水工混凝土老化測(cè)試與耐久性評(píng)估的試驗(yàn)研究

蘇永軍， 王 慧， 劉風(fēng)華

(河北水利電力學(xué)院， 河北 滄州 061001)

水工混凝土老化測(cè)試與耐久性評(píng)估的試驗(yàn)研究

蘇永軍， 王 慧， 劉風(fēng)華

(河北水利電力學(xué)院， 河北 滄州 061001)

以貴州某水庫(kù)服役約40 a的泄洪閘底板的混凝土鉆芯樣為研究對(duì)象，對(duì)其老化測(cè)試和耐久性評(píng)估試驗(yàn)進(jìn)行了研究。老化測(cè)試表明，碳化深度小于40 mm，混凝土碳化層、未碳化層、交接面的橫劈強(qiáng)度值相差較小，橫劈強(qiáng)度值浮動(dòng)范圍分別為1.91～2.82、2.70～4.94、2.48～3.75 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)，在碳化深度較小時(shí)，不易碳化的混凝土碳化后，其未碳化混凝土、碳化混凝土強(qiáng)度變化不大。耐久性評(píng)估試驗(yàn)表明，對(duì)于C35現(xiàn)澆混凝土試件，在4、8、10 d，其強(qiáng)度下降分別比芯樣快3.2%、4.6%、7.9%，最后C35現(xiàn)澆試件強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。經(jīng)15%的H2SO4溶液浸泡后，混凝土芯樣、C35現(xiàn)澆混凝土橫劈強(qiáng)度，隨著浸泡天數(shù)的增加均呈減小趨勢(shì)，純凈水浸泡的芯樣則呈增大趨勢(shì)。C35現(xiàn)澆混凝土蝕強(qiáng)率隨著時(shí)間變化不呈線(xiàn)性關(guān)系，芯樣混凝土呈線(xiàn)性關(guān)系。

水工混凝土； 耐久性評(píng)估； 老化測(cè)試； 試驗(yàn)

1 概述

在水工混凝土中，鋼筋銹蝕嚴(yán)重的影響著鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性，在進(jìn)行水工建筑物安全鑒定時(shí)，耐久性也是主要的評(píng)估內(nèi)容之一[1]。因耐久性不良，引起一些水工混凝土建筑物工程損壞，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。在一些常見(jiàn)的橋梁、水閘、大壩等實(shí)際工程中，因混凝土鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)膨脹、開(kāi)裂，同時(shí)鋼筋保護(hù)層也出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，結(jié)果就是混凝土結(jié)構(gòu)承載力下降，影響水工建筑物煩人安全[2-4]。

當(dāng)水工建筑物因材料失效時(shí)，就需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)，這樣會(huì)日益增大更新投入[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因水工混凝土劣化，在對(duì)其進(jìn)行后期處理時(shí)，所需資金高達(dá)建造資金的0.5倍左右，嚴(yán)酷環(huán)境下的水工混凝土使用壽命僅18 a左右，橋梁、港口等工程，在使用幾年后就會(huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，這主要就是由于混凝土耐久性較差導(dǎo)致的[6-9]。混凝土耐久性實(shí)質(zhì)是指混凝土對(duì)磨耗、化學(xué)侵蝕、大氣侵蝕等劣化過(guò)程進(jìn)行抵抗的能力[10，11]。對(duì)水工混凝土進(jìn)行研究，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)已經(jīng)建成的混凝土工程進(jìn)行老化測(cè)試和耐久性評(píng)估。本文以某泄洪閘底板混凝土為研究對(duì)象，對(duì)其老化測(cè)試和耐久性評(píng)估試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 試驗(yàn)用水工混凝土取樣

在貴州某水庫(kù)服役約40 a的泄洪閘底板的混凝土，進(jìn)行試驗(yàn)所用試樣的鉆芯取樣，其中芯樣直徑為110 mm，長(zhǎng)度為220 mm，采用圓柱體橫劈法，進(jìn)行混凝土經(jīng)硫酸腐蝕后強(qiáng)度的變化規(guī)律的研究。閘底板混凝土設(shè)計(jì)的強(qiáng)度為140#，在經(jīng)歷了40 a后，其強(qiáng)度變化很大，試驗(yàn)對(duì)9個(gè)芯樣進(jìn)行了老化測(cè)試，同時(shí)在現(xiàn)有強(qiáng)度條件下，考慮混凝土芯樣與同強(qiáng)度現(xiàn)澆混凝土腐蝕變化的差異，進(jìn)行其耐久性研究，試驗(yàn)通過(guò)對(duì)6個(gè)芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，對(duì)閘底板混凝土的實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行，其強(qiáng)度平均值為38.59 MPa，現(xiàn)澆混凝土標(biāo)號(hào)采用C35，澆筑φ100×200 mm的圓柱體試樣共9個(gè)。

