卜祥新

（喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 喀什 844000）

我國(guó)新疆寒區(qū)各大灌區(qū)建造有大量的混凝土渠道，混凝土的耐久性直接影響渠道的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)混凝土渠道使用壽命影響最大的因素主要包括凍融循環(huán)、抗凍性、抗鹽性[1]。我國(guó)新疆地區(qū)冬季時(shí)間較長(zhǎng)，一般長(zhǎng)達(dá)四個(gè)月之久，因此對(duì)混凝土的抗凍性提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)混凝土的耐久性方面開展了許多研究，崔正龍等[2]對(duì)比了再生混凝土與普通混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)的耐久性能；李慶文等[3]研究了凍融和碳化交替作用下煤矸石混凝土的耐久性及質(zhì)量、動(dòng)彈性模量等特性；趙長(zhǎng)勇等[4]在北方高寒地區(qū)利用加入凍融實(shí)驗(yàn)研究了凍融循環(huán)及摻入氯鹽溶液的混凝土的耐久性能；宿曉萍等[5]研究了復(fù)合鹽及干濕交替環(huán)境會(huì)混凝土耐久性能的影響；羅單琦等[6]研究了不同溫度作用下混凝土的抗壓強(qiáng)度變化及耐久性能。

以上研究均為討論單一因素作用下混凝土的力學(xué)及耐久性能，對(duì)復(fù)合因素影響及工程運(yùn)行過程中的破壞因素統(tǒng)計(jì)的研究較少。為了解我國(guó)寒冷地區(qū)混凝土渠道的耐久性衰減原因，以紅海水庫庫外渠為研究區(qū)，對(duì)采用混凝土進(jìn)行防滲可能產(chǎn)生的破壞原因進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查；采集渠道沿線所在地的水樣及土樣分析其化學(xué)組成及自然受損原因，并采用室內(nèi)凍融加速試驗(yàn)；研究?jī)鋈谘h(huán)及鹽離子侵蝕復(fù)合作用下渠道混凝土材料的耐久性衰減損傷過程變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用的水泥選用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P.O42.5。粗骨料選用粒徑為5 mm～25 mm連續(xù)級(jí)配的碎石骨料。細(xì)骨料選用河砂?；炷涟韬嫌盟捎米詠硭琍H值為6.8。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰。引氣劑采用SJ-3型高效引氣劑。硫化鈉與氯化鈉溶液采用無水化學(xué)品配置。本試驗(yàn)根據(jù)水膠比（W）、粉煤灰(F)及引氣劑(Y)配比的不同，將試驗(yàn)分為7組，分別為：O1(W=0.45 kg/m3、F=78 kg/m3、Y=77.5 g/m3)、O2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、O3(W=0.55 kg/m3、F=64 kg/m3、Y=63.1 g/m3)、P1(W=0.5 kg/m3、F=35 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、P2(W=0.5 kg/m3、F=105 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、Q1(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=34.7 g/m3)、Q2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=103.5 g/m3)。

采用3種侵蝕溶液，分別為3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4、5%Na2SO4溶液，并設(shè)置清水作為對(duì)照組。每組試驗(yàn)采用尺寸相同的3塊混凝土試件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，混凝土試件的規(guī)格為100 mm×100 mm×400 mm。首先將試件放置在20℃左右的室內(nèi)靜止24 h，隨后將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度為20℃，相對(duì)濕度＞95%），試件間隔2 cm。試件的抗凍耐久性能采用快凍法。用于凍融實(shí)驗(yàn)的試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出后放入清水及鹽溶液中浸泡4 h，此時(shí)試件達(dá)到28 h養(yǎng)護(hù)。測(cè)定其質(zhì)量，對(duì)試件表明的損傷情況進(jìn)行檢查，然后將其放入快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，中心最高融化溫度控制在3℃，循環(huán)200次，每隔25次測(cè)量混凝土試件的質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算其質(zhì)量損失率及平均質(zhì)量損失率。

2 混凝土渠道侵蝕情況

在進(jìn)行試驗(yàn)前，需了解引起混凝土破壞的主要侵蝕介質(zhì)，對(duì)南疆巴楚縣紅海水庫庫外渠進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)回水中含有大量的鹽離子，在凍融循環(huán)作用下，其可以持續(xù)入侵混凝土材料對(duì)其造成持久性侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土發(fā)生表面剝落，由外向內(nèi)，混凝土表明泛白，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成了嚴(yán)重影響。

