(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，以黃河為例，沿線重工業(yè)城市眾多，這些城市的工業(yè)污水體量龐大，污水處理廠排泄的污水金屬離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然河水，其中金屬離子大部分來(lái)源于原污染水體，小部分來(lái)源于污水處理過(guò)程中投入的化學(xué)除磷混凝劑。且部分城市仍未實(shí)現(xiàn)雨污分流，部分污染水直接排入河中。另一方面，從面污染的角度講，黃河經(jīng)過(guò)寧夏平原、河套平原等灌溉區(qū)，其采用的漫灌形式，帶入大量的氮磷鉀離子；污染廢氣離子、汽車(chē)尾氣及粉塵等離子經(jīng)雨水匯流(部分為凝結(jié)核，雨水中自帶；另一部分為沉積在地表，雨水沖刷)進(jìn)入黃河，同樣也是河水中重金屬離子的重要來(lái)源之一。黃河水中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+等各種堿金屬離子逐年快速增加，已有水文監(jiān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)黃河水明顯呈堿性，pH值為8.3～8.5(頭道拐水文監(jiān)測(cè)站)。黃河上的眾多跨河橋梁、閘壩、防汛墻等基礎(chǔ)工程，部分混凝土結(jié)構(gòu)常年浸泡在污染河水中，造成建筑物質(zhì)量下降等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)1782座大型病險(xiǎn)水閘中，73.2%存在混凝土老化問(wèn)題。研究表明：淡水河水中的堿金屬離子對(duì)混凝土的侵蝕作用是影響混凝土耐久性的主要因素。研究堿金屬離子對(duì)浸泡在其中的混凝土的侵蝕作用對(duì)評(píng)價(jià)混凝土的耐久性，指導(dǎo)工程實(shí)際具有重要意義。本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分別采用復(fù)合離子溶液、單陽(yáng)離子溶液和雙陽(yáng)離子溶液三類(lèi)溶液浸泡混凝土試件，通過(guò)對(duì)比分析各組試驗(yàn)的觀察現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)資料，評(píng)價(jià)堿金屬離子對(duì)混凝土材料的侵蝕作用。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)三類(lèi)溶液：復(fù)合離子溶液、單陽(yáng)離子溶液和雙陽(yáng)離子溶液，分析不同溶液對(duì)混凝土的作用。單陽(yáng)離子溶液含不同濃度組，檢測(cè)浸泡溶液濃度的影響。清水浸泡組作為對(duì)照組，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。具體工況見(jiàn)表1。

1.2 混凝土試件

試驗(yàn)中使用的混凝土試件為直徑150mm、高300mm的圓柱體試件，采用混凝土的配合比見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)工況

表2 混凝土配合比

為使浸泡溶液中的堿金屬離子快速滲透進(jìn)入混凝土試件，將混凝土圓柱體切為3cm厚的圓片。混凝土使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，骨料和粗砂均來(lái)自周?chē)蠄?chǎng)，為低堿活性骨料。

1.3 堿金屬離子溶液

以黃河頭道拐監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)堿金屬離子溶液。為排除其他離子干擾，全部采取氯鹽帶入。頭道拐1975—2000年平均離子含量見(jiàn)表3。

表3 黃河水頭道拐站各離子含量

對(duì)于單陽(yáng)離子溶液組和雙陽(yáng)離子組濃度采用2N(當(dāng)量濃度，對(duì)于MgCl2、CaCl2,1N=0.5mol/L,對(duì)于NaCl、KCl，1N=1mol/L)，各工況離子溶液濃度見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)組堿性溶液離子含量 單位：g/L

續(xù)表

1.4 試件養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)過(guò)程

混凝土試件澆筑成型自然養(yǎng)護(hù)1天，拆模并放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天，養(yǎng)護(hù)室溫度為(20±5)℃，相對(duì)濕度為95%。之后將混凝土切片，大約每隔60°做測(cè)量標(biāo)記，浸泡在配置好的溶液中，以浸泡時(shí)為試驗(yàn)時(shí)間起點(diǎn)，測(cè)量其混凝土體積變化并觀測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同離子濃度對(duì)混凝土的影響

F1至F4組試件及對(duì)照組W組試件在浸泡70天時(shí)其混凝土表面照片見(jiàn)圖1。

圖1 F1～F4及對(duì)照組試驗(yàn)照片

從圖1可以看出，對(duì)照組W組混凝土表面十分干凈，無(wú)明顯變化；而從F1到F4組混凝土試件砂漿部分顏色明顯變白，F(xiàn)3組和F4組混凝土表面有白色、具有滑膩感的物質(zhì)析出。并且隨著濃度的升高，砂漿部分顏色越來(lái)越白。其中F4組混凝土表面在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到明顯的氣泡，說(shuō)明其反應(yīng)比較劇烈。上述試驗(yàn)現(xiàn)象都表明，堿金屬離子濃度越大，對(duì)混凝土的侵蝕作用速率越快。