2.2 耐久性加速腐蝕

本文耐久性評(píng)估采用加速腐蝕試驗(yàn)方法，通過(guò)提高介質(zhì)濃度，達(dá)到腐蝕加速，試驗(yàn)采用硫酸作為酸性介質(zhì)，其初始濃度為15%，將混凝土試件侵入15%的硫酸溶液中，這樣一直持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。在15%的硫酸溶液中，將9個(gè)φ100×200 mm現(xiàn)澆混凝土試樣、9個(gè)φ100×200 mm水庫(kù)混凝土芯樣進(jìn)行全部浸泡；在純凈水中，將3個(gè)φ100×200 mm水庫(kù)混凝土芯樣進(jìn)行全部浸泡，浸泡時(shí)間分別為4、8、10、12、16 d。

2.3 混凝土氯離子檢測(cè)

對(duì)于鉆取的混凝土試樣，試驗(yàn)采用化學(xué)滴定法，對(duì)氯離子含量進(jìn)行了測(cè)定，采用干磨混凝土粉末機(jī)將混凝土芯樣打磨成過(guò)60寸目篩的粉末，稱(chēng)取5 g置于密封瓶，加入體積為V3的蒸餾水50 mL，劇烈搖動(dòng)30 min，并放置24 h。過(guò)濾浸泡液，用移液管吸取體積為V4的濾清液20 mL，使用酚酞進(jìn)行滴定，試驗(yàn)中使用的硝酸銀體積為V5，采用公式式(1)可得到混凝土氯離子濃度值。

(1)

公式中：P為自由氯離子含量，%；CAgNO3為硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；G為混凝土粉末質(zhì)量，g。

3 水工混凝土老化測(cè)試

采用鉆芯法對(duì)混凝土碳化深度、氯離子含量、強(qiáng)度、試樣尺寸等進(jìn)行檢測(cè)。使用用酚汰試劑，對(duì)混凝土芯樣未碳化層、碳化層進(jìn)行測(cè)定；采用橫劈法，進(jìn)行芯樣未碳化層、碳化層以及兩層交接面的橫劈試驗(yàn)，用酚汰試劑檢測(cè)劈裂面，在劈裂面上，若混凝土無(wú)紅色出現(xiàn)，說(shuō)明劈裂處已完全碳化；若混凝土全部出現(xiàn)紅色，說(shuō)明劈裂處未碳化；若混凝土部分出現(xiàn)紅色，部分未出現(xiàn)紅色，說(shuō)明劈裂面是未碳化層和碳化層交接面，表1為 φ100×200 mm圓柱體芯樣橫劈試驗(yàn)結(jié)果。

由表1可知：碳化深度小于40 mm，混凝土碳化層、未碳化層、交接面的橫劈強(qiáng)度值相差較小，這主要是因?yàn)樵诖髿猸h(huán)境下，混凝土碳化后，其強(qiáng)度會(huì)增高，但因受大化學(xué)作用、物理作用降低了碳化層混凝土強(qiáng)度，這樣在一定范圍內(nèi)，兩者間的強(qiáng)度相互抵消，造成三者的橫劈強(qiáng)度值比較接近。碳化深度大于40 mm，混凝土碳化層、未碳化層、交接面的橫劈強(qiáng)度值則比較分散，未碳化層橫劈強(qiáng)度值在2.70～4.94 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)，碳化層橫劈強(qiáng)度值在1.91～2.82 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)，交接面橫劈強(qiáng)度值在2.48～3.75 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)，這說(shuō)明在碳化深度較小時(shí)，不易碳化的混凝土碳化后，其未碳化混凝土、碳化混凝土強(qiáng)度變化不大；在碳化深度較小時(shí)，易碳化的混凝土碳化后，其未碳化混凝土、碳化混凝土強(qiáng)度變化較大。

