趙東方

(鐵嶺市昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 昌圖 112500)

0 引 言

北方寒區(qū)的氣候環(huán)境具有凍融循環(huán)頻繁、日溫差大等特點，頻繁的凍融循環(huán)并伴隨碳化、滲漏等其他病害極易對水工混凝土造成破壞，進一步引起大范圍剝落，無法充分發(fā)揮建筑物應(yīng)有的功能，其服役年限和安全使用受到嚴(yán)重影響[1-2]。混凝土抗凍性是一項綜合性能指標(biāo)，高抗凍性直接決定著其高耐久性[3]。現(xiàn)行水工建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按平均氣溫執(zhí)行，我國中部地區(qū)與北方寒區(qū)相比地質(zhì)條件較好、氣候相對溫和、海拔較低，高寒地區(qū)的工程建設(shè)與現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用性較低，缺少適用于高寒地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。此外，高寒地區(qū)水電站受區(qū)域經(jīng)濟和資金條件的限制，混凝土原材料存在成分復(fù)雜、品種多、來源廣的特點。因此，為保證水工結(jié)構(gòu)的安全使用及其服役年限，如何充分利用各種材料的優(yōu)勢已成為亟待研究的重要課題。針對水工混凝土服役年限和耐久性受施工工藝、原材料、寒區(qū)氣候特征等多因素的破壞作用，文章通過試驗研究了混凝土和原材料的耐久性，并提出相應(yīng)的技術(shù)控制指標(biāo)及安全控制措施，旨在為北方寒區(qū)水工混凝土方案設(shè)計提供一定指導(dǎo)。

1 試驗方法

1.1 原材料分析

根據(jù)常態(tài)二級配混凝土配合比選擇引氣劑、減水劑、石粉、Ⅱ級粉煤灰和中熱水泥型號，試驗研究摻合料與外加劑、水泥與外加劑適應(yīng)性，選用性能穩(wěn)定的灰?guī)r人工骨料以排除其他因素的影響作用。

1.2 試驗方法

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》合理設(shè)置老化試驗條件，每3個樣本為一組開展相應(yīng)試驗，試驗時嚴(yán)格按照操作流程執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融破壞作用

實際運行過程中北方寒區(qū)水工建筑物極易受凍融破壞等病害影響，凍融破壞渡槽、水閘等水工建筑物的地區(qū)范圍更加廣泛[6]。凍融破壞是指受溫度與凍融的交變作用，飽水狀態(tài)下的混凝土出現(xiàn)的破壞，這也是造成大壩病害的重要因素之一。因此，混凝土耐久性評價通常選用抗凍性指標(biāo)[7]。

通過凍融循環(huán)試驗探討混凝土的宏觀性能受凍融作用的影響，結(jié)果見表1。試驗表明，混凝土的宏觀性能隨著凍融循環(huán)的增大逐漸劣化。經(jīng)受100次凍融循環(huán)后混凝土的表面剝蝕明顯，經(jīng)受150次凍融循環(huán)后抗折、劈裂和抗壓強度明顯下降，與凍融前的相對比值分別為58.1%、61.2%、58.0%。相對動彈性模量的減小速度比超聲波波速的減小速率快，但比強度減小速率慢。因此，按從低到高排列指標(biāo)敏感性為超聲波波速<相對動彈性模量<失重率<強度，對安全評估混凝土抗凍性以上指標(biāo)均具有重要意義[8]。

表1 混凝土宏觀性能變化

采用壓汞試驗測試水泥凈漿試件凍融前、后的微孔分布狀況，通過求解不同壓力下壓入試件的水銀體積揭示隨孔徑變化累計比孔容的分布特征，如圖1所示。試驗表明，外壓力越大則汞可填充的孔隙越小，即孔越小所需的壓汞壓力越大；150次凍融后水泥石的孔隙率尤其是孔徑>25nm的孔隙明顯增加，凍融前后累計比孔容從0.08330ml/g提高到0.09990ml/g，增長率為19.9%；100-150nm和25-50nm孔徑的比孔容從0.00631ml/g提高到0.0905ml/g、0.01094ml/g提高到0.01651ml/g，增長率為43.4%、50.9%。凍融前、后水泥漿結(jié)構(gòu)從比較致密變得疏松，多害孔、有害孔、少害孔和微孔含量都逐漸增多，并逐步擴大了微孔直徑[9]。深入分析，凍融過程中凈水壓力增大了微孔的孔徑和體積，受多次凍融循環(huán)逐漸形成微裂縫。