2.2 不同陽(yáng)離子對(duì)混凝土的影響

不同的堿金屬離子與混凝土材料的化學(xué)作用存在不同，根據(jù)D1至D4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同堿金屬離子對(duì)混凝土的影響。每組試件三個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)平均后減去對(duì)照組W組觀測(cè)平均值，去除其他因素的影響，處理后結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同陽(yáng)離子對(duì)混凝土的影響

從圖2可以看出，浸泡在Ca2+溶液中的混凝土試件體積膨脹最大，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他離子對(duì)體積的貢獻(xiàn)。在試驗(yàn)進(jìn)行60天時(shí)，觀測(cè)到浸泡在1mol/L CaCl2溶液中的混凝土試件出現(xiàn)分布裂縫，裂縫基本沿著粗骨料邊界展開(kāi)，有些裂縫穿過(guò)砂漿部分連接兩個(gè)骨料。而其他離子對(duì)混凝土體積膨脹影響較小，但是Na+、K+、Mg2+、Ca2+都會(huì)對(duì)混凝土體積膨脹有所影響。

2.3 混合陽(yáng)離子對(duì)混凝土的影響

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同離子組合對(duì)混凝土的影響要多于單個(gè)離子對(duì)混凝土的影響，離子組合會(huì)與混凝土發(fā)生更加復(fù)雜的反應(yīng)，對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)S1至S6組六組試驗(yàn)研究不同雙陽(yáng)離子組合溶液浸泡條件下混凝土的反應(yīng)情況，與對(duì)照組W組相比，去除其他因素干擾后的結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 雙陽(yáng)離子組合溶液對(duì)混凝土影響

從圖3中可以看出，混凝土在雙陽(yáng)離子組溶液浸泡中，Ca2+起很重要的作用。試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)含有Ca2+的溶液中浸泡的混凝土試件砂漿顏色比不含Ca2+的更白。只有S1組中有白色析出物質(zhì)，說(shuō)明Ca2+和Mg2+可以共同和混凝土發(fā)生反應(yīng)。從混凝土膨脹角度講，Ca2+導(dǎo)致了絕大部分混凝土前期(三個(gè)月)浸泡過(guò)程的體積膨脹，而Na+、K+對(duì)混凝土體積膨脹影響次之，Mg2+對(duì)混凝土體積膨脹影響最小。S6組膨脹在后期上升迅速，說(shuō)明Na+、K+在混凝土體積膨脹后期逐漸成為主要因素。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié)論

綜合上述試驗(yàn)現(xiàn)象及統(tǒng)計(jì)分析，本試驗(yàn)結(jié)論如下：

a.Na+、K+、Mg2+、Ca2+對(duì)混凝土都有侵蝕作用，與混凝土發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土體積的膨脹。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，河水中日益增加的Na+、K+、Mg2+、Ca2+對(duì)浸泡在其中的閘墩、橋墩等混凝土的侵蝕作用值得重視。

b.對(duì)于混凝土材料的體積膨脹的影響，在前期，Ca2+起主要作用，而且高濃度的Ca2+導(dǎo)致的混凝土體積膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土材料產(chǎn)生分布裂縫，對(duì)混凝土材料的力學(xué)性能有十分嚴(yán)重的影響。浸沒(méi)在河水或海水中的混凝土材料在施工剛完成時(shí)，要嚴(yán)格控制溶液中Ca2+的含量，避免產(chǎn)生分布裂縫。在浸泡兩個(gè)月后，Na+和K+對(duì)混凝土體積的影響逐漸變大。由于試驗(yàn)時(shí)間偏短，長(zhǎng)期Na+、K+、Mg2+、Ca2+溶液對(duì)混凝土材料性能的影響不能作出評(píng)價(jià)。

3.2 展望

Na+、K+、Mg2+、Ca2+等對(duì)混凝土的作用十分復(fù)雜，并且與周?chē)h(huán)境溫度等試驗(yàn)條件緊密相關(guān)。設(shè)計(jì)與外界環(huán)境隔離的試驗(yàn)設(shè)備，并輔以電鏡掃描等手段對(duì)于進(jìn)一步研究各種離子對(duì)混凝土材料的作用意義重大。堿金屬離子對(duì)浸泡在其中的混凝土體積膨脹進(jìn)程有十分重要的影響，并隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，污染河水中的堿金屬離子濃度日益增大，其影響需要引起相關(guān)部門(mén)的重視。結(jié)合本文試驗(yàn)對(duì)已建、新建閘墩、橋墩等浸水混凝土結(jié)構(gòu)提出以下建議：

a.建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)河水中各離子含量，結(jié)構(gòu)物位移、強(qiáng)度及變形等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為以后建立基于數(shù)據(jù)的智能化管理體系做好基礎(chǔ)。

b.已建結(jié)構(gòu)，做好維護(hù)，對(duì)已經(jīng)開(kāi)裂部分應(yīng)高度重視，在枯水季節(jié)采用彈性涂膜防水材料、聚合物水泥膏、聚合物薄膜等方式進(jìn)行處理，避免堿金屬離子通過(guò)裂縫富集，接觸結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土。

c.擬建結(jié)構(gòu)，優(yōu)化建筑材料選擇。選用樹(shù)脂水泥混凝土或在商品混凝土中摻加聚合物防止表面腐蝕。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免水下范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫。