南方雨水對工程混凝土影響試驗(yàn)研究

(福建省莆田市東圳水庫管理局，福建 莆田 351137)

隨著我國綜合國力的不斷增強(qiáng)，越來越多的大型水利工程拔地而起。水利工程對于我國的國民經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。目前，混凝土是進(jìn)行工程建設(shè)的主要材料之一。在不同的環(huán)境中，混凝土所承受的外部影響也不盡相同，對于混凝土的耐久性和安全性具有重要的作用。由于水庫混凝土長期浸泡在水中，而不同的水域所含的物質(zhì)不盡相同。水庫中含有較多的重碳酸型水，對于在這樣的環(huán)境條件下，水庫工程的混凝土的耐久性需要進(jìn)行研究。因此，本文從混凝土材料的內(nèi)因出發(fā)，針對影響混凝土材料抗碳酸水侵蝕的關(guān)鍵因素，即膠凝材料組成、水膠比及養(yǎng)護(hù)制度，深入分析其對混凝土抗碳酸水侵蝕耐久性的影響，探索提高混凝土抗碳酸水侵蝕耐久性的措施，以期指導(dǎo)工程混凝土材料的設(shè)計(jì)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用的原材料有：硅酸鹽水泥、粉煤灰、河砂、碎石等。硅酸鹽水泥為42.5R水泥；粉煤灰為C類Ⅱ級灰。河砂為中砂，碎石為粒徑為5～16 mm、16～31.5 mm。原材料的物理化學(xué)性能見表1。

表1 原材料的物理化學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 膠凝材料凈漿試驗(yàn)

通過單摻和雙摻的方式，制備不同摻量礦渣、粉煤灰的水泥凈漿，凈漿的配比見表2。試樣的尺寸為Ф30×150 mm。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中(溫度20±2℃，相對濕度>90%)養(yǎng)護(hù)4天后，切割成厚度均勻的試樣(厚度為10 mm)。

表2 凈漿的配比表

1.2.2 水膠比凈漿、砂漿試樣

分別制水膠比為0.45、0.50、0.55、0.60的凈漿試樣和水膠比為0.45、0.50、0.55、0.60的砂漿試樣，試樣的尺寸為40×40×160 mm。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中(溫度20±2℃，相對濕度>90%)養(yǎng)護(hù)28天后取出進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為不同侵蝕齡期下的試樣侵蝕深度變化圖。從圖1可以看出，隨著試樣侵蝕齡期的增加，試樣的侵蝕深度不斷增大。在試驗(yàn)前期，侵蝕深度增加并不明顯，主要是在侵蝕早期產(chǎn)生的副產(chǎn)物使得混凝土結(jié)構(gòu)非常致密，使得侵蝕反應(yīng)變化非常慢。隨著侵蝕齡期的不斷增長，混凝土中pH值持續(xù)降低，侵蝕深度增加非常顯著。圖1(b)為單摻礦渣的試樣侵蝕深度變化曲線圖，礦渣的摻加致使混凝土中的CH含量越來越少，因此導(dǎo)致混凝土的侵蝕深度隨著礦渣產(chǎn)量的增加而增加，此時CH含量分別為純水泥漿體的81.55%、77.16%。另外，隨著礦渣的摻入，混凝土的孔徑逐漸向大孔徑方向偏移，削弱了混凝土的抗侵蝕能力。不同摻量粉煤灰混凝土侵蝕深度變化規(guī)律與不同摻量礦渣侵蝕深度變化規(guī)律類似，隨著粉煤灰摻量的增加，侵蝕深度也不斷增加，但粉煤灰的大量摻加也不利于混凝土的抗碳酸侵蝕。隨著粉煤灰的摻加，混凝土中的CH逐漸減小，CH含量分別為純水泥漿體的81.22%、75.43%、64.85%；少量摻加粉煤灰，可以降低混凝土的有效孔隙率，但是大量摻加粉煤灰后漿體的臨界孔徑尺寸由50 nm向95 nm大孔徑方向偏移，不利于漿體的抗侵蝕性能的提高。摻量為20%的混凝土滲透深度見圖1(d)，由圖1(d)可知雙摻情況下可以有效地減小混凝土的侵蝕深度，主要是雙摻情況下礦渣和粉煤灰可以有效地起到互補(bǔ)作用，因此可以使混凝土更加密實(shí)，提高混凝土的抗侵蝕能力。

圖1 試樣侵蝕深度

圖2為混凝土試樣侵蝕收縮狀況圖。從圖2可以看出，隨著混凝土侵蝕齡期的增加，凈漿的侵蝕收縮率越來越明顯。在混凝土侵蝕前期，凈漿混凝土體積變大，主要是在混凝土侵蝕的前期，鈣離子的溶出量少。隨著侵蝕齡期的增加，侵蝕收縮隨侵蝕齡期的平方根線性發(fā)展，因?yàn)樵谇治g的過程中，鈣離子的溶出速率趨于穩(wěn)定。

圖2(b)為單摻礦渣試樣的侵蝕收縮圖。從圖2(b)中可以看出，20%和30%礦渣摻量對于水泥凈漿的抗收縮能力影響最大，此時水泥凈漿收縮較小。圖2(c)為單摻粉煤灰試樣的侵蝕收縮圖，與單摻礦渣水泥凈漿試驗(yàn)相似，當(dāng)粉煤灰的摻量為20%、30%時，水泥凈漿的收縮最小，因此表明此時20%和30%含量粉煤灰對于水泥凈漿抗收縮能力最優(yōu)。圖2(d)為雙摻下水泥凈漿的收縮圖，由圖2(d)可知20%雙摻粉煤灰和礦渣可以有效提高水泥凈漿的抗收縮性能。

