干濕條件下硫酸鹽會對生態(tài)透水混凝土侵蝕性分析

單文娜

(遼陽縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111200)

0 引 言

目前，護(hù)坡工程為穿越城鎮(zhèn)等治河工程的重要組成部分，傳統(tǒng)護(hù)坡的治理方式比較單一，尤其是大范圍普通混凝土澆筑或砌筑護(hù)岸，給河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及河道周圍的自然景觀往往會造成不利影響[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會與河道生態(tài)環(huán)境的和諧統(tǒng)一，達(dá)到更好的護(hù)坡治理效果，可利用生態(tài)透水混凝土以便維護(hù)和改善河流生態(tài)系統(tǒng)，并逐漸成為河道治理的新方法。在河道治理工程中應(yīng)用生態(tài)透水混凝土具有明顯的優(yōu)勢，但也存在許多不足之處，如透水性與強(qiáng)度相互矛盾。一般地，透水混凝土既需要一定的孔隙維持其透水性又要依賴水泥、骨料等材料間的黏結(jié)力保持足夠的抗壓強(qiáng)度，所以試驗(yàn)研究其相關(guān)施工工藝和配合比，現(xiàn)已成為領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)[3]。隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴(kuò)大以及人口數(shù)量的增加，河流水體和降雨中的硫酸鹽侵蝕混凝土的作用不斷加劇，逐漸成為破壞水工結(jié)構(gòu)的重要因素。與普通混凝土相比，具有更多內(nèi)部孔隙的透水混凝土更易受到硫酸鹽的侵蝕，并且護(hù)坡混凝土受水位的升降變化長期處于干濕循環(huán)環(huán)境中，干濕循環(huán)會加劇硫酸鹽反應(yīng)和水泥的水化[4-5]。因此，文章利用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探討了生態(tài)透水混凝土受干濕條件下硫酸鹽的侵蝕作用，旨在為護(hù)坡混凝土的配合比設(shè)計(jì)和施工方案優(yōu)化提供一定借鑒。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料主要有硫酸鈉、鋼纖維、粗細(xì)骨料、水泥、水、減水劑、硅灰，其中硫酸鈉為AR級分析純無水硫酸鈉，配置溶液濃度5%；鋼纖維為端鉤鋼纖維；粗骨料為粒徑范圍5-20mm的人工石灰石碎石，細(xì)骨料為普通河砂；水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28d抗折和抗壓強(qiáng)度為8.1MPa、47.6MPa，初凝和終凝時(shí)間為206min、260min，各項(xiàng)指標(biāo)符合試驗(yàn)要求；水為普通自來水；減水劑為高效聚羧酸減水劑；硅灰的7d活性指數(shù)為132%，比表面積26700m2/kg，二氧化硅含量達(dá)到94.1%。

1.2 試件制作

工程中，攪拌制作透水混凝土的方式主要有水泥漿裹石法、二次投料法以及一次投料法三種。實(shí)踐表明，水泥漿裹石法能夠在不同程度上增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能[6]。因此，本試驗(yàn)在制作透水混凝土?xí)r擬選用水泥漿裹石法。

透水混凝土的攪拌制作嚴(yán)格執(zhí)行《透水混凝土路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的操作流程，待攪拌完成后手握成團(tuán)松開仍可保持原狀即混凝土塌落度幾乎為零時(shí)，可以開展下一步成型制作。試件制作過程中主要有人工夯擊和振壓成型兩種方式，立方體的邊長尺寸為150mm。試件制作前先擦拭干凈磨具，再用脫模劑涂刷內(nèi)壁，拌和物入模后室溫靜置24h脫模，將其放于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d。

1.3 計(jì)算分析

完成養(yǎng)護(hù)后，先測試試件的相對橫向動彈模量、有效孔隙率以及初始質(zhì)量，再測試硫酸鹽和干濕循環(huán)作用下的抗侵蝕性。試驗(yàn)流程：將養(yǎng)護(hù)完畢的試件放入清水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%、4%、2%的硫酸鈉溶液中浸泡48h，然后取出試件風(fēng)干2h并用烘箱烘干18h(烘箱溫度80℃)，烘干后自然環(huán)境下冷卻4h，由此實(shí)現(xiàn)一次干濕循環(huán)，最后共完成8次循環(huán)試驗(yàn)，并對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量。質(zhì)量損失率VWi的計(jì)算公式為：

(1)

式中：W0、Wi為試件的初始質(zhì)量(g)和經(jīng)過i個(gè)干濕循環(huán)后的質(zhì)量(g)。

試驗(yàn)采用DT-12型混凝土動彈模量測定儀按照《混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》測量試件的動彈模量，測試流程和方法嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求[7]。先對試件橫向基頻損失利用儀器測定，再計(jì)算混凝土的動彈模量Ed，即：

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(2)

