孔慶宇

（撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 撫順 113006）

我國(guó)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(jìn)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(jī)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(kù)等研究了小山水電站面板混凝土耐久性，結(jié)合設(shè)計(jì)配合比全面分析了面板混凝土性能；楊德福等通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和機(jī)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(yàn)表明摻入適量的引氣劑可以增強(qiáng)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(dòng)彈模量衰減、質(zhì)量損失規(guī)律及破壞特征；禹虹機(jī)等利用鹽蝕干濕循環(huán)法、長(zhǎng)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(jī)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(huì)加速水工混凝土的損傷，而不利環(huán)境因素又會(huì)加速結(jié)構(gòu)承載力的減小，甚至整體結(jié)構(gòu)的過(guò)早失效。因此，單一因素作用下的研究成果無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)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(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)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(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)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(jí)水泥，集料選用細(xì)度模數(shù)2.8 的優(yōu)質(zhì)河砂和級(jí)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(wú)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(jì)

參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》合理設(shè)計(jì)配合比，按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行拌合、振搗、入模、成型、養(yǎng)護(hù)和相關(guān)測(cè)試，試驗(yàn)配合比，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)配合比 kg/m3

依據(jù)試驗(yàn)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(gè)試塊，振搗密實(shí)后室內(nèi)靜置24h，然后拆模編號(hào)標(biāo)記，并置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)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(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，分組編號(hào)，如表2 所示。

表2 試件分組編號(hào)

1.3 試驗(yàn)方法

1）單軸抗壓試驗(yàn)。采用YES-2000 型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定水工混凝土單抽抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用IMC 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2）凍融循環(huán)試驗(yàn)。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(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每?jī)鋈谘h(huán)10 次測(cè)定一次試塊的動(dòng)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(yàn)。將養(yǎng)護(hù)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(yàn)過(guò)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(shí)間共210d。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失

一般地，相對(duì)動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失反映了水工混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度及其表面損傷情況，通過(guò)定量分析各組試塊的相對(duì)動(dòng)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(cè)試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 凍融循環(huán)及鹽蝕條件下相對(duì)動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失

由圖1 可知，凍融循環(huán)100 次時(shí)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(shí)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(shí)，在Na2SO4溶液浸泡210d 和未經(jīng)Na2SO4溶液浸泡的試塊相對(duì)動(dòng)彈模量損失率為85%、40%，說(shuō)明硫酸鹽侵蝕會(huì)大大降低混凝土的抗凍性。

結(jié)果表明，隨著Na2SO4溶液侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)混凝土的動(dòng)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?yàn)榛炷粱w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(shí)性，而內(nèi)部鹽類結(jié)晶隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)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(duì)動(dòng)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(wú)法自由移動(dòng)，而凍結(jié)時(shí)水結(jié)冰體積膨脹加速了內(nèi)部孔隙的擴(kuò)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(kāi)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(lái)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(qiáng)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(shí)間下峰值抗壓強(qiáng)度，如表3 所示。

表3 峰值抗壓強(qiáng)度

結(jié)果顯示，無(wú)損條件下的初始峰值抗壓強(qiáng)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(qiáng)度逐漸減小，凍融循環(huán)達(dá)到120 次時(shí)的峰值抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到75.88%，抗壓強(qiáng)度8.47MPa；凍融循環(huán)80 次時(shí)，在Na2SO4溶液浸泡210d 時(shí)的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到83.77%，抗壓強(qiáng)度只有5.70MPa，說(shuō)明硫酸鹽侵蝕大大降低了混凝土強(qiáng)度，凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用會(huì)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(qiáng)度，所以不同凍融循環(huán)次數(shù)與硫酸鹽侵蝕時(shí)間耦合作用下的峰值抗壓強(qiáng)度與前文相對(duì)動(dòng)彈模量、質(zhì)量損失變化規(guī)律基本相似[9-11]。結(jié)合試驗(yàn)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(shí)間下相對(duì)動(dòng)彈模量與峰值抗壓強(qiáng)度損失率之間的關(guān)系（見(jiàn)圖2）。經(jīng)擬合兩者表現(xiàn)出正相關(guān)性，即隨著相對(duì)動(dòng)彈模量損失率的增大峰值抗壓強(qiáng)度損失率逐漸增大。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈模量與峰值抗壓強(qiáng)度損失率的關(guān)系

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，混凝土抗壓強(qiáng)度損傷也表現(xiàn)出快速-緩慢-急劇上升的變化趨勢(shì)，該變化規(guī)律與動(dòng)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(qiáng)度在不同Na2SO4溶液侵蝕時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度

表4 峰值抗壓強(qiáng)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(qiáng)度；D、A代表單一硫酸鹽侵蝕作用下峰值抗壓強(qiáng)度及其損傷速度，隨著硫酸鹽侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)A的絕對(duì)值逐漸增大且恒為負(fù)值，這說(shuō)明隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多試件峰值抗壓強(qiáng)度呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，且硫酸鹽侵蝕會(huì)加速凍融破壞。混凝土峰值抗壓強(qiáng)度在單一凍融循環(huán)中作用下為33.86MPa，經(jīng)100 次凍融循環(huán)就會(huì)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(qiáng)度就會(huì)損失10MPa，說(shuō)明隨硫酸鹽侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)混凝土強(qiáng)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(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)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(shì)；混凝土力學(xué)性能隨著硫酸鹽侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，在210d混凝土抗壓強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)度在不同硫酸鹽侵蝕時(shí)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。