表1 芯樣橫劈試驗(yàn)結(jié)果Table1 Thetestresultsofcoresamples試樣編號(hào)碳化深度/mm試樣尺寸/cm橫劈強(qiáng)度/MPa碳化層交接面未碳化層氯離子含量/%劈裂面情況Y-13324311 283250015完好Y-240273293543310015完好Y-341301912592730015部分?jǐn)嗔裏-449292173753900015完好Y-55327//3120015完好Y-656202802963810015完好Y-758262742482930015完好Y-860302823442700015完好Y-968281943134940015完好

4 水工混凝土耐久性評(píng)估試驗(yàn)

進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，其核心內(nèi)容是研究鋼筋的銹蝕，造成鋼筋銹蝕有很多因素。其中，混凝土鋼筋的酸性腐蝕是比較重要的一個(gè)因素。在水環(huán)境下，由于酸性離子的侵入，引起混凝土鋼筋銹蝕，其速度比碳化作用引起鋼筋銹蝕速度要大的多，很多橋梁結(jié)構(gòu)、港口碼頭由于受酸性離子作用，在服役不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，鋼筋銹蝕嚴(yán)重。水工混凝土耐久性由一個(gè)相互制約、相互關(guān)聯(lián)的多種因素構(gòu)成，研究結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估，實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行水工混凝土的材料結(jié)構(gòu)損傷程度、材料強(qiáng)度的評(píng)估，這為適用性、安全性評(píng)估提供了十分重要的信息，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)使用壽命有一定的幫助。

4.1 混凝土的硫酸腐蝕規(guī)律

環(huán)境水對(duì)水庫(kù)泄洪閘底板的混凝土耐久性影響，是通過(guò)干濕循環(huán)發(fā)生作用的，同時(shí)會(huì)造成混凝土硫酸型侵蝕、溶出性侵蝕、碳酸型侵蝕。混凝土侵蝕機(jī)理：通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，水中的化學(xué)成分大量地對(duì)混凝土中的CaO進(jìn)行溶解，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度逐漸降低、結(jié)構(gòu)逐漸疏松的現(xiàn)象；在濕度適宜情況下，大氣中的CO2與已水化的水泥礦物會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2和CO2發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3，因?yàn)樘蓟瘜泳哂惺湛s應(yīng)力，在干濕循環(huán)中，混凝土開(kāi)裂進(jìn)一步加劇。硫酸型侵蝕是指在溶液中，含有與水泥石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕，這些反應(yīng)包括陽(yáng)離子交換反應(yīng)，其產(chǎn)物因擴(kuò)散而容易溶解，隨滲流水會(huì)從混凝土結(jié)構(gòu)中析出，以非晶體形式進(jìn)行聚集，而聚集的物質(zhì)不會(huì)影響腐蝕破壞的更深入發(fā)展，這樣的結(jié)果就是導(dǎo)致混凝土表面軟化和疏松，強(qiáng)度也因此降低，酸性介質(zhì)對(duì)混凝土的腐蝕屬于硫酸型侵蝕，其化學(xué)過(guò)程可表示如下：

Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4+H2O

CaO·nSiO2→CaSO4+Si(OH)4

CaSO4+H2O→CaSO4·2H2O

由于硫酸腐蝕，混凝土強(qiáng)度會(huì)降低，這與混凝土本身密實(shí)性、環(huán)境溫度、硫酸介質(zhì)濃度、介質(zhì)擴(kuò)散遷移速度有關(guān)，介質(zhì)對(duì)混凝土的蝕強(qiáng)率用公式(2)計(jì)算，混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度、圓柱體橫劈抗壓強(qiáng)度分別用公式(3)、式(4)計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

4.2 腐蝕混凝土的橫劈強(qiáng)度試驗(yàn)

以初始濃度為15%的硫酸溶液為介質(zhì)液，進(jìn)行現(xiàn)澆C35混凝土圓柱體試件、芯樣試件蝕強(qiáng)率試驗(yàn)，在密封容器中進(jìn)行試驗(yàn)，這樣在非試驗(yàn)范圍內(nèi)，硫酸濃度變化就減小了，為研究芯樣強(qiáng)度，進(jìn)行6個(gè)芯樣的橫劈試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)，表2為芯樣抗壓試驗(yàn)及橫劈試驗(yàn)結(jié)果。

表2 芯樣抗壓試驗(yàn)及橫劈試驗(yàn)Table2 Thecoresamplecompressiontestandcrosswedgetest試樣編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa圓柱體橫劈抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂面情況X-1394904522完好X-2328663592完好X-3298093185完好X-4456054790完好X-5456055146一小石碎裂X-645864586完好平均強(qiáng)度/MPa3987325821

