嚴(yán)寒沿海地區(qū)水工混凝土凍融-干濕循環(huán)作用下抗氯離子侵蝕性能試驗(yàn)研究

楊冬鵬

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

對(duì)處于嚴(yán)寒沿海地區(qū)水工建筑物水位變化區(qū)的混凝土而言，凍融循環(huán)、干濕循環(huán)和氯鹽侵蝕是影響其結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。幾種因素共同作用下對(duì)水工混凝土耐久性的研究較少，因此，研究混凝土在凍融-干濕循環(huán)耦合作用下，氯離子對(duì)水工混凝土的侵蝕過(guò)程，可以為今后混凝土在凍融-干濕循環(huán)耦合作用下的抗氯離子侵蝕性能的研究提供試驗(yàn)方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)采用的水泥為撫順?biāo)鄰S生產(chǎn)的P·O·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，粉煤灰為綏中電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，減水劑為遼寧江海水利工程公司生產(chǎn)的引氣減水劑，拌合用水和養(yǎng)護(hù)用水均為沈陽(yáng)市飲用自來(lái)水，粗骨料和細(xì)骨料產(chǎn)地均為遼寧省綏中縣，各原材料物理化學(xué)指標(biāo)均滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文將未摻加輕燒氧化鎂、聚丙烯纖維的混凝土定義為基準(zhǔn)混凝土，設(shè)計(jì)指標(biāo)C30W6F200，水膠比0.39，砂率為32%，坍落度為55mm，含氣量為4.7%，配合比見表1。輕燒氧化鎂混凝土中輕燒氧化鎂為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的MAG- I型氧化鎂膨脹劑，外摻量為3%；聚丙烯纖維混凝土中聚丙烯纖維為束狀單絲聚丙烯纖維，長(zhǎng)度為10～20mm，外摻量為1kg/m3。雙摻混凝土即為在基準(zhǔn)混凝土中同時(shí)摻入3%的輕燒氧化鎂和1kg/m3的聚丙烯纖維。

表1 基準(zhǔn)混凝土材料用量 單位：kg/m3

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件制作

本文的重點(diǎn)為干濕循環(huán)與凍融循環(huán)耦合試驗(yàn)，因此，試件統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)抗凍試件進(jìn)行試驗(yàn)。試件成型后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后即可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)前，首先將試件在80±5℃烘箱中烘至恒重，自然冷卻至室溫后將除成型面外的其它5個(gè)表面均用環(huán)氧樹脂密封，以防止其它表面與外界水分和氯離子交換，保證了試驗(yàn)過(guò)程中氯離子只能從一個(gè)面滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部[1- 5]。

2.2 干濕循環(huán)與凍融循環(huán)耦合試驗(yàn)方法

目前對(duì)于混凝土試件干濕循環(huán)與凍融循環(huán)耦合試驗(yàn)方法無(wú)明確統(tǒng)一的規(guī)定。干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)分為兩步，第一步為凍融循環(huán)試驗(yàn)，第二步為干濕循環(huán)試驗(yàn)。常見的干濕循環(huán)與凍融循環(huán)耦合作用的試驗(yàn)方法有兩種，方法A是單次的干濕循環(huán)與凍融循環(huán)相耦合，方法B為確定一定連續(xù)次數(shù)的干濕循環(huán)和一定次數(shù)的凍融循環(huán)耦合為一個(gè)大的耦合循環(huán)。

在一個(gè)完整自然年內(nèi)，混凝土在夏季和秋季只受干濕循環(huán)的影響，而在冬季和春季又只受凍融循環(huán)的影響。因此，若要就相似模擬混凝土構(gòu)筑物在自然環(huán)境中的服役狀態(tài)而言，方法B更加接近實(shí)際狀態(tài)。在未做特殊說(shuō)明時(shí)，干濕循環(huán)和凍融循環(huán)均是選用方法B得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論。

混凝土在現(xiàn)場(chǎng)所經(jīng)歷的單次凍融循環(huán)和室內(nèi)的單次凍融循環(huán)意義是完全不同的，本文采用年均等效凍融循環(huán)次數(shù)neq代表混凝土在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一年里經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)，有

neq=K×nact/S

(1)