在渠道沿線進(jìn)行5組地下水水樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，其水樣pH值在7.7～8.1之間，差別不大，紅海水庫庫外渠引水口處的硫酸根濃度較低為613 mg/L，其他位置的濃度較高為2 617mg/L～5711mg/L，均大于2000mg/L。紅海水庫引水口處的氯離子濃度較低為27.6mg/L，其他位置的濃度較高為1671mg/L～3871mg/L，碳酸氫根、鈣離子、鎂離子的濃度較低，其均值為317 mg/L，可以推斷出紅海水庫庫外渠混凝土建筑物受侵蝕的鹽離子主要為硫酸根離子和氯離子。在對(duì)水樣檢測(cè)的同時(shí)本文分別對(duì)上述位置渠道處的土樣進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明：除引水口附近土壤各離子濃度較低外，其他位置的含鹽量均較高，含鹽量達(dá)到58796 mg/kg，其硫酸根及氯離子含量分別為3391 mg/kg、16932 mg/kg。由于渠道蒸發(fā)量極大，導(dǎo)致土壤鹽濃度增加，同時(shí)在灌區(qū)上水后，受灌溉回歸水的沖刷作用，將土壤中的鹽離子帶入地下水中，導(dǎo)致地下水含鹽量增加，當(dāng)?shù)叵滤簧仙螅盅a(bǔ)充了土壤中的含鹽量，導(dǎo)致鹽離子濃度減少緩慢，對(duì)混凝土渠道造成了永久性破壞。

綜合以上分析結(jié)果，本文主要討論硫酸根及氯離子組成的單鹽及復(fù)合鹽對(duì)南疆巴楚縣紅海水庫庫外混凝土渠道造成的耐久性影響。

3 結(jié)果分析

3.1 水膠比對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

選擇O1、O2、O3三組混凝土試件，研究不同水膠比的混凝土試件在清水、3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4.5%Na2SO4溶液中浸泡并經(jīng)凍融循環(huán)后對(duì)混凝土耐久性的影響，采用質(zhì)量損失率反映試件的耐久性變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。結(jié)果表明：試件的質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其損失率逐漸變大，水膠比較大的混凝土試件質(zhì)量損失率大于水膠比較小的試件。在清水中，混凝土試件的耐久性較大，凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)，混凝土試件依然具有很好的強(qiáng)度。在鹽溶液中，水膠比為0.55的試件最先破壞，其遭受破壞的凍融循環(huán)次數(shù)分別為150、150、125，水膠比為0.5的試件次之，說明鹽溶液侵蝕后的混凝土試件，水膠比越大，越容易被損壞，質(zhì)量損失率也越大。

分析其原因：由于鹽侵蝕后的混凝土試件，導(dǎo)致其質(zhì)量增加，在凍融循環(huán)過程中，增加了其膨脹性及混凝土內(nèi)部孔隙度，導(dǎo)致其脆弱性增加，表面出現(xiàn)更多的混凝土剝落，所以當(dāng)混凝土出去鹽侵蝕的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)盡量選用水膠比較小的混凝土試件。各鹽溶液侵蝕介質(zhì)中試件的最大質(zhì)量損失率分別為5.13%、4.65%、6.55%，最大質(zhì)量損失率出現(xiàn)在符合鹽溶液中，說明復(fù)合鹽溶液對(duì)混凝土的耐久性危害最大。

圖1 凍融循環(huán)作用下不同水膠比混凝土的質(zhì)量損失率

3.2 粉煤灰量對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性的影響

中粉煤灰加入量為試件體積的10%、15%、20%，采用等體積替代水泥加入量，試驗(yàn)對(duì)應(yīng)P1、O2、P3組。試驗(yàn)結(jié)果見圖2，由圖2可知：隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，最初其質(zhì)量損失率增加較緩慢，侵蝕介質(zhì)為清水的試件，在凍融次數(shù)達(dá)到75次以后，質(zhì)量損失率變?yōu)轱@著增加，鹽侵蝕介質(zhì)中的混凝土試件在凍融次數(shù)達(dá)到50次以后質(zhì)量損失率變?yōu)轱@著增加。粉煤灰加入量為20%的混凝土試件在侵蝕介質(zhì)為NaCl溶液和Na2SO4溶液中凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到175次時(shí)發(fā)生破壞，而在復(fù)合鹽侵蝕介質(zhì)中達(dá)到150次時(shí)發(fā)生破壞，其質(zhì)量損失率為6.85%，說明復(fù)合鹽溶液對(duì)混凝土造成的危害最大。在同種侵蝕介質(zhì)中隨粉煤灰量的增加，試件的質(zhì)量損失率逐漸增加。

