鹽漬土地區(qū)凍融循環(huán)耦合作用下水工混凝土抗壓性能研究

孔慶宇

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

我國遼東沿海鹽漬土地區(qū)，土壤中含有大量的硫酸鹽，面板混凝土受凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用產(chǎn)生的破壞相較于單一因素更加嚴(yán)重，多種不利因素相互促進致使水工結(jié)構(gòu)的使用年限大大縮短[1-3]。為揭示復(fù)雜環(huán)境下水工混凝土損傷機理，許多研究者探討了多因素耦合條件下的混凝土耐久性，如王德庫等研究了小山水電站面板混凝土耐久性，結(jié)合設(shè)計配合比全面分析了面板混凝土性能；楊德福等通過數(shù)據(jù)計算和機理分析系統(tǒng)探討了水布埡面板混凝土耐久性，結(jié)果顯示面板混凝土受高水力梯度、高水頭及硫酸鹽侵蝕作用能夠保證較好的抗溶蝕和抗侵蝕性能；葛勇等分析了不同硫酸鈉溶液濃度中引氣與非引氣混凝土的抗凍性，試驗表明摻入適量的引氣劑可以增強混凝土抗凍性；宿曉萍等從微觀上解釋了干濕、凍融、鹽浸條件下的混凝土動彈模量衰減、質(zhì)量損失規(guī)律及破壞特征；禹虹機等利用鹽蝕干濕循環(huán)法、長期浸泡法深入揭示了不同鹽類侵蝕作用下混凝土的宏觀損傷機理[4-8]。

水利工程大多處于水蝕、鹽蝕、碳化、沖磨和外界荷載作用下，而多種不利因素會加速水工混凝土的損傷，而不利環(huán)境因素又會加速結(jié)構(gòu)承載力的減小，甚至整體結(jié)構(gòu)的過早失效。因此，單一因素作用下的研究成果無法準(zhǔn)確地預(yù)測實際工程的服役壽命，更不能客觀反映水利工程所處的環(huán)境條件。文章結(jié)合硫酸鹽和凍融循環(huán)條件下混凝土峰值抗壓強度、相對動彈模量和質(zhì)量損失狀況，深入揭示了水工混凝土力學(xué)性能劣化規(guī)律，旨在為遼東沿海鹽漬土地區(qū)水工結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 原材料

原材料選用大連天華水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，集料選用細(xì)度模數(shù)2.8 的優(yōu)質(zhì)河砂和級配5~20mm 的石灰?guī)r碎石，外加劑用聚羧酸高效減水劑，采用無水硫酸鈉和蒸餾水配制濃度5%的硫酸鈉溶液。

1.2 配合比設(shè)計

參照《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》合理設(shè)計配合比，按《水工混凝土試驗規(guī)程》進行拌合、振搗、入模、成型、養(yǎng)護和相關(guān)測試，試驗配合比，如表1 所示。

表1 試驗配合比 kg/m3

依據(jù)試驗配合比精準(zhǔn)稱量所需原材料，采用二次投料法攪拌均勻后倒出，人工將拌合物裝入400mm×100mm×100mm 立方體試模，每組3 個試塊，振搗密實后室內(nèi)靜置24h，然后拆模編號標(biāo)記，并置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護28d，達(dá)到規(guī)定齡期后取出浸入Na2SO4溶液中，參照現(xiàn)行規(guī)范進行凍融循環(huán)試驗，分組編號，如表2 所示。

表2 試件分組編號

1.3 試驗方法

1）單軸抗壓試驗。采用YES-2000 型數(shù)顯式壓力試驗機測定水工混凝土單抽抗壓強度，試驗數(shù)據(jù)利用IMC 系統(tǒng)進行實時采集。

2）凍融循環(huán)試驗。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的操作流程，采用快速凍融法進行凍融循環(huán)試驗，每凍融循環(huán)10 次測定一次試塊的動彈性模量和質(zhì)量，凍融循環(huán)周期為4h，其中融化1h(溫度105℃)，凍結(jié)3h(溫度-10℃)。

3）硫酸鹽侵蝕試驗。將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試塊浸入5%Na2SO4溶液中，液面與試塊上表面距離不小于20mm，為保證試驗過程中Na2SO4溶液濃度穩(wěn)定，每隔3d 更換一次溶液，硫酸鹽侵蝕時間共210d。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對動彈模量及質(zhì)量損失

一般地，相對動彈模量及質(zhì)量損失反映了水工混凝土內(nèi)部的密實程度及其表面損傷情況，通過定量分析各組試塊的相對動彈模量和質(zhì)量損失，可以確定混凝土物理性質(zhì)受凍融循環(huán)及硫酸鹽侵蝕的影響，測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 凍融循環(huán)及鹽蝕條件下相對動彈模量及質(zhì)量損失

由圖1 可知，凍融循環(huán)100 次時未經(jīng)Na2SO4溶液侵蝕的混凝土質(zhì)量損失率達(dá)到8.5%，而凍融循環(huán)70 次時經(jīng)Na2SO4溶液浸泡210d 的混凝土質(zhì)量損失率就能達(dá)到8.5%；凍融循環(huán)70 次時，在Na2SO4溶液浸泡210d 和未經(jīng)Na2SO4溶液浸泡的試塊相對動彈模量損失率為85%、40%，說明硫酸鹽侵蝕會大大降低混凝土的抗凍性。

