硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)對碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度的影響

王 斌，代 帆，宋曉波

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，武漢 430064)

1 概 述

隨著我國對水資源的充分循環(huán)利用，我國沿海地區(qū)修筑大量水電站[1]。但面臨著水內(nèi)含有大量鹽分且在冬季嚴(yán)寒夏季炎熱或晝夜溫差較大時(shí)，凍融循環(huán)作用明顯雙重難題[2]。為了提升水電站或水庫的使用壽命，必須掌握硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重作用下碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度變化，以便在工程建設(shè)初期采取有效措施。

本文主要探討碾壓混凝土受到硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重作用時(shí)層面抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。首先介紹試驗(yàn)用材與混合比設(shè)置、構(gòu)件制作、試驗(yàn)方法。設(shè)置3種水膠比例0.40、0.50、0.60，并設(shè)置去離子水環(huán)境與6.0%Na2SO4溶液環(huán)境，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，選取質(zhì)量損失百分比與抗剪強(qiáng)度損失比進(jìn)行比較分析，以指導(dǎo)工程實(shí)踐，提升大壩水庫等修筑質(zhì)量。

2 設(shè)置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料介紹與混合比

在設(shè)置試驗(yàn)混合比時(shí)選擇贛州當(dāng)?shù)啬彻皦文雺夯炷粱旌媳萚4]，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)范與施工現(xiàn)場測得的流動性小幅調(diào)節(jié)。詳細(xì)的碾壓混凝土混合比設(shè)置情況見表1。

水泥材料選擇南昌市某水泥廠提供的中熱硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級P.O52.5。水泥所含化學(xué)成分及占比見表2[5]。摻和料選擇天然火山灰。以細(xì)度模數(shù)2.72的石英砂作為細(xì)骨料，以粒徑最大值為78 mm的天然卵石作為粗骨料。SBTJM - II 型高效減水劑(標(biāo)準(zhǔn)型)與 AIR202 型引氣劑作為外加劑，其外摻比例依次是1.0%、0.08%，全部由某單位提供。

表2 水泥化學(xué)構(gòu)成及各自占比

2.2 樣品構(gòu)件制作

按照相關(guān)規(guī)范中抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)程制作含層面的構(gòu)件，大小為邊長160 mm的立方體，共設(shè)置2組，并標(biāo)號1與2。構(gòu)件分成上下層澆筑，在下層碾壓混凝土澆筑成型后再澆筑上層碾壓混凝土并振搗，兩次澆筑相距時(shí)間長保證為240 min、各構(gòu)件統(tǒng)一養(yǎng)護(hù)75 d[6]。1組構(gòu)件置于去離子水環(huán)境內(nèi)，2組構(gòu)件置于5.5%硫酸鈉溶液內(nèi)，2組構(gòu)件完成凍融。

2.3 試驗(yàn)方法介紹

僅在水環(huán)境時(shí)的凍融試驗(yàn)：把養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期的構(gòu)件提早5 d置于去離子水內(nèi)浸泡后放置在含有去離子水的構(gòu)件容器內(nèi)，參考相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程里的快凍方法完成凍融試驗(yàn)。

凍融循環(huán)與含量6.0%Na2SO4溶液侵蝕聯(lián)合影響試驗(yàn)：把養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期的構(gòu)件提早5 d置于含量6.0%Na2SO4溶液內(nèi)浸泡后放置在含有6.0%Na2SO4溶液的構(gòu)件容器內(nèi)，并按相同方法完成凍融試驗(yàn)。

上述兩類環(huán)境下完成25.0、50.0、100.0、150.0次凍融循環(huán)試驗(yàn)，具體見圖1。每一次循環(huán)試驗(yàn)后拿出4個(gè)構(gòu)件擦拭干凈后測定其重量，并選擇直剪儀對構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定，具體見圖2。

圖1 凍融試驗(yàn)情景圖

圖2 剪切試驗(yàn)實(shí)景圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)探析

3.1 外觀破損情況

經(jīng)過上述2類凍融環(huán)境后，凍融數(shù)量的上升、各水膠比例的碾壓混凝土在150.0次凍融破壞后的外觀破損情況見圖3-圖8。

圖3 去離子水環(huán)境下各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.40)

