鹽濃度條件下的試件質量損失率最多。

(2)相對動彈模量隨著NaCl溶液濃度的增加呈現出先減小后增大的態勢，3.5%的氯鹽濃度條件下的試件相對動彈模量損失最多。

(3)3.5%氯鹽濃度下的試件抗壓強度下降最快，5%氯鹽濃度中試件的抗壓強度受損較為緩慢。

綜上，中等氯鹽濃度下混凝土試件的抗凍融性能最差，需要在工程設計中予以重視。