式中：L、a為試件的側(cè)面長度和截面邊長，cm；W為試件的質(zhì)量，g；f為和橫向基頻，Hz。

采用萬能試驗(yàn)機(jī)按照規(guī)定的試驗(yàn)方法測試混凝土抗壓強(qiáng)度fcu，抗壓強(qiáng)度的測試時(shí)間為每一次干濕循環(huán)周期前和結(jié)束后[8-9]，其計(jì)算式為：

fcu=P/A

(3)

式中：P為試驗(yàn)的破壞荷載，N；A為試件的承壓面積，cm2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同干濕循環(huán)條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件質(zhì)量損失率，并以圖形的方式反映質(zhì)量損失率變化趨勢，混凝土試件質(zhì)量損失率，見圖1。

圖1 混凝土試件質(zhì)量損失率

從圖1可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加不同硫酸鹽溶液濃度的混凝土試件質(zhì)量均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。另外，相對于清水條件下的試件質(zhì)量損失率，硫酸鈉溶液試驗(yàn)具有更加明顯的變化，表明透水混凝土受硫酸鈉的侵蝕作用十分明顯。深入分析可知，侵蝕初期透水混凝土試件以硫酸鈉的擴(kuò)散和侵蝕結(jié)晶為主，所以試件質(zhì)量有所增大，隨后試件質(zhì)量因砂漿的開裂、脫落而逐漸下降，試驗(yàn)結(jié)束后的質(zhì)量減少至初始質(zhì)量以下。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，試件質(zhì)量的變化程度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而增大，從而使得最終的剩余質(zhì)量也越小。

2.2 抗壓強(qiáng)度檢測

結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同干濕循環(huán)條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件抗壓強(qiáng)度，并以圖形的方式反映抗壓強(qiáng)度變化趨勢。混凝土試件抗壓強(qiáng)度，見圖2。

圖2 混凝土試件抗壓強(qiáng)度

從圖2可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加不同硫酸鹽溶液濃度的混凝土試件抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出出先增大后減小的變化趨勢。另外，相對于清水條件下的試件抗壓強(qiáng)度，硫酸鈉溶液試驗(yàn)具有更加明顯的變化，表明透水混凝土受硫酸鈉的侵蝕作用非常明顯。深入分析可知，侵蝕初期硫酸鹽的結(jié)晶和滲透作用會增大試件密實(shí)度，從而提高其抗壓強(qiáng)度，隨后試件抗壓強(qiáng)度因砂漿的開裂、脫落而逐漸減小。對比分析發(fā)現(xiàn)，試件抗壓強(qiáng)度的變化程度隨著硫酸鈉溶液濃度的增加而增大，從而使得最終的抗壓強(qiáng)度也越小。同時(shí)，在砂漿破壞與結(jié)晶侵蝕擴(kuò)散達(dá)到平衡后，混凝土抗壓強(qiáng)度在硫酸鹽溶液濃度為4%仍存在一定波動。

2.3 相對橫向動彈模量

采用相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同干濕循環(huán)條件下、不同硫酸鈉溶液濃度的試件相對動彈模量，并以圖形的方式反映相對動彈模量變化趨勢?；炷猎嚰鄬訌椖Ａ?，見圖3。

圖3 混凝土試件相對動彈模量

總體而言，在整體上相對動彈模量均表現(xiàn)出波動下降的變化趨勢，并且硫酸鹽溶液中的波動更加明顯，試件的相對動彈模量值隨硫酸鹽溶液濃度的增大而減小[10-14]。經(jīng)8次干濕循環(huán)后，清水條件下的試件相對動彈模量略有減小，而6%、4%、2%硫酸鹽濃度溶液下試件的相對動彈模量分別減小20.37%、14.18%、8.18%，由此表明生態(tài)透水混凝土受硫酸鈉的腐蝕作用非常顯著，并且溶液濃度越大造成的腐蝕作用越強(qiáng)。

3 結(jié) 論

文章采用模擬試驗(yàn)，探究了生態(tài)透水混凝土受硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用的影響，主要結(jié)論為：

1)相對于清水試驗(yàn)條件，生態(tài)透水混凝土?xí)r間的相對橫向動彈模量、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率均明顯減小，表明生態(tài)透水混凝土受硫酸鹽溶液的侵蝕作用極為顯著。

2)生態(tài)透水混凝土?xí)r間的相對橫向動彈模量、抗壓強(qiáng)度隨硫酸鈉溶液濃度的增大而減小，其質(zhì)量損失率隨硫酸鈉溶液濃度的增大而增加，表明硫酸鈉溶液濃度越大則侵蝕生態(tài)混凝土的作用越強(qiáng)。

3)考慮到生態(tài)透水混凝土受干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕作用，為保證混凝土耐久性和工程施工質(zhì)量，建議適當(dāng)調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，充分考慮干濕循環(huán)、硫酸鹽侵蝕對河道工程設(shè)計(jì)的影響。