式中，S—室內(nèi)外凍融環(huán)境下混凝土凍融損傷比例系數(shù)；K—混凝土在發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)的飽含水時(shí)間比例系數(shù)；nact—現(xiàn)場(chǎng)年均凍融循環(huán)次數(shù)[6]。

利用中國(guó)氣象局采集的歷史氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到遼寧省的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境累年年均正負(fù)溫交替次數(shù)為(70～100)次/a，考慮到嚴(yán)寒地區(qū)的持續(xù)性負(fù)溫天氣，經(jīng)修正后得到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境年凍融循環(huán)次數(shù)為nact=(100～130)次/a，這里取最大值nact=130次/a。另外，遼寧省室內(nèi)外凍融損傷比例系數(shù)S=8.76～15.71，取飽含水比例系數(shù)K=1，則現(xiàn)場(chǎng)年等效室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)neq=K×nact/S=(8.27～14.84)次/a。這里取最大值14.84次/a，約等于15次/a。因此，設(shè)計(jì)方法B為15次連續(xù)凍融循環(huán)(約2.5d)后連續(xù)15個(gè)干濕循環(huán)(約30d)為一個(gè)干濕—凍融耦合循環(huán)試驗(yàn)。

2.3 氯離子含量的測(cè)定

采用化學(xué)滴定方式測(cè)試試樣不同深度處的自由氯離子含量，結(jié)果用氯離子占混凝土質(zhì)量百分比來(lái)表示[7- 9]。在小于10mm深度范圍內(nèi)在每2mm取一個(gè)試樣；深度大于10mm的范圍內(nèi)每5mm取一個(gè)試樣。具體試驗(yàn)方法見JTJ 270—1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)章節(jié)。

2.4 混凝土孔隙率的測(cè)定

眾多研究資料表明，混凝土作為一種多孔人工合成材料，其孔隙率的大小及分布對(duì)混凝土的抗凍性能和抗氯離子侵蝕性能[10- 13]有較大影響。本文采用浸泡法對(duì)混凝土孔隙率進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，公式如下：

(2)

式中，ρw—常溫下水的密度，g/cm3；ρc—飽水后試件的密度，g/cm3；mc—試件的飽水質(zhì)量，g；m0—試件干燥質(zhì)量，g。

3 干濕-凍融作用下混凝土中氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 干濕-凍融作用對(duì)混凝土孔隙率的影響

按照設(shè)計(jì)試驗(yàn)程序?qū)炷猎嚇舆M(jìn)行干濕循環(huán)和凍融循環(huán)耦合試驗(yàn)，在完成預(yù)定循環(huán)次數(shù)后，將試件取出用鋼鋸切割為兩個(gè)部分，其中一部分用于試樣孔隙率的測(cè)定，另一部分則用于測(cè)定不同深度處的氯離子含量[14]。測(cè)定混凝土在完成預(yù)定復(fù)合循環(huán)次數(shù)后的吸水率并計(jì)算其孔隙率，最終數(shù)據(jù)見表2。同時(shí)，為了比較前文中所述的兩種試驗(yàn)方法的區(qū)別，按照方法A對(duì)四組試件進(jìn)行了30次干濕-凍融耦合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表2—3中可以看出，在完成一定次數(shù)的凍融循環(huán)和干濕循環(huán)耦合試驗(yàn)后，所有試件的吸水率均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯增大。在方法B中，以基準(zhǔn)混凝土為例，其在完成1次復(fù)合循環(huán)后的孔隙率較初始增大了0.64%，循環(huán)2次、3次和4次時(shí)分別較前次增大了0.96%、1.11%和1.33%。分析表2中的數(shù)據(jù)，還有如下規(guī)律：

(1)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，四種混凝土的孔隙率變化的速率由大到小的排序?yàn)椋夯鶞?zhǔn)混凝土、輕燒氧化鎂混凝土、聚丙烯纖維混凝土、雙摻混凝土，且孔隙率增大速率隨循環(huán)次數(shù)增大而增大。

(2)基準(zhǔn)混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的孔隙增大速率基本一致，雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的孔隙增大速率基本一致，且基準(zhǔn)混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的增大速率要大于雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的孔隙增大速率。考慮到干濕循環(huán)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)混凝土孔隙率影響較小，所以在這里孔隙率的變化主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)造成混凝土出現(xiàn)凍融損傷而產(chǎn)生的微裂縫。同時(shí)也說(shuō)明，在四種類型混凝土中，雙摻混凝土和聚丙烯纖維混凝土的抗凍性能要大于基準(zhǔn)混凝土和輕燒氧化鎂混凝土，外摻輕燒氧化鎂對(duì)混凝土的抗凍性能影響不大。