圖2 試樣侵蝕收縮圖

圖3為不同水膠比下砂漿侵蝕后孔隙率曲線。隨著水膠比與砂漿孔隙率呈正比關(guān)系，在侵蝕齡期較小時砂漿的孔隙率較小，主要是在侵蝕前期，砂漿中產(chǎn)生的副產(chǎn)物致使砂漿中的孔隙率減小，但是隨著侵蝕齡期的不斷增大，砂漿中的孔隙率也不斷增大。

圖3 不同水膠比下砂漿孔隙率曲線

3 水泥凈漿侵蝕深度的計(jì)算模型

水泥凈漿侵蝕過程中的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

假定水泥漿體初始狀態(tài)的侵蝕程度為零，且認(rèn)為侵蝕反應(yīng)中所有的CH都參與侵蝕反應(yīng)，則由物質(zhì)平衡理論得到:

通過改進(jìn)的阿爾基法則，把水泥漿體的有效孔隙率作為變量引入，得到擴(kuò)散系數(shù)與孔之間的關(guān)系：

結(jié)合上述兩式得到侵蝕深度計(jì)算公式：

取不同的n值時，理論計(jì)算的侵蝕深度見圖4。從圖4中可以看出，當(dāng)n=0.8時，計(jì)算值和實(shí)測值最為接近，因此取0.8作為侵蝕深度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值。在圖4(b)中，侵蝕深度計(jì)算值和實(shí)測值較為接近，隨著礦渣摻量的增大，侵蝕深度呈增大趨勢。摻加粉煤灰混凝土侵蝕深度實(shí)測值與摻加礦渣的變化規(guī)律類似。圖4(d)為單摻和雙摻試樣侵蝕深度的實(shí)測值與計(jì)算值，從圖4(d)中可以看出，摻礦渣試樣的侵蝕深度比摻粉煤灰試樣的侵蝕深度小，計(jì)算值也說明礦渣改善漿體抗侵蝕性的效果要好于粉煤灰。

圖4 試樣侵蝕深度實(shí)測值

4 混凝土抗碳酸水侵蝕耐久性研究

采用工程混凝土樣品，研究在碳酸水侵蝕作用下混凝土的耐久性，提出在碳酸水環(huán)境下混凝土的耐久性預(yù)測模型。圖5為不同侵蝕齡期砂漿的孔隙率。由圖5可知，隨著侵蝕齡期的增加，混凝土的孔隙率不斷增加，主要是由于在侵蝕過程中，水泥漿體不斷被溶解，導(dǎo)致孔隙率不斷增大。當(dāng)侵蝕試件較大時，砂漿的孔隙率變化變得非常緩慢，主要是在侵蝕后期，水泥砂漿發(fā)生二次水化，其副產(chǎn)物的增加，降低了水泥砂漿的孔隙率。

圖6為不同侵蝕齡期的抗壓強(qiáng)度。由圖6可知，隨著侵蝕齡期的不斷增大，試件的抗壓強(qiáng)度呈先降低后增大再降低的趨勢，但是整體強(qiáng)度損失不明顯。在試件的侵蝕較早時候，試件的強(qiáng)度有一定幅度的降低，主要是在侵蝕前期，試件的孔隙率增大，導(dǎo)致時間的強(qiáng)度降低，隨著侵蝕時間的增大，試件的強(qiáng)度有一定的提升，主要是由于時間內(nèi)部的二次水化作用致使試件孔隙率減小。

圖6 不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度

圖7為試件的侵蝕深度。由圖7可知，試件的侵蝕深度隨侵蝕齡期的增大而增大，在侵蝕前期，試件侵蝕深度變化比較緩慢，主要是侵蝕產(chǎn)物致使試件結(jié)構(gòu)致密造成的。在侵蝕后期隨著侵蝕齡期的增加，侵蝕深度迅速增大，主要是侵蝕后期，侵蝕的反應(yīng)速率增大造成的。根據(jù)侵蝕深度與侵蝕齡期建立關(guān)系式：

圖7 不同齡期試件的侵蝕深度

5 結(jié) 論

1) 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著試樣侵蝕齡期的增加，試樣的侵蝕深度不斷增大。少量添加礦渣和粉煤灰的混凝土有利于抵抗碳酸水的侵蝕，大量添加礦渣和粉煤灰的混凝土不利于抵抗碳酸水的侵蝕，20%雙摻混凝土的侵蝕深度最小，雙摻情況下礦渣和粉煤灰可以有效互補(bǔ)，因此混凝土更加密實(shí)。

2) 隨著混凝土侵蝕齡期的增加，凈漿的侵蝕收縮率越來越明顯。侵蝕收縮是漿體中物質(zhì)溶出的結(jié)果，在侵蝕深度差別不大的前提條件下，主要取決于漿體初始狀態(tài)的總鈣含量。故通過侵蝕收縮狀況分析發(fā)現(xiàn)，總鈣含量低的試樣在侵蝕過程中抗收縮能力較強(qiáng)。