圖2 凍融循環(huán)作用下不同粉煤灰摻量混凝土質(zhì)量損失率

3.3 引氣劑對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

引氣劑能改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，增加其力學(xué)性能。本文引氣劑添加量分別為0.05%、0.06%、0.07%，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)組分別為Q1、O2、Q3。試驗(yàn)結(jié)果見圖3，可以看出在清水中，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到200時(shí)，各試件的質(zhì)量損失率分別為3.41%、2.54%、1.47%。引氣劑加入量較低的混凝土試件質(zhì)量損失率大于加入量較高的試件，說明適量的增加引氣劑的使用量能夠有效的增加混凝土的耐久性。在復(fù)合鹽中混凝土試件達(dá)到最大質(zhì)量損失率為6.79%，引氣劑量的增加能減少鹽溶液侵蝕對(duì)試件造成的破壞。

圖3 凍融循環(huán)作用下不同引氣劑摻量混凝土質(zhì)量損失率

3.4 不同侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土抗鹽凍耐久性能的影響

選擇A2試驗(yàn)組計(jì)算了其在不同侵蝕介質(zhì)中混凝土試件的質(zhì)量及質(zhì)量損失率見圖4，可以看出：凍融循環(huán)次數(shù)為0～75次時(shí)，混凝土試件的質(zhì)量大小為：復(fù)合鹽＞清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液；凍融循環(huán)次數(shù)為100～200次時(shí)，混凝土試件質(zhì)量及質(zhì)量損失率的大小為清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液＞復(fù)合鹽；說明復(fù)合鹽對(duì)混凝土試件的破壞最大，侵蝕介質(zhì)為復(fù)合鹽時(shí)混凝土試件在凍融循環(huán)次數(shù)為150次時(shí)破壞，發(fā)生破壞時(shí)其質(zhì)量及質(zhì)量損失率分別為8792 g。凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次時(shí)，清水及單鹽的質(zhì)量損失率分別為2.57%、4.82%、3.62%。在凍融循環(huán)初期混凝土試件受鹽侵蝕影響質(zhì)量有所增加。在凍融循環(huán)為100次時(shí)，NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl溶液+Na2SO4溶液的質(zhì)量損失率分別為1.08%、0.76%、1.74，1.08%+0.76%=1.84%＞1.74%，說明復(fù)合鹽的質(zhì)量損失率不等于單鹽侵蝕介質(zhì)中混凝土的質(zhì)量損失率加和。單鹽侵蝕介質(zhì)中氯鹽對(duì)混凝土造成的破壞大于硫酸鹽。

圖4 不同侵蝕介質(zhì)下混凝土質(zhì)量變化

圖5 不同侵蝕介質(zhì)下混凝土質(zhì)量損失率變化

4 結(jié)論

本文以南疆巴楚縣紅海水庫庫外渠道為研究對(duì)象，在了解可能造成混凝土渠道損壞原因的同時(shí)，研究了凍融循環(huán)及復(fù)合鹽作用對(duì)渠道混凝土耐久性的影響。結(jié)果表明：復(fù)合鹽對(duì)渠道混凝土造成的破壞大于單鹽造成的破壞，引氣劑能很好地提高混凝土的抗鹽凍性及耐久性，其含量越高，混凝土的耐久性越好，但其添加量應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，否則其將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增加，密實(shí)度下降。粉煤灰及水膠比不應(yīng)較大，其值越大，混凝土的耐久性越差。單鹽侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土的影響為氯鹽大于硫酸鹽。復(fù)合鹽導(dǎo)致的混凝土質(zhì)量損失率不等于單鹽簡(jiǎn)單的加和。