王琢珺

（朝陽市水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

輸水隧洞等水工領(lǐng)域的地下洞室工程往往采用襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行圍護(hù)。在工程運(yùn)行過程中，襯砌混凝土需要長期接觸有水環(huán)境，受到水中各種腐蝕介質(zhì)的影響。在我國的東部沿海和西北部地區(qū)的鹽漬區(qū)，水體中不僅含有較多的氯離子，同時(shí)也存在較多的硫酸根等腐蝕離子[1]。因此，上述地區(qū)的輸水隧洞建設(shè)和運(yùn)行，不僅需要考慮氯離子的腐蝕作用，還應(yīng)該考慮氯離子和硫酸根離子的共同作用。在上述雙因素的侵蝕影響下，不僅會(huì)造成襯砌混凝土的損傷，還會(huì)造成鋼筋的銹蝕[2]。因此，研究復(fù)合鹽侵蝕作用下水工混凝土結(jié)構(gòu)的劣化作用，具有十分重要的意義。

粉煤灰作為一種水工混凝土常用礦物摻合料，不僅可以有效減少水泥用量，減少水泥生產(chǎn)過程中的大氣和環(huán)境污染，同時(shí)還能改善混凝土的性能[3]。王海彥等認(rèn)為襯砌混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞的主要原因是硫酸根離子和混凝土內(nèi)的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成有破壞作用的石膏或鈣礬石。因此，在混凝土中摻加一定量的礦物摻合料，可以有效減少混凝土內(nèi)氫氧化鈣的形成，減少二次水化作用的影響，降低混凝土的硫酸鹽侵蝕[4]。從目前的研究成果來看，該領(lǐng)域的大部分研究僅考慮單一鹽類的影響，而粉煤灰在硫酸鹽和氯鹽復(fù)合作用下的性能尚不明確?；诖?，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，研究粉煤灰對(duì)鹽漬區(qū)輸水隧洞襯砌混凝土劣化性能的影響，以便為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供有益的支持和借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用丹東振東建材有限公司的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其密度為2 790 kg/m3，初凝和終凝時(shí)間為158 min 和238 min，標(biāo)準(zhǔn)用水量為27.20%，28 d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為7.3 MPa和48.5 MPa。粉煤灰選擇本溪電廠一級(jí)粉煤灰，其結(jié)構(gòu)以球形為主，大小不一，表面光滑，其篩余量為4.80%，需水量為92.00%，密度為2.1 g/cm3，含水率為0.04%。試驗(yàn)用砂為普通河沙，含水率為2.40%，含泥量小于1.50%，泥塊含量小于0.50%，其細(xì)度模數(shù)為2.63，為中砂。試驗(yàn)用石子為人工石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍為5.0～31.5 mm，顆粒級(jí)配良好，壓碎率小于12.50%，表觀密度為2 863 kg/m3，含泥量為0.47%。試驗(yàn)用水為普通自來水，減水劑為聚羥酸高效減水劑，其形態(tài)為液態(tài)，固含量為65.00%，減水率超過30.00%。

1.2 試件方案

試驗(yàn)中選擇水工隧洞襯砌施工常用的C30混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其材料的每立方米用量分別為水泥380.0 kg、水152.0 kg、砂747.0 kg、石子1 101.0 kg、減水劑1.5 kg。在上述配比的基礎(chǔ)上，摻加一定量的粉煤灰替代水泥，摻加比例按照水泥用量的0%，15.00%，30.00%確定試驗(yàn)方案。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，首先按照試驗(yàn)方案確定的配合比稱量好各種材料用量，并進(jìn)行混凝土的配制，將制作好的混凝土倒入150.0 mm×150.0 mm×150.0 mm的立方體試模，人工插搗密實(shí)后，再放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s成型[5]。將成型的試件在室內(nèi)環(huán)境下靜置24 h 拆模編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期備用。在試件制作過程中，每種試驗(yàn)方案制作4 個(gè)試件，其中3 個(gè)試件用于試驗(yàn)，1 個(gè)試件備用。將3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合鹽漬區(qū)水利工程的運(yùn)行實(shí)際，分別考慮鹽類侵蝕、干濕循環(huán)及凍融循環(huán)3 個(gè)主要因素對(duì)混凝土耐久性的影響[6]。鑒于目前還沒有鹽侵、凍融、干濕因素作用下的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此，試驗(yàn)中主要依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求，展開鹽類侵蝕作用下的耐久性試驗(yàn)。侵蝕溶液分別選擇清水、5.00%硫酸鈉溶液及5.00%的硫酸鈉和氯化鈉復(fù)合溶液[7]。在試驗(yàn)過程中先進(jìn)行6 次凍融循環(huán)，每循環(huán)在-15 ℃條件下凍結(jié)2 h，然后在6 ℃條件下融化2 h；再進(jìn)行6 次干濕循環(huán)，在80 ℃條件下烘干12 h 后冷卻1 h，然后再浸泡11 h，作為一次完整的大循環(huán)。

