水工混凝土抗環(huán)境水侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制

許雅欣，楊華山

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

水工混凝土是水利水電工程施工的主要材料，若水工建筑物處于具有侵蝕性的靜水或流動(dòng)水等環(huán)境條件下，則其耐久性問(wèn)題會(huì)變得十分突出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)水工混凝土的侵蝕問(wèn)題逐漸重視，法國(guó)P.Faucon、F.Adenot等［1-3］對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物的混凝土強(qiáng)度和孔隙率等指標(biāo)的影響作了大量研究，對(duì)混凝土受軟水侵蝕的物理化學(xué)機(jī)理作了較詳細(xì)的論述，特別是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物與軟水接觸過(guò)程中的溶蝕過(guò)程作了定量研究，取得了較多成果。然而，國(guó)內(nèi)至今沒(méi)有一套標(biāo)準(zhǔn)化的混凝土抗溶出性侵蝕試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)混凝土抗溶出性侵蝕性能的指標(biāo)［4］。對(duì)此，研制了一種水工混凝土抗環(huán)境水侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 水工混凝土抗環(huán)境水侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 環(huán)境水對(duì)水工混凝土的侵蝕

環(huán)境水對(duì)水工混凝土的侵蝕作用主要分為溶出性侵蝕（軟水侵蝕）、碳酸性侵蝕、一般酸性侵蝕和復(fù)合環(huán)境水的侵蝕等［5］。

1.1.1 軟水

軟水侵蝕一般表現(xiàn)為Ca的流失。當(dāng)混凝土處于軟水中時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣將首先被溶解，直至溶液中的氫氧化鈣濃度達(dá)到極限濃度才能停止。而當(dāng)混凝土處于流動(dòng)水體中時(shí)，溶解的氫氧化鈣被水沖走，將難以達(dá)到極限石灰濃度，特別是當(dāng)混凝土不夠密實(shí)或有裂隙時(shí)，在壓力水作用下，水滲入混凝土內(nèi)部，將氫氧化鈣溶解并滲濾出來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重。

1.1.2 碳酸性

雨水、某些地下水中常含有一些游離的二氧化碳，其含量過(guò)多時(shí)，將對(duì)混凝土起破壞作用。這是因?yàn)榛炷林械臍溲趸}能與二氧化碳起化學(xué)反應(yīng)，生成的碳酸鈣會(huì)進(jìn)一步與二氧化碳反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣。如果混凝土是在有滲濾的壓力水作用下，生成的碳酸氫鈣將被水帶走，上述反應(yīng)將難以達(dá)到平衡，氫氧化鈣不斷流失，使混凝土中石灰濃度逐漸減低，混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞。

1.1.3 一般酸性

某些地下水或工業(yè)廢水中常含有游離的酸類。這些酸類能與水泥石中的氫氧化鈣起作用，生成相應(yīng)的鈣鹽。所生成的鈣鹽或易溶于水，或在水泥石孔隙內(nèi)結(jié)晶膨脹，破壞水泥石結(jié)構(gòu)。

1.1.4 復(fù)合環(huán)境水

在實(shí)際工程中，環(huán)境水對(duì)水泥石的腐蝕常常是幾種侵蝕介質(zhì)同時(shí)存在并共同作用的。如軟水和碳酸性水共同侵蝕作用時(shí)，混凝土中的氫氧化鈣受軟水侵蝕溶解后，即與游離的CO2起反應(yīng)，生成碳酸氫鈣，大大加速了氫氧化鈣的反應(yīng)速率，縮短水泥石的破壞時(shí)間。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過(guò)水系統(tǒng)控制侵蝕介質(zhì)的流量以保證其循環(huán)流動(dòng)，將翼墻進(jìn)口設(shè)置為圓弧形，以減少水頭損失，增大有效水頭，構(gòu)件中溢水板的形狀與同樣條件下薄壁堰自由出流水面下緣的形狀相吻合，保證水頭高度，維持過(guò)流能力，防止形成空蝕破壞和水舌顫動(dòng)，保證出槽水流穩(wěn)定性。

試驗(yàn)系統(tǒng)中采用pH傳感器測(cè)量侵蝕介質(zhì)的pH值隨侵蝕歷時(shí)的變化。相同侵蝕條件下，侵蝕溶液中所測(cè)pH值越低，說(shuō)明混凝土試件抗環(huán)境水侵蝕能力越強(qiáng)。

試驗(yàn)系統(tǒng)中采用電導(dǎo)率傳感器測(cè)量侵蝕介質(zhì)的電導(dǎo)率值隨侵蝕歷時(shí)的變化。相同侵蝕條件下，環(huán)境水侵蝕溶液中所測(cè)電導(dǎo)率越低，說(shuō)明混凝土試件抗環(huán)境水侵蝕能力越強(qiáng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

1.3.1 過(guò)水

過(guò)水系統(tǒng)主要由水泵、進(jìn)水管道、水箱、上流進(jìn)水閥、上流出水閥、流量控制水槽等組成，如圖1。流量控制水槽分為上流寬水槽與下流窄水槽。水泵將水流從水箱抽至上流寬水槽中，水流溢過(guò)擋水板，經(jīng)過(guò)曲線形溢流面和圓弧型的翼墻進(jìn)口，流出流量控制下流窄水槽，最終從窄水槽尾部進(jìn)入水箱從而達(dá)到水循環(huán)。