從表2可以看出：芯樣抗壓強(qiáng)度平均值為39.873 MPa，圓柱體橫劈抗壓強(qiáng)度平均值為25.821 MPa，劈裂面除試件X-5出現(xiàn)一小石碎裂外，其余5個(gè)試件質(zhì)量均完好。

4.3 腐蝕后混凝土橫劈強(qiáng)度

對(duì)芯樣、C35現(xiàn)澆混凝土試件在浸泡時(shí)間為4、8、10、12、16 d條件下，分別以純凈水、15%的H2SO4溶液為介質(zhì)，進(jìn)行橫劈試驗(yàn)，表3為混凝土浸泡試驗(yàn)后的橫劈強(qiáng)度值，圖1為平均強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

從表1和圖1可以看出：經(jīng)15%的H2SO4溶液浸泡后，混凝土芯樣、C35現(xiàn)澆混凝土的橫劈強(qiáng)度，隨著浸泡天數(shù)的增加，橫劈強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì)，在純凈水中浸泡的芯樣，隨著浸泡天數(shù)的增加，橫劈強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。

圖2為平均強(qiáng)度下降百分比與浸泡時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖2可以看出：當(dāng)芯樣在15%硫酸中浸泡4 d后，其平均強(qiáng)度下降到90.7%；8 d的平均強(qiáng)度下降到83.4%；10 d平均強(qiáng)度下降到80.2%；12 d平均強(qiáng)度下降到69.5%；16平均強(qiáng)度下降到59.2%。

表3 混凝土浸泡后橫劈強(qiáng)度值Table3 Thetransversestrengthofconcreteafterimmersion浸泡類(lèi)型/試樣試樣編號(hào)浸泡天數(shù)/d048101216純凈水/芯樣X(jué)-11389415434449464466X-12411414426443472484X-13440445449449459477混凝土芯樣強(qiáng)度平均值/MPa41342543644746547615%的H2SO4溶液/芯樣X(jué)-21467427375366358338X-22449396368340282195X-23371343331325254228混凝土芯樣強(qiáng)度平均值/MPa42938935834429825415%的H2SO4溶液/C35現(xiàn)澆混凝土X-31422366325297284256X-32422366323290283260X-33401356334312268255混凝土芯樣強(qiáng)度平均值/MPa415363327300278257

圖1 平均強(qiáng)度與浸泡時(shí)間的關(guān)系Figure 1 The relationship between average intensity and immersion time

當(dāng)C35現(xiàn)澆混凝土在15%硫酸中浸泡4 d后，其平均強(qiáng)度下降到87.5%；8 d的平均強(qiáng)度下降到78.8%；10 d平均強(qiáng)度下降到72.3%；12 d平均強(qiáng)度下降到67.0%；16平均強(qiáng)度下降到61.9%。對(duì)于C35現(xiàn)澆混凝土試件，在4、8、10 d，其強(qiáng)度下降分別比芯樣快3.2%、4.6%、7.9%，最后C35現(xiàn)澆試件強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，這主要是由于經(jīng)過(guò)40 a水化反應(yīng)，芯樣混凝土內(nèi)部空隙較小，導(dǎo)致滲透性較低，在腐蝕初期，受影響比C35現(xiàn)澆試件的要小；隨著腐蝕天數(shù)的增加，腐蝕反應(yīng)得到充分進(jìn)行，后期芯樣剩余強(qiáng)度率與C35現(xiàn)澆試件相差較小。同時(shí)，石子表面積同樣重要，因石子比水泥石難以腐蝕，所以石子含量會(huì)對(duì)腐蝕速度造成影響。芯樣混凝土與C35現(xiàn)澆混凝土相比，其表面的石子較多，在前期腐蝕中就要較些，強(qiáng)度下降較慢；在水庫(kù)泄洪閘底板的混凝土芯樣被劈開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部石子含量較少，造成后期腐蝕作用較強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度下降顯著。

圖2 平均強(qiáng)度下降百分比與浸泡時(shí)間的關(guān)系Figure 2 The relationship between the average intensity and the soaking time

4.4 蝕強(qiáng)率與腐蝕時(shí)間關(guān)系

在腐蝕時(shí)間一定條件下，蝕強(qiáng)率主要受蝕強(qiáng)率系數(shù)、腐蝕介質(zhì)濃度的影響，圖3為蝕強(qiáng)率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖3可以看出：C35現(xiàn)澆混凝土蝕強(qiáng)率隨著時(shí)間變化不再呈線(xiàn)性關(guān)系，隨著蝕強(qiáng)率系數(shù)、介質(zhì)濃