對比凍融前后混凝土試件微觀形貌，結(jié)果顯示：①凍融循環(huán)顯著改變了水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，即堆積狀密實體在凍融過程中變的疏松，骨料與水泥石逐漸脫離，并開始形成微裂縫；②混凝土內(nèi)原有封閉完整的氣泡經(jīng)過150次凍融作用逐漸開裂，且水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中微裂縫的存在也會引起氣泡開裂破壞，這也是引起凍融破壞的重要因素之一。

圖1 凍融前后水泥凈漿微孔分布線

2.2 凍融-干濕循環(huán)協(xié)同

一般地，混凝土破壞是多種化學(xué)、物理及其他復(fù)雜因素綜合作用的結(jié)果，其中經(jīng)歷多次濕脹與干縮作用而引起的性能劣化稱為干濕循環(huán)破壞[10-12]。因此，本試驗探討了凍融環(huán)境與干濕交替協(xié)同下混凝土性能的演變特征。

混凝土中粉煤灰摻量20%，水膠比0.40，控制含氣量4%-5%，測試混凝土性能受凍融-干濕循環(huán)協(xié)同的影響，如表2所示。試驗表明，干濕交替與凍融循環(huán)的疊加作用比單因素作用，混凝土強度明顯降低，加速試件了破壞；結(jié)合相對動彈模量和超聲波速測試結(jié)果，疊加作用會顯著降低超聲波波速，加速微裂縫的連通與擴展。因此，干濕與凍融循環(huán)的疊加會產(chǎn)生放大效應(yīng)。

表2 凍融-干濕循環(huán)協(xié)同作用

2.3 凍融-碳化協(xié)同

混凝土中粉煤灰摻量0-40%，水膠比0.30-0.50，控制含氣量4%-5%，測試混凝土性能受凍融循環(huán)-碳化協(xié)同的影響，如表3所示。試驗表明，宏觀上混凝土受凍融-碳化協(xié)同作用表現(xiàn)出力學(xué)性能下降、鋼筋腐蝕、粗細骨料分離、表面脫落、開裂等。

隨水膠比增大先凍融再碳化或先碳化再凍融的試件碳化深度均表現(xiàn)出不斷增加的趨勢，混凝土滲透性隨水膠比增大逐漸增強，密實性下降CO2更易侵入，從而加大了碳化深度。保持水膠比不變時，由于粉煤灰的二次水化消耗部分氫氧化鈣以及部分水泥被粉煤灰替代使生成的氫氧化鈣總量減少，降低了內(nèi)部的氫氧化鈣濃度(即有效堿量)和混凝土抗碳化能力。因此，粉煤灰摻量越高則碳化深度越大。

表3 碳化深度與相對動彈性模量

從碳化深度上分析，先碳化后凍融的碳化深度明顯小于先凍融后碳化，主要原因如下：養(yǎng)護28d后再碳化混凝土生成的碳酸鈣提高了結(jié)構(gòu)密實度，凍融100次后，在滲透壓與膨脹壓作用下外部水分滲透至內(nèi)部孔隙，隨著水的流動中心處未碳化的氫氧化鈣分子開始向四周擴散，從而使得先碳化再凍融的碳化深度較小；此外，先凍融的混凝土試件內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，表面剝落或開裂加速了CO2的侵入，并進一步向更深處擴散。依據(jù)碳化機理，混凝土內(nèi)部孔隙被碳化產(chǎn)生的固態(tài)物質(zhì)和碳酸鈣堵塞，在一定程度上降低了內(nèi)部孔隙率和大孔數(shù)量，這抑制了后期CO2的擴散，有利于改善混凝土密實度、強度和抗凍性能。然而，碳化過程是碳酸鈣沉淀和氫氧化鈣晶體分解的過程，該過程引起試件收縮并逐漸形成微裂縫，產(chǎn)生惡性循環(huán)逐步降低了混凝土強度。因此，在特定的時間范圍內(nèi)，碳化有利于增強混凝土抗凍性，但長期抗凍性最終會下降[13-16]。

