鹽漬土地區凍融循環耦合作用下水工混凝土抗壓性能研究

孔慶宇

（撫順市水利勘測設計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

我國遼東沿海鹽漬土地區，土壤中含有大量的硫酸鹽，面板混凝土受凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用產生的破壞相較于單一因素更加嚴重，多種不利因素相互促進致使水工結構的使用年限大大縮短[1-3]。為揭示復雜環境下水工混凝土損傷機理，許多研究者探討了多因素耦合條件下的混凝土耐久性，如王德庫等研究了小山水電站面板混凝土耐久性，結合設計配合比全面分析了面板混凝土性能；楊德福等通過數據計算和機理分析系統探討了水布埡面板混凝土耐久性，結果顯示面板混凝土受高水力梯度、高水頭及硫酸鹽侵蝕作用能夠保證較好的抗溶蝕和抗侵蝕性能；葛勇等分析了不同硫酸鈉溶液濃度中引氣與非引氣混凝土的抗凍性，試驗表明摻入適量的引氣劑可以增強混凝土抗凍性；宿曉萍等從微觀上解釋了干濕、凍融、鹽浸條件下的混凝土動彈模量衰減、質量損失規律及破壞特征；禹虹機等利用鹽蝕干濕循環法、長期浸泡法深入揭示了不同鹽類侵蝕作用下混凝土的宏觀損傷機理[4-8]。

水利工程大多處于水蝕、鹽蝕、碳化、沖磨和外界荷載作用下，而多種不利因素會加速水工混凝土的損傷，而不利環境因素又會加速結構承載力的減小，甚至整體結構的過早失效。因此，單一因素作用下的研究成果無法準確地預測實際工程的服役壽命，更不能客觀反映水利工程所處的環境條件。文章結合硫酸鹽和凍融循環條件下混凝土峰值抗壓強度、相對動彈模量和質量損失狀況，深入揭示了水工混凝土力學性能劣化規律，旨在為遼東沿海鹽漬土地區水工結構耐久性設計提供科學依據。

1 試驗方法

1.1 原材料

原材料選用大連天華水泥廠生產的P·O42.5級水泥，集料選用細度模數2.8 的優質河砂和級配5~20mm 的石灰巖碎石，外加劑用聚羧酸高效減水劑，采用無水硫酸鈉和蒸餾水配制濃度5%的硫酸鈉溶液。

1.2 配合比設計

參照《水工混凝土配合比設計規程》合理設計配合比，按《水工混凝土試驗規程》進行拌合、振搗、入模、成型、養護和相關測試，試驗配合比，如表1 所示。

表1 試驗配合比 kg/m3

依據試驗配合比精準稱量所需原材料，采用二次投料法攪拌均勻后倒出，人工將拌合物裝入400mm×100mm×100mm 立方體試模，每組3 個試塊，振搗密實后室內靜置24h，然后拆模編號標記，并置于標養室養護28d，達到規定齡期后取出浸入Na2SO4溶液中，參照現行規范進行凍融循環試驗，分組編號，如表2 所示。

表2 試件分組編號

1.3 試驗方法

1）單軸抗壓試驗。采用YES-2000 型數顯式壓力試驗機測定水工混凝土單抽抗壓強度，試驗數據利用IMC 系統進行實時采集。

2）凍融循環試驗。依據現行規范規定的操作流程，采用快速凍融法進行凍融循環試驗，每凍融循環10 次測定一次試塊的動彈性模量和質量，凍融循環周期為4h，其中融化1h(溫度105℃)，凍結3h(溫度-10℃)。

3）硫酸鹽侵蝕試驗。將養護至規定齡期的試塊浸入5%Na2SO4溶液中，液面與試塊上表面距離不小于20mm，為保證試驗過程中Na2SO4溶液濃度穩定，每隔3d 更換一次溶液，硫酸鹽侵蝕時間共210d。

2 結果與分析

2.1 相對動彈模量及質量損失

一般地，相對動彈模量及質量損失反映了水工混凝土內部的密實程度及其表面損傷情況，通過定量分析各組試塊的相對動彈模量和質量損失，可以確定混凝土物理性質受凍融循環及硫酸鹽侵蝕的影響，測試結果如圖1 所示。

圖1 凍融循環及鹽蝕條件下相對動彈模量及質量損失

由圖1 可知，凍融循環100 次時未經Na2SO4溶液侵蝕的混凝土質量損失率達到8.5%，而凍融循環70 次時經Na2SO4溶液浸泡210d 的混凝土質量損失率就能達到8.5%；凍融循環70 次時，在Na2SO4溶液浸泡210d 和未經Na2SO4溶液浸泡的試塊相對動彈模量損失率為85%、40%，說明硫酸鹽侵蝕會大大降低混凝土的抗凍性。