圖3 蝕強(qiáng)率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)Figure 3 The relationship between corrosion rate and corrosion time

度的變化，芯樣混凝土的變化呈線(xiàn)性關(guān)系。

4.5 評(píng)估分析

混凝土腐蝕程度評(píng)價(jià)指標(biāo)分為結(jié)構(gòu)損壞、強(qiáng)度損失。強(qiáng)度損失是指受到腐蝕后，在腐蝕影響區(qū)、深度內(nèi)，混凝土因材料發(fā)生化學(xué)變化、物理變化，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。因腐蝕深度不同，混凝土強(qiáng)度損失不同。在實(shí)際工程中，通常根據(jù)混凝土受損程度，對(duì)混凝土強(qiáng)度損失進(jìn)行估計(jì)。結(jié)構(gòu)損壞是指混凝土某些成分和腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)引起混凝土表面出現(xiàn)溶析、空隙增大、軟化、酥松等。在混凝土硫酸腐蝕后，隨腐蝕時(shí)間的增加，腐蝕程度增大；長(zhǎng)齡期混凝土受硫酸腐蝕后，其橫劈強(qiáng)度降低同時(shí)間呈正比關(guān)系，而C35現(xiàn)澆混凝土，在濃度隨時(shí)間減小時(shí)，其橫劈強(qiáng)度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文以貴州某水庫(kù)服役約40 a的泄洪閘底板的混凝土鉆芯樣為研究對(duì)象，對(duì)其老化測(cè)試和耐久性評(píng)估試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

① 老化測(cè)試表明，碳化深度小于40 mm，混凝土碳化層、未碳化層、交接面的橫劈強(qiáng)度值相差較小，橫劈強(qiáng)度值浮動(dòng)范圍分別為1.91～2.82、2.70～4.94、2.48～3.75 MPa范圍內(nèi)浮動(dòng)，在碳化深度較小時(shí)，不易碳化的混凝土碳化后，其未碳化混凝土、碳化混凝土強(qiáng)度變化不大。

② 耐久性評(píng)估試驗(yàn)表明，對(duì)于C35現(xiàn)澆混凝土試件，在4、8、10 d，其強(qiáng)度下降分別比芯樣快3.2%、4.6%、7.9%，最后C35現(xiàn)澆試件強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。

③ 經(jīng)15%的H2SO4溶液浸泡后，混凝土芯樣、C35現(xiàn)澆混凝土的橫劈強(qiáng)度，隨著浸泡天數(shù)的增加，橫劈強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì)，在純凈水中浸泡的芯樣，橫劈強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。C35現(xiàn)澆混凝土蝕強(qiáng)率隨著時(shí)間變化不呈線(xiàn)性關(guān)系，芯樣混凝土呈線(xiàn)性關(guān)系。

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Experimental Study on Aging Test and Durability Evaluation of Hydraulic Concrete

SU Yongjun， WANG Hui， LIU Fenghua

(Hebei University of Water Resources and Electric Engineering， Cangzhou， Hebei 061001， China)

In this paper，a reservoir of Guizhou sluice floor served for about 40 years as the research object of the concrete core samples，the aging test and durability evaluation experiment.The aging test showed that the carbonation depth is less than 40 mm，concrete carbonization layer，not carbonized layer，the interface between transverse splitting strength values are small，transverse splitting strength value floating range were 1.91～2.82，2.70～4.94，2.48～3.75 MPa range，the carbonation depth is small，not easy carbonation of concrete carbonation，the carbide carbide changes of concrete strength concrete，little.Durability assessment test showed that，for C35 cast in situ concrete specimens，in the 4D，8D，10 d，its strength decreased by 3.2%，4.6%，7.9%，respectively，and the final C35 is the strength of the cast-in-place test pieces tend to be stable.After immersion in 15% H2SO4solution，concrete core samples，C35 cast in situ concrete transverse splitting strength，with the increase of the number of days of immersion is a decreasing trend，the core samples of pure water immersion showed an increasing trend.The corrosion rate of cast in place concrete is not linearly related with the time change，and the core like concrete has a linear relationship with the C35.

hydraulic concrete； durability assessment； aging test，test

2016 — 10 — 09

蘇永軍(1981 — )，男，山東壽光人，講師，工程碩士，研究方向：水利工程，土木工程。

TU 375

A

1674 — 0610(2016)06 — 0174 — 04