2.4 凍融-化學(xué)侵蝕協(xié)同

混凝土中粉煤灰摻量20%，水膠比0.40，控制含氣量4%-5%，試件規(guī)格400mm×100mm×100mm，成型后室溫靜置1d，然后脫模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護28d，達到規(guī)定齡期后取出浸入Na2SO4溶液和NaCl溶液，經(jīng)100次凍融循環(huán)取出試件測試抗壓強度，即開展凍融-化學(xué)侵蝕協(xié)同試驗，如表4所示。

表4 凍融-化學(xué)侵蝕下的試件抗壓強度(90d)

由表4可知，凍融循環(huán)在一定程度上降低了混凝土試件的抗壓強度。凍融循環(huán)達到200次時，經(jīng)Na2SO4溶液和水溶液浸泡的試件強度減少了26.6%、44.4%，超過ASTM規(guī)定25%的要求，即混凝土試件發(fā)生破壞；凍融循環(huán)達到200次時，經(jīng)NaCl溶液浸泡試件抗壓強度有略微的增大，這是由于結(jié)冰已經(jīng)破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)；凍融循環(huán)達到100次時，經(jīng)NaCl+Na2SO4混合溶液浸泡的混凝土試件強度減小了30.5%，混凝土出現(xiàn)劣化。

經(jīng)試驗計算，試件受溶液凍融侵蝕的相對動彈性模量和質(zhì)量損失，如表5所示。試驗表明，混凝土質(zhì)量損失最大的是經(jīng)NaCl溶液凍融循環(huán)的試件，達到4.346%，試件凸凹不平的表面和裸露的骨料顆粒清晰可見；其次是經(jīng)水溶液凍融循環(huán)的試件，達到2.668%；混凝土試件在NaCl+Na2SO4冷凍液中的質(zhì)量呈現(xiàn)出先略增大后減小的變化趨勢，凍融循環(huán)為100次時質(zhì)量損失為+0.325%；混凝土試件質(zhì)量經(jīng)Na2SO4溶液凍融循環(huán)后有所增大，但質(zhì)量增長幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大呈現(xiàn)出減少趨勢，試件表面基本完整。

表5 凍融-化學(xué)侵蝕下的質(zhì)量損失與相對動彈性模量

結(jié)合相對動彈性模量，相對動彈性模量降幅最大、最小的是經(jīng)NaCl溶液和NaCl+Na2SO4混合液凍融循環(huán)的試件，Na2SO4和水溶液的降幅居中?？傮w而言，各種混凝土試件的相對動彈性模量均>85%，質(zhì)量損失均在5%以內(nèi)。

根據(jù)抗壓強度值，經(jīng)反復(fù)凍融作用后雖然相對動彈性模量、質(zhì)量以及外觀變化不大，但強度已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的劣化，混凝土的凍融耐久性建議利用性能降低率或損耗率等來衡量。根據(jù)ASTM規(guī)定的強度損失超過25%、長度膨脹超過0.4或質(zhì)量損失>5%則代表發(fā)生侵蝕破壞，由此可認定混凝土試件經(jīng)水溶液、NaCl+Na2SO4混合液、Na2SO4溶液、NaCl溶液凍融循壞破壞后，抗凍等級達到F200、F100、F100、F100級。

3 結(jié) 論

針對北方寒區(qū)可能存在的化學(xué)侵蝕、碳化、干濕凍融循環(huán)等多種破壞因素，文章探討了水工混凝土耐久性，主要結(jié)論如下：

1)水工混凝土性能受干濕交替-凍融循環(huán)的疊加作用并非兩者的簡單疊加，兩種因素的協(xié)同會形成放大效應(yīng)。隨水膠比增大先凍融再碳化或先碳化再凍融的試件碳化深度均表現(xiàn)出不斷增加的趨勢，粉煤灰摻量越高則碳化深度越大，先碳化后凍融的碳化深度明顯小于先凍融后碳化。在特定的時間范圍內(nèi)，碳化有利于增強混凝土抗凍性，但長期抗凍性最終會下降。

2)經(jīng)多次凍融作用后雖然相對動彈性模量、質(zhì)量以及外觀變化不大，但強度已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的劣化，混凝土的凍融耐久性建議利用性能降低率或損耗率等來衡量。混凝土試件經(jīng)水溶液、NaCl+Na2SO4混合液、Na2SO4溶液、NaCl溶液凍融循壞破壞后，抗凍等級達到F200、F100、F100、F100級。