圖1 過(guò)水系統(tǒng)總體視圖

1.3.2 電子測(cè)量

電子測(cè)量系統(tǒng)主要由Arduino UNO兼容板、38kHz紅外接收管、I2C LCD1602液晶顯示屏、電導(dǎo)率模塊、pH電極模塊、溫度傳感器模塊等組成。電導(dǎo)率模塊為DJS-1型模塊，由DFROBOT公司生產(chǎn)。該模塊特點(diǎn)為：測(cè)量精度小于±10%F.S.（具體精度取決于校準(zhǔn)精度）。溫度傳感器模塊為DS18B20模塊，由DFROBOT該模塊特點(diǎn)為：傳感器為數(shù)字式，信號(hào)穩(wěn)定，同時(shí)一個(gè)信號(hào)線上能夠同時(shí)支持多個(gè)DS18B20溫度探頭，如圖2。

圖2 電子測(cè)量系統(tǒng)原理詳圖

1.3.3 軟件

自主研發(fā)的軟件系統(tǒng)主要由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序組成。

pH電極和電導(dǎo)率電極采集信息，經(jīng)由pH模塊和電導(dǎo)率模塊處理模擬信號(hào)傳給Arduino，Arduino內(nèi)部的A/D采集模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)校正公式算出pH值和電導(dǎo)率的值，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給電腦。同時(shí)上位機(jī)程序記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。繪制出pH和電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的曲線，如圖3。

圖3 測(cè)量電路工作流程

2 實(shí)例

2.1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

分別采用W/C為0.4和0.5的水泥凈漿（試件尺寸160mm×40mm×10mm，養(yǎng)護(hù)齡期為28d）模擬水工混凝土表面，去離子水（Soft water，SW）模擬侵蝕介質(zhì)，以自來(lái)水（Tap water，TW）作為基準(zhǔn)侵蝕介質(zhì)。

水箱中裝入侵蝕溶液（去離子水），混凝土試樣放入窄水槽，開(kāi)啟水泵，水流進(jìn)入過(guò)水系統(tǒng)，被抽至上流寬水槽，溢過(guò)擋水板，依次經(jīng)過(guò)曲線型溢流面和圓弧型翼墻進(jìn)口，進(jìn)入窄水槽，最終從窄水槽尾部再次進(jìn)入水箱使侵蝕介質(zhì)不斷循環(huán)。電子測(cè)量系統(tǒng)連接至計(jì)算機(jī)，運(yùn)行上位機(jī)程序。液晶顯示屏亮，插入溫度傳感器，按遙控器上“OK”按鈕依次進(jìn)行電導(dǎo)率電極校正和pH電極校正。將校正后的電極放置到預(yù)測(cè)量位置，上位機(jī)程序自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)以excel表格形式發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

2.2 結(jié)果與討論

圖4 ΔpH與侵蝕齡期的關(guān)系

圖5 ΔDD與侵蝕齡期的關(guān)系

圖4和圖5分別為△pH與侵蝕齡期的關(guān)系和△DD與侵蝕齡期的關(guān)系，可以看出試樣TW W/C=0.4的△pH和△DD在試樣周期內(nèi)都保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明自來(lái)水不具有侵蝕性。相同侵蝕齡期，試樣SW W/C=0.4和SW W/C=0.5的△pH和△DD均明顯大于試樣TW W/C=0.4，且試樣水灰比越大，△pH和△DD越大。這說(shuō)明降低混凝土水灰比能夠提高其抗環(huán)境水侵蝕性能［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水工混凝土抗環(huán)境水侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬不同環(huán)境水對(duì)混凝土進(jìn)行侵蝕試驗(yàn)，系統(tǒng)適用范圍廣。

（2）水工混凝土抗環(huán)境水侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可用于擋水建筑、輸水道、溝渠等混凝土的耐久性評(píng)價(jià)，其試驗(yàn)結(jié)果也可為受環(huán)境水侵蝕的混凝土配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

［1］Ghabezloo S.Association of macroscopic laboratory testing and micromechanics modelling for the evaluation of the poroelastic parameters of a hardened cement paste［J］.Cement and Concrete research， 2010， 40（8）： 1197-1210.

［2］Faucon P， Adenot F， Jacquinot J F， et al.Long-term behaviour of cement pastes used for nuclear waste disposal：review of physico-chemical mechanisms of water degradation［J］.Cement and Concrete Research， 1998， 28（6）： 847-857.

［3］Carde C， Francois R.Modelling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes［J］.Cement and Concrete Composites， 1999， 21（3）： 181-188.

［4］劉冬梅，方坤河，阮燕.水工混凝土抗軟水接觸性溶蝕試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2006（8）：5-7.

［5］李亞杰，方坤河.建筑材料（第6版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［6］李新宇，方坤河.水工碾壓混凝土接觸溶蝕特性研究［J］.混凝土，2002（12）：12-17.