表2 復(fù)合循環(huán)(方法B)后試件孔隙率

圖1 不同類型混凝土中氯離子含量分布

表3 復(fù)合循環(huán)(方法A)后試件孔隙率

注：方法A中復(fù)合循環(huán)15次中包含的干濕循環(huán)次數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)即相當(dāng)于方法B中1次大的復(fù)合循環(huán)。

(3)在同樣經(jīng)歷15次干濕循環(huán)和15凍融循環(huán)后，對(duì)比方法A和方法B，按照方法B進(jìn)行試驗(yàn)得到的基準(zhǔn)混凝土、輕燒氧化鎂混凝土、聚丙烯纖維混凝土、雙摻混凝土的孔隙率分別增大0.64%、0.63%、0.57%、0.53%，而方法A中，四種混凝土的孔隙率分別增大了2.32%、1.23%、1.05%、0.95%；經(jīng)歷30次干濕循環(huán)和30次凍融循環(huán)后兩種方法對(duì)混凝土孔隙率的影響差別同樣巨大。由此可以看出，在相同干濕循環(huán)次數(shù)和凍融循環(huán)次數(shù)下，方法A對(duì)混凝土造成的損傷程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方法B。因此，若用方法A來(lái)進(jìn)行混凝土在干濕—凍融條件下抗氯離子性能的研究，其得出的結(jié)論應(yīng)是遠(yuǎn)小于實(shí)際性能的。

3.2 干濕-凍融循環(huán)對(duì)混凝土中自由氯離子含量的影響

四種混凝土試件在干濕循環(huán)和凍融循環(huán)交替耦合作用下試件不同深度處自由氯離子濃度的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

首先，在經(jīng)歷一個(gè)復(fù)合循環(huán)作用時(shí)，試件中的自由氯離子含量峰值出現(xiàn)的深度向內(nèi)延伸了一個(gè)測(cè)量距離。因?yàn)樵诟蓾?凍融耦合作用下，使氯離子不斷向內(nèi)侵蝕的主要因素是凍融循環(huán)過(guò)程中造成的混凝土損傷，改變了混凝土內(nèi)部的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土中裂縫逐步相互貫通，從而加速了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散和滲透。

在干濕-凍融耦合作用下，基準(zhǔn)混凝土和輕燒氧化鎂混凝土的自由氯離子峰值基本上在經(jīng)歷一次復(fù)合循環(huán)后就會(huì)深入一個(gè)測(cè)量距離，聚丙烯纖維混凝土在經(jīng)歷了3次復(fù)合循環(huán)后，其峰值才向內(nèi)延伸一個(gè)測(cè)量距離，而對(duì)于雙摻混凝土，在經(jīng)歷4次復(fù)合循環(huán)時(shí)，其峰值出現(xiàn)的深度仍然沒有發(fā)生變化，只是峰值的氯離子含量在不斷增大。由此可以得出，四種混凝土在干濕-凍融耦合作用時(shí)，抵抗氯離子侵蝕能力由大到小排序應(yīng)為：雙摻混凝土、聚丙烯纖維混凝土、輕燒氧化鎂混凝土，最后是基準(zhǔn)混凝土。

4 結(jié)語(yǔ)

在干濕-凍融交替耦合作用下，四種混凝土抵抗氯離子侵蝕能力均與孔隙率變化的速率密切相關(guān)，由大到小排序?yàn)椋弘p摻混凝土>聚丙烯纖維混凝土>輕燒氧化鎂混凝土>基準(zhǔn)混凝土。在干濕-凍融交替耦合作用下，混凝土孔隙率不斷增大，使混凝土中裂縫逐步貫通，從而加速了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散和滲透。此外，不同的耦合試驗(yàn)方法，得到的試驗(yàn)結(jié)果是不同的，就本文提出的兩種耦合方法中，方法A對(duì)混凝土造成的損傷程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方法B。因此，在研究復(fù)雜環(huán)境條件的混凝土耐久性能時(shí)，選取合適的耦合試驗(yàn)制度，才能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。