基于凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用的水工混凝土耐久性試驗研究

王 嬌

(營口市水利勘測建筑設(shè)計院，遼寧 營口 115000)

針對東北地區(qū)的地理位置特點，水工混凝土長期處于硫酸鹽離子侵蝕以及凍融循環(huán)的共同作用，對水工混凝土的耐久性和使用壽命都產(chǎn)生不同程度的影響[1]。開展硫酸鹽離子和凍融循環(huán)耦合作用下的水工混凝土耐久性試驗對于水工混凝土的配比設(shè)計，提高水工混凝土工程的使用壽命具有重要的理論意義和實用價值[2]。國內(nèi)有許多學(xué)者展開混凝土耐久性研究，但是大部分都是針對硫酸鹽離子或者凍融循環(huán)單個影響要素進(jìn)行分析[3- 7]，而對于硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環(huán)共同作用下水工混凝土耐久性研究的成果還較少，特別是在東北地區(qū)還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合水工試驗[8- 9]，對硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環(huán)共同作用下的耐久性能指標(biāo)進(jìn)行試驗分析，分析成果對于東北地區(qū)水工混凝土耐久性規(guī)劃設(shè)計具有重要的參考價值。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 混凝土配比設(shè)計

參照《水工混凝土施工規(guī)范》[10]，綜合其水工混凝土的各項指標(biāo)要求，綜合設(shè)定混凝土的綜合配比，其用水量為135.0kg，砂率主要為28%，采用二級天然的河床卵石作為其試驗混凝土粗骨料，最大粒徑為25mm，大小石子的綜合比例選定為1∶1，減水劑和引氣劑的比例分別為0.7%和0.002%。本試驗主要選用對3種不同試驗施工混凝土進(jìn)行配比設(shè)計，各編號混凝土配比結(jié)果見表1。

1.2 混凝土試件的制作

根據(jù)SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》制作兩組立方體水工混凝土試件，采用上下兩層的澆筑方式進(jìn)行水工混凝土試件的制作。先澆筑上層的水工混凝土筑件，再開始進(jìn)行下層混凝土筑件的澆筑，兩個工序之間的時間間隔分別為3h，所有試件制作完成后，進(jìn)行為期100天的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。將兩組混凝土試件分別放入離子水環(huán)境和4%的標(biāo)準(zhǔn)硫酸鈉的溶液中進(jìn)行水工混凝土的凍融循環(huán)試驗，凍融循環(huán)試驗如圖1所示。

表1 不同試驗水工混凝土的配比參數(shù)

圖1 水工凍融循環(huán)試驗

1.3 試驗方法

將進(jìn)行完標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的試件提前5h放入到離子水進(jìn)行浸泡，然后放入凍融循環(huán)試驗盒中，采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。5%的硫酸鹽和凍融耦合循環(huán)試驗主要將標(biāo)準(zhǔn)試驗混凝土件提前5d放入到配置好的5%的硫酸鹽溶液中進(jìn)行浸泡。然后放入到5%的硫酸鹽標(biāo)準(zhǔn)試驗盒中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。將試驗水工混凝土放入到兩種試驗環(huán)境中進(jìn)行30、60、120、160次的凍融循環(huán)試驗，試驗儀器如圖2所示。每完成一次試驗循環(huán)周期后取出試驗標(biāo)準(zhǔn)件，并擦拭干凈后放入電子稱上進(jìn)行稱重。

圖2 試驗觀測儀器

1.4 試驗分析方法

在進(jìn)行循環(huán)周期試驗時，當(dāng)混凝土質(zhì)量損失量低于5%時，則停止進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，水工混凝土質(zhì)量損失率的計算方程為：

(1)

式中，Δwn—試驗水工混凝土的質(zhì)量損失率，%；w0—試驗前的質(zhì)量損失率，%；wn—經(jīng)過多次循環(huán)周期后的試驗件的質(zhì)量損失率，%。

在進(jìn)行周期循環(huán)時，可以得到凍融循環(huán)次數(shù)與水工混凝土質(zhì)量損失之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為：

wn=aw0e-0.0002t

(2)

式中，a—設(shè)計水膠比的修正系數(shù)；t—凍融循環(huán)的次數(shù)。

此外，對凍融循環(huán)和硫酸鹽共同作用下的水工混凝土的抗剪試驗進(jìn)行分析，其衰減計算方程為：

(3)

式中，Δτ—強(qiáng)度損失率，%；τ0—試驗前的強(qiáng)度損失率，%；τn—經(jīng)過多次循環(huán)周期后的試驗件的強(qiáng)度損失率，%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失率的分析

結(jié)合8次循環(huán)周期試驗，對不同配比的水工混凝土的質(zhì)量損壞變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2、3。對不同試驗下的質(zhì)量損失量曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

表2 凍融循環(huán)作用下水工混凝土質(zhì)量損失變化

表3 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土質(zhì)量損失變化

圖3 各試驗循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率分析結(jié)果

從表2和表3中可看出，水膠比對不同循環(huán)次數(shù)下水工混凝土的質(zhì)量損失影響較為明顯，且具有明顯的規(guī)律性，隨著水膠比的增大，其質(zhì)量損失量逐步加大，這主要是因為隨著水膠比的加大，水工混凝土的水泥程度逐步降低，骨料之間的粘合度逐步減小，使得水膠比增大，其質(zhì)量損失也呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化趨勢。從圖3中可看出，在5%的硫酸鹽溶液中其試驗初期的質(zhì)量損失率相比于離子水中的質(zhì)量損失率有所減小，而隨著試驗循環(huán)次數(shù)的不斷增加，其質(zhì)量損失率逐步加大，隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽溶液耦合作用的不斷增加，水工混凝土受硫酸鹽侵蝕作用逐步加大，且逐步向混凝土的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，使得其質(zhì)量損失率逐步加大，混凝土的穩(wěn)定性逐步被破壞。

2.2 質(zhì)量衰減規(guī)律試驗分析

在試驗周期循環(huán)水工混凝土質(zhì)量損失分析的基礎(chǔ)上，對凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合侵蝕下的混凝土質(zhì)量衰減規(guī)律進(jìn)行試驗分析，試驗分析結(jié)果見表4。

從表4可看出，在各配比下循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。在耦合試驗過程中，各配比下水工混凝土表層的粘聚力降幅增大，但表面摩擦系數(shù)變幅較小。從試驗結(jié)果可看出，隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合試驗次數(shù)的增多，其水工混凝土表層的粘聚力變幅不斷加大，但是其摩擦系數(shù)的變幅較小，因此水工混凝土表層的粘聚力變化是其質(zhì)量損失變化的主要影響因素。隨著耦合試驗循環(huán)次數(shù)的增加，其表層抗剪強(qiáng)度有所遞減，水工混凝土表層抗壓能力逐步減弱。

2.3 彈性模量損失分析結(jié)果

水工混凝土彈性模量是其耐久性分析的重要指標(biāo)，對不同試驗環(huán)境下各配比水工混凝土的彈性模量損失進(jìn)行了試驗分析，分析結(jié)果見表5和表6。

表4 凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下質(zhì)量衰減規(guī)律分析結(jié)果

表5 凍融循環(huán)作用下水工混凝土彈性模量損失變化

表6 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土彈性模量損失變化

圖4 不同配比下水工混凝土的受壓曲線圖

從試驗結(jié)果可看出，在凍融循環(huán)和硫酸鹽耦合作用下，隨著試驗周期循環(huán)次數(shù)的增加，各配比水工混凝土的彈性模型的遞減速率逐步加大。在相同的試驗方式下，水膠比較小的混凝土相比于水膠比較大的混凝土的耐久性能更佳。

2.4 抗壓強(qiáng)度損失分析結(jié)果

在彈性模量損失分析的基礎(chǔ)上，對不同試驗方式下各配比水工混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行損失變化試驗分析，分析結(jié)果見表7、8。軸線位移下的壓力強(qiáng)度變化情況如圖4所示。

表7 凍融循環(huán)作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度損失變化

表8 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度損失變化

從抗壓強(qiáng)度試驗分析結(jié)果可看出，隨著試驗循環(huán)周期次數(shù)的不斷增加，各配比下的水工混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化趨勢，且遞減變幅逐步加大，當(dāng)水膠比達(dá)到0.33時，水工混凝土在長時段凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下其抗壓強(qiáng)度下降變幅較小，因此在東北寒區(qū)進(jìn)行水利工程施工時，應(yīng)該選擇水膠比較小的混凝土進(jìn)行澆筑。從圖4中可看出，隨著水膠比的增加，其軸線位移逐步加大，同一軸線位移上的應(yīng)力強(qiáng)度逐步減小。

3 試驗結(jié)論

(1)凍融循環(huán)對水工混凝土的硫酸鹽侵蝕起到加速作用，耦合作用下，水工混凝土溶蝕作用加劇，通過對比試驗分析，水膠比越低，其水工混凝土的耐久性能越高。

(2)凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕對混凝土材料的破壞程度具有相互影響以及相互疊加的特點，使得水工混凝土的質(zhì)量損失率和結(jié)構(gòu)破壞度呈現(xiàn)遞增變化趨勢。

(3)本文只重點考慮凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下對水工混凝土質(zhì)量損失率、彈性模量以及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的影響，其他指標(biāo)影響還未涉及，在以后的研究中還需要對探討對其他指標(biāo)的影響。