結(jié)果表明，隨著Na2SO4溶液侵蝕時間的延長混凝土的動彈模量及質(zhì)量表現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，這與單面鹽凍條件下的相關(guān)研究結(jié)論保持一致。這是因為混凝土基體材料與初期鹽類結(jié)晶發(fā)生反應(yīng)可以生成填充內(nèi)部孔隙的物質(zhì)，增大結(jié)構(gòu)密實性，而內(nèi)部鹽類結(jié)晶隨著侵蝕時間的延長逐漸膨脹析出，并導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞出現(xiàn)孔隙，表面逐漸剝落破壞。

混凝土相對動彈模量及質(zhì)量損失均表現(xiàn)出快速-緩慢-急劇上升的變化特征，究其原因是凍融循環(huán)初期內(nèi)部尚未形成連通的孔隙，水分無法自由移動，而凍結(jié)時水結(jié)冰體積膨脹加速了內(nèi)部孔隙的擴張，在膨脹力作用下混凝土出現(xiàn)損傷；在凍融循環(huán)中期內(nèi)部孔隙開始連通，水逐漸自由遷移，混凝土基體逐漸產(chǎn)生塑性變形能力來抵抗水結(jié)冰形成的膨脹力，該階段的損傷速度放緩；凍融循環(huán)后期內(nèi)部基本形成貫通的孔隙，損傷程度明顯加劇。

2.2 單軸抗壓強度損失

水工混凝土在不同凍融循環(huán)次數(shù)及Na2SO4溶液侵蝕時間下峰值抗壓強度，如表3 所示。

表3 峰值抗壓強度

結(jié)果顯示，無損條件下的初始峰值抗壓強度達(dá)到35.12%。單一凍融循環(huán)作用下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加混凝土峰值抗壓強度逐漸減小，凍融循環(huán)達(dá)到120 次時的峰值抗壓強度損失率達(dá)到75.88%，抗壓強度8.47MPa；凍融循環(huán)80 次時，在Na2SO4溶液浸泡210d 時的混凝土抗壓強度損失率達(dá)到83.77%，抗壓強度只有5.70MPa，說明硫酸鹽侵蝕大大降低了混凝土強度，凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用會加速混凝土的損傷。

混凝土內(nèi)部變得疏松和宏觀的破壞程度直接決定著其抗壓強度，所以不同凍融循環(huán)次數(shù)與硫酸鹽侵蝕時間耦合作用下的峰值抗壓強度與前文相對動彈模量、質(zhì)量損失變化規(guī)律基本相似[9-11]。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，可以建立不同凍融循環(huán)次數(shù)及Na2SO4溶液侵蝕時間下相對動彈模量與峰值抗壓強度損失率之間的關(guān)系（見圖2）。經(jīng)擬合兩者表現(xiàn)出正相關(guān)性，即隨著相對動彈模量損失率的增大峰值抗壓強度損失率逐漸增大。

圖2 相對動彈模量與峰值抗壓強度損失率的關(guān)系

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，混凝土抗壓強度損傷也表現(xiàn)出快速-緩慢-急劇上升的變化趨勢，該變化規(guī)律與動彈模量損失基本相同?？紤]該變化規(guī)律，擬利用函數(shù)建立混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與峰值抗壓強度在不同Na2SO4溶液侵蝕時間下的演化方程，如表4 所示。因此，凍融循環(huán)及硫酸鹽侵蝕耦合作用下的S0 組、S150 組、S210 組混凝土峰值抗壓強度損傷演化方程依次為0.516x+23.82，擬合曲線，如圖3 所示。

圖3 混凝土峰值抗壓強度

表4 峰值抗壓強度演化方程

其中，x、y代表凍融循環(huán)次數(shù)和峰值抗壓強度；D、A代表單一硫酸鹽侵蝕作用下峰值抗壓強度及其損傷速度，隨著硫酸鹽侵蝕時間的延長A的絕對值逐漸增大且恒為負(fù)值，這說明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多試件峰值抗壓強度呈單調(diào)遞減趨勢，且硫酸鹽侵蝕會加速凍融破壞?；炷练逯悼箟簭姸仍趩我粌鋈谘h(huán)中作用下為33.86MPa，經(jīng)100 次凍融循環(huán)就會減少近10MPa，而硫酸鹽侵蝕210d 的混凝土經(jīng)60 次凍融循環(huán)其抗壓強度就會損失10MPa，說明隨硫酸鹽侵蝕時間的延長混凝土強度逐漸下降[13-14]。

3 結(jié) 論

1）凍融循環(huán)作用下，水工混凝土峰值抗壓強度、相對動彈模量及質(zhì)量損失均表現(xiàn)出快速-緩慢-急速上升的變化趨勢；混凝土力學(xué)性能隨著硫酸鹽侵蝕時間的延長而逐漸下降，在210d混凝土抗壓強度、相對動彈模量及質(zhì)量損失明顯高于單一凍融作用。

2）結(jié)合凍融循環(huán)及硫酸鹽侵蝕耦合作用下的強度變化規(guī)律，可以采用三次函數(shù)建立混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強度在不同硫酸鹽侵蝕時間下的演化方程，該方程能夠較好地反映復(fù)雜環(huán)境下混凝土抗壓性能的劣化規(guī)律。