圖4 6.0% Na2SO4各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.40)

圖5 去離子水環(huán)境下各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.50)

圖6 6.0% Na2SO4各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.50)

圖7 去離子水環(huán)境下各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.60)

圖8 6 .0% Na2SO4各次凍融循環(huán)后外觀破損情況(水膠比例0.60)

構(gòu)件的外觀破損從最初的光滑平整逐漸至表面漿體掉落，后掉塊，甚至更多。結(jié)合外觀破損情況，可將其劃分成3個(gè)時(shí)期：①凍融早期，構(gòu)件周圍有少量麻點(diǎn)顯露。②凍融中期，構(gòu)件外觀的水泥漿體開始脫落，同時(shí)裂縫與孔洞出現(xiàn)并增加。③凍融晚期，構(gòu)件外表骨料無水泥漿體裹附，直接接觸外界環(huán)境骨料開始掉落。

試驗(yàn)時(shí)，碾壓混凝土的質(zhì)量損失以質(zhì)量損失百分比作為評價(jià)指標(biāo)。

質(zhì)量損失百分比計(jì)算公式如下，并取4個(gè)構(gòu)件實(shí)測數(shù)據(jù)的均值作為實(shí)測數(shù)據(jù)。

ΔZn=100(Zy-Zn)/Zy

(1)

式中：ΔZn為經(jīng)過凍融循環(huán)作用n次后的質(zhì)量損失百分比例，%；Zy為未經(jīng)過凍融循環(huán)作用前構(gòu)件質(zhì)量，g；Zn為對試驗(yàn)構(gòu)件經(jīng)過n次凍融循環(huán)作用后的質(zhì)量，g。

經(jīng)過上述兩類凍融環(huán)境后，每次經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)周期時(shí)利用式(1)得到構(gòu)件的質(zhì)量損失百分比，依次記錄在表3與表4中。

表3 凍融循環(huán)作用時(shí)碾壓混凝土構(gòu)件質(zhì)量損失百分比表

表4 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕同時(shí)影響時(shí)碾壓混凝土構(gòu)件質(zhì)量損失百分比表

分析表3中試驗(yàn)分組1、2、3對應(yīng)的數(shù)據(jù)，能夠得到當(dāng)凍融循環(huán)數(shù)量一致時(shí)碾壓混凝土的水膠比例與質(zhì)量損失百分比速率成正相關(guān)關(guān)系。其原因是由于水膠比例高，水泥水化程度小，骨料間的漿體附著能力較小。比較3組和6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)早期構(gòu)件放置在含有6.0%的Na2SO4溶液時(shí)小于含有去離子水中的質(zhì)量損失百分比，經(jīng)過50.0次凍融循環(huán)后，6組構(gòu)件的質(zhì)量損失百分比上升幅度逐漸超過3組；在凍融循環(huán)數(shù)量為150.0次時(shí)，3組質(zhì)量損失百分比是4.09%，6組質(zhì)量損失百分比遠(yuǎn)大于3組，達(dá)到4.42%。硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)兩種影響時(shí)間越長，Na2SO4溶液內(nèi)部擴(kuò)散越良好，導(dǎo)致碾壓混凝土質(zhì)量損失百分比上升。

3.2 抗剪性能分析

3.2.1 硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)同時(shí)影響下層面剪切性能分析

設(shè)定水膠比例0.40、0.50、0.60的碾壓混凝土在含量6.0%的Na2SO4溶液與去離子水內(nèi)完成相應(yīng)數(shù)量的凍融循環(huán)，并檢測層面抗剪強(qiáng)度值。對應(yīng)法向應(yīng)力設(shè)定1.0、2.0、3.0 MPa。對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用庫倫方程計(jì)算得到混凝土層面摩擦系數(shù)f、黏結(jié)力c、法向應(yīng)力u和剪應(yīng)力t之間的方程式，具體見表5。