試驗(yàn)中，選擇質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量作為劣化的判斷指標(biāo)[8]。其中，試件質(zhì)量利用電子秤測量，抗壓強(qiáng)度利用YAW-2000型壓力機(jī)進(jìn)行測試，相對(duì)動(dòng)彈模量使用動(dòng)彈性模量儀進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 清水試驗(yàn)

利用清水侵蝕試驗(yàn)條件下獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理計(jì)算出不同方案和不同大循環(huán)次數(shù)下試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果如表1 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加，混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先增加后減小，再逐漸增大的變化趨勢。究其原因，主要是隨著試驗(yàn)中水分的侵入，混凝土的整體性能受到影響，造成質(zhì)量損失率增加，而水分的不斷侵入并填充混凝土內(nèi)部孔隙，質(zhì)量損失率有所減小，之后混凝土出現(xiàn)明顯的損傷，因此質(zhì)量損失率逐漸增加。從不同粉煤灰摻量水平來看，大循環(huán)試驗(yàn)后期15.00%摻量水平的質(zhì)量損失率最小，而摻加量為30.00%時(shí)的質(zhì)量損失率反而大于未摻加粉煤灰的方案。從抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量的試驗(yàn)結(jié)果來看，粉煤灰摻量為15.00%時(shí)的抗壓強(qiáng)度值最小，而相對(duì)動(dòng)彈模量最大。

表1 清水侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.2 5.00%硫酸鈉溶液試驗(yàn)

利用5.00%硫酸鈉溶液侵蝕試驗(yàn)條件下獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理計(jì)算出不同方案和不同大循環(huán)次數(shù)下試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果如表2 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在5.00%硫酸鈉溶液的侵蝕作用下，混凝土的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先減小后增大直至破壞的變化特征。究其原因，主要是隨著鹽離子滲入混凝土內(nèi)部，并發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化填充內(nèi)部孔隙，造成質(zhì)量損失率減小，而隨著鹽離子的不斷滲入，加上干濕交替及凍融變化的影響，混凝土劣化逐漸明顯，質(zhì)量損失率迅速增加。試驗(yàn)中的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈模量變化與清水中的規(guī)律基本一致，但是變化幅度更大，且隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度損失越大，相對(duì)動(dòng)彈模量越小。由此可見，摻加15.00%粉煤灰的混凝土，在試驗(yàn)前期表現(xiàn)出較好的抗硫酸鹽侵蝕性能，但是隨著大循環(huán)次數(shù)的不斷增加，其損傷劣化反而更大。顯然，粉煤灰并不是水泥，用其替代水泥會(huì)使混凝土酥脆，造成混凝土的外表更容易被侵蝕。

表2 5.00%硫酸鈉溶液侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

2.3 復(fù)合鹽溶液試驗(yàn)

利用復(fù)合鹽溶液侵蝕試驗(yàn)條件下獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理計(jì)算出不同方案和不同大循環(huán)次數(shù)下試件的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果如表3 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在復(fù)合鹽溶液侵蝕作用下，混凝土的質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，相對(duì)動(dòng)彈模量呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)。另一方面，在混凝土中摻加一定量的粉煤灰，有助于提高循環(huán)次數(shù)較少時(shí)混凝土的抗復(fù)合鹽侵蝕能力，但是在循環(huán)次數(shù)較多時(shí)反而不利于混凝土抗侵蝕能力的提升。

表3 復(fù)合鹽溶液侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

在水工混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中，由于受到外部不利環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生比較明顯的性能劣化，從而影響工程安全和服役年限。粉煤灰作為重要的混凝土礦物摻合料，對(duì)改善混凝土性能和耐久性具有積極意義。此次試驗(yàn)研究探討了粉煤灰對(duì)鹽漬區(qū)輸水隧洞襯砌混凝土劣化性能的影響規(guī)律，并提出了相關(guān)的工程建議。研究結(jié)論可以為相關(guān)理論研究和工程建設(shè)提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，水工混凝土服役環(huán)境復(fù)雜多變，礦物摻合料的種類也較多。因此，今后的研究中需要進(jìn)一步擴(kuò)大范圍，針對(duì)不同種類的礦物摻合料進(jìn)行單摻和復(fù)摻對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以獲取改善鹽漬區(qū)輸水隧洞襯砌混凝土劣化性能的最優(yōu)方案。