結果表明，隨著Na2SO4溶液侵蝕時間的延長混凝土的動彈模量及質量表現出先上升后下降的變化特征，這與單面鹽凍條件下的相關研究結論保持一致。這是因為混凝土基體材料與初期鹽類結晶發生反應可以生成填充內部孔隙的物質，增大結構密實性，而內部鹽類結晶隨著侵蝕時間的延長逐漸膨脹析出，并導致內部結構破壞出現孔隙，表面逐漸剝落破壞。

混凝土相對動彈模量及質量損失均表現出快速-緩慢-急劇上升的變化特征，究其原因是凍融循環初期內部尚未形成連通的孔隙，水分無法自由移動，而凍結時水結冰體積膨脹加速了內部孔隙的擴張，在膨脹力作用下混凝土出現損傷；在凍融循環中期內部孔隙開始連通，水逐漸自由遷移，混凝土基體逐漸產生塑性變形能力來抵抗水結冰形成的膨脹力，該階段的損傷速度放緩；凍融循環后期內部基本形成貫通的孔隙，損傷程度明顯加劇。

2.2 單軸抗壓強度損失

水工混凝土在不同凍融循環次數及Na2SO4溶液侵蝕時間下峰值抗壓強度，如表3 所示。

表3 峰值抗壓強度

結果顯示，無損條件下的初始峰值抗壓強度達到35.12%。單一凍融循環作用下，隨凍融循環次數的增加混凝土峰值抗壓強度逐漸減小，凍融循環達到120 次時的峰值抗壓強度損失率達到75.88%，抗壓強度8.47MPa；凍融循環80 次時，在Na2SO4溶液浸泡210d 時的混凝土抗壓強度損失率達到83.77%，抗壓強度只有5.70MPa，說明硫酸鹽侵蝕大大降低了混凝土強度，凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用會加速混凝土的損傷。

混凝土內部變得疏松和宏觀的破壞程度直接決定著其抗壓強度，所以不同凍融循環次數與硫酸鹽侵蝕時間耦合作用下的峰值抗壓強度與前文相對動彈模量、質量損失變化規律基本相似[9-11]。結合試驗數據，可以建立不同凍融循環次數及Na2SO4溶液侵蝕時間下相對動彈模量與峰值抗壓強度損失率之間的關系（見圖2）。經擬合兩者表現出正相關性，即隨著相對動彈模量損失率的增大峰值抗壓強度損失率逐漸增大。

圖2 相對動彈模量與峰值抗壓強度損失率的關系

依據試驗數據，混凝土抗壓強度損傷也表現出快速-緩慢-急劇上升的變化趨勢，該變化規律與動彈模量損失基本相同。考慮該變化規律，擬利用函數建立混凝土凍融循環次數與峰值抗壓強度在不同Na2SO4溶液侵蝕時間下的演化方程，如表4 所示。因此，凍融循環及硫酸鹽侵蝕耦合作用下的S0 組、S150 組、S210 組混凝土峰值抗壓強度損傷演化方程依次為0.516x+23.82，擬合曲線，如圖3 所示。

圖3 混凝土峰值抗壓強度

表4 峰值抗壓強度演化方程

其中，x、y代表凍融循環次數和峰值抗壓強度；D、A代表單一硫酸鹽侵蝕作用下峰值抗壓強度及其損傷速度，隨著硫酸鹽侵蝕時間的延長A的絕對值逐漸增大且恒為負值，這說明隨凍融循環次數的增多試件峰值抗壓強度呈單調遞減趨勢，且硫酸鹽侵蝕會加速凍融破壞?；炷练逯悼箟簭姸仍趩我粌鋈谘h中作用下為33.86MPa，經100 次凍融循環就會減少近10MPa，而硫酸鹽侵蝕210d 的混凝土經60 次凍融循環其抗壓強度就會損失10MPa，說明隨硫酸鹽侵蝕時間的延長混凝土強度逐漸下降[13-14]。

3 結 論

1）凍融循環作用下，水工混凝土峰值抗壓強度、相對動彈模量及質量損失均表現出快速-緩慢-急速上升的變化趨勢；混凝土力學性能隨著硫酸鹽侵蝕時間的延長而逐漸下降，在210d混凝土抗壓強度、相對動彈模量及質量損失明顯高于單一凍融作用。

2）結合凍融循環及硫酸鹽侵蝕耦合作用下的強度變化規律，可以采用三次函數建立混凝土凍融循環次數與抗壓強度在不同硫酸鹽侵蝕時間下的演化方程，該方程能夠較好地反映復雜環境下混凝土抗壓性能的劣化規律。