表5 各凍融環(huán)境時(shí)凍融循環(huán)數(shù)量下擬合的庫倫方程式匯總表

分析表5中公式可知，剪應(yīng)力和法向應(yīng)力呈線性關(guān)系，與庫倫抗剪定律吻合。試驗(yàn)組經(jīng)過2類環(huán)境的凍融循環(huán)試驗(yàn)，碾壓混凝土的層面黏聚力的改變幅度遠(yuǎn)不同于摩擦系數(shù)的改變幅度。由1試驗(yàn)組數(shù)據(jù)可知，混凝土在150.0次凍融循環(huán)黏聚力由3.65減小至1.15，下降幅度2.50，對比摩擦系數(shù)下降幅度僅為0.30。分析試驗(yàn)組5與6的摩擦系數(shù)和黏聚力可知，通過150.0次凍融循環(huán)時(shí)，共同影響時(shí)構(gòu)件層面摩擦系數(shù)和黏聚力的減小幅度全部超過去離子水環(huán)境時(shí)的減小程度。通過數(shù)據(jù)分析可概括如下結(jié)論：在2類環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，層面黏聚力受凍融或Na2SO侵蝕破壞程度大于比摩擦系數(shù)，所以層面黏聚力決定了抗剪強(qiáng)度改變。硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重影響時(shí)下層面抗剪性能減小程度更甚。

3.2.2 硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)同時(shí)影響下層面抗剪強(qiáng)度分析

碾壓混凝土強(qiáng)度損失百分比計(jì)算公式見式(2)，并取4個(gè)構(gòu)件實(shí)測數(shù)據(jù)的均值作為實(shí)測數(shù)據(jù)。變化曲線見圖9、圖10。

Δt=100(ty-tn)/ty

(2)

式中：Δt為強(qiáng)度損失百分比，%；ty為未經(jīng)過凍融循環(huán)作用前構(gòu)件受到3 MPa法向應(yīng)力時(shí)的抗剪強(qiáng)度值，MPa；tn為對試驗(yàn)構(gòu)件經(jīng)過n次凍融循環(huán)作用后受到3 MPa法向應(yīng)力時(shí)的抗剪強(qiáng)度值，MPa。

圖9 兩類凍融環(huán)境時(shí)抗剪強(qiáng)度損失百分比和凍融循環(huán)數(shù)量變化曲線

圖10 水膠比例0.60的碾壓混凝土在兩類凍融環(huán)境時(shí)抗剪強(qiáng)度損失百分比和凍融循環(huán)數(shù)量變化曲線

分析圖10中變化曲線可知，構(gòu)件在兩類凍融環(huán)境時(shí)變化趨勢一致，即碾壓混凝土抗剪強(qiáng)度損失百分比與凍融循環(huán)數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。在凍融循環(huán)數(shù)量較低時(shí)，構(gòu)件放置在含6.0%Na2SO4溶液時(shí)層間抗剪強(qiáng)度損失百分比略小于放置在去離子水內(nèi)，若凍融循環(huán)數(shù)量大于100.0次后，構(gòu)件放置在含6.0%Na2SO4溶液時(shí)層間抗剪強(qiáng)度損失百分比降幅加大并超過放置在去離子水內(nèi)。分析圖6中各水膠比例碾壓混凝土的抗剪強(qiáng)度損失百分比可知，凍融環(huán)境一致時(shí)水膠比例越大抗剪強(qiáng)度損失百分比越多。在2類環(huán)境共同影響時(shí)，水膠比例越低，碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度損失百分比下降較小。

4 結(jié) 語

本文主要探討了碾壓混凝土受到硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重作用時(shí)層面抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。首先介紹試驗(yàn)用材與混合比設(shè)置、構(gòu)件制作、試驗(yàn)方法。設(shè)置3種水膠比例0.40、0.50、0.60，并設(shè)置去離子水環(huán)境與6.0%Na2SO4溶液環(huán)境，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，選取質(zhì)量損失百分比與抗剪強(qiáng)度損失比進(jìn)行比較分析。最后得到如下結(jié)論：

1) 在硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重影響時(shí)，前期硫酸鹽可阻止碾壓混凝土凍融破損，隨著時(shí)間延長，硫酸鹽侵蝕可為凍融破損助力，碾壓混凝土破損加快。

2) 水膠比例影響著硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重影響造成的碾壓混凝土層面抗剪強(qiáng)度下降程度，大致呈正相關(guān)關(guān)系。

3) 在硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重影響，層面黏聚力下降明顯，摩擦系數(shù)不受影響。