干濕-凍融循環(huán)交替耦合作用下水工混凝土中氯離子滲透性能試驗(yàn)研究

王賀楠

(盤錦禹泰水利工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

對(duì)于北方沿海地區(qū)特別是水位變化區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，其關(guān)鍵影響因素有氯鹽侵蝕、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)等[1-3]。目前，研究水工混凝土耐久性受多種因素耦合作用的還較少。所以，探討水工混凝土受干濕-凍融循環(huán)交替耦合作用下的氯離子侵蝕過程，并進(jìn)一步揭示有害離子侵蝕與孔隙率之間的關(guān)系，對(duì)于改善水工混凝土耐久性和延長工程結(jié)構(gòu)服役年限等具有重要意義。

1 原材料性能

試驗(yàn)采用天瑞P·MH 42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，粗、細(xì)骨料選用粒徑5～20mm和20～40mm兩種級(jí)配碎石及灰?guī)r人工砂，石粉含量可忽略不計(jì)，外加劑利用海韻BT-4012型高效引起減水劑，經(jīng)檢測各原材料性能均符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，以自來水作為拌合水和養(yǎng)護(hù)水。

1)基準(zhǔn)組：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土水膠比0.40，含氣量4.5%，坍落度60mm，砂率32%，標(biāo)號(hào)等級(jí)C30W6F200，基準(zhǔn)混凝土配合比，見表1。

2)單摻組：輕燒氧化鎂摻量3%，束狀單絲聚丙烯纖維摻量1kg/m3，纖維長度10～20mm。

3)雙摻組：以基準(zhǔn)組為原則雙摻1kg/m3聚丙烯纖維和3%輕燒氧化鎂。

表1 基準(zhǔn)混凝土配合比

2 試驗(yàn)方法

2.1 制備試件

干濕-凍融循環(huán)交替耦合試驗(yàn)統(tǒng)一選用標(biāo)準(zhǔn)抗凍試件，試件制備與養(yǎng)護(hù)流程為：①按照設(shè)計(jì)配合比依次稱量所取原材料，然后遵循先粗、細(xì)骨料，再凝膠材料、摻合料，最后外加劑與水混合液的順序向攪拌機(jī)內(nèi)投料；②設(shè)定攪拌時(shí)間180s，攪拌均勻后倒出拌合物，分層裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的模具，機(jī)械振搗密實(shí)后室內(nèi)靜置24h；③成型后脫模，將試件放入標(biāo)養(yǎng)環(huán)境中(濕度≥95%、溫度20℃±2℃)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d。

試驗(yàn)過程中，先從標(biāo)養(yǎng)室取出試件并放入烘箱烘至恒重，設(shè)定烘箱溫度80±5℃，然后取出自然冷卻至恒溫，采用環(huán)氧樹脂密封5個(gè)表面(除成型面)，以防外界的氯離子、水分與其它表面發(fā)生交換，確保氯離子沿單一成型面向混凝土內(nèi)部滲透。

2.2 干濕-凍融耦合作用

考慮到現(xiàn)行規(guī)范尚未統(tǒng)一規(guī)定干濕-凍融循環(huán)交替耦合試驗(yàn)方法，所以按照先凍融循環(huán)、再干濕循環(huán)的方式進(jìn)行試驗(yàn)。目前，主要有確定一定連續(xù)次數(shù)的干濕-凍融為一個(gè)大的耦合循環(huán)(方法一)、單次干濕-凍融循環(huán)耦合(方法二)兩種[4-5]。對(duì)于自然完整年，在夏季和秋季混凝土僅受干濕循環(huán)作用，而在春季和冬季混凝土僅受凍融循環(huán)作用。所以，為更加真實(shí)地模擬自然環(huán)境下水工構(gòu)筑物的服役狀態(tài)，選擇一定連續(xù)次數(shù)的干濕-凍融循環(huán)為一個(gè)大的耦合循環(huán)更加接近實(shí)際情況。除特殊說明，文章均利用“方法一”測試干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場和室內(nèi)環(huán)境下，混凝土經(jīng)受的單次凍融循環(huán)明顯不同，現(xiàn)場環(huán)境一年中經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)選擇年均等效凍融循環(huán)次數(shù)neq，具體表達(dá)式為[6]：

neq=K×nact/S

(1)

式中：K為混凝土受凍融循環(huán)時(shí)的飽含水時(shí)間比例系數(shù)；S為室內(nèi)外凍融條件下凍融損傷比例系數(shù)；nact為年均現(xiàn)場凍融循環(huán)次數(shù)。

北方地區(qū)現(xiàn)場環(huán)境累積年均正負(fù)溫交替次數(shù)利用中國氣象局統(tǒng)計(jì)的歷史氣象數(shù)據(jù)確定，即(80～100)次/a。由于負(fù)溫天氣持續(xù)時(shí)間較長，將現(xiàn)場年凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整后取nact=(100～120)次/a，考慮試驗(yàn)?zāi)康娜∽畲笾祅act=120次/a。此外，飽含水比例系數(shù)K、室內(nèi)外凍融損傷比例系數(shù)S取1和8.25～15.10，代入數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算室內(nèi)等效現(xiàn)場年凍融循環(huán)次數(shù)neq為(7.95～14.55)次/a，故取最大值14.55次/a，取整數(shù)15次/a。所以，一次干濕-凍融循環(huán)交替耦合試驗(yàn)為先15次連續(xù)凍融(2.5d)再15個(gè)連續(xù)干濕循環(huán)(30d)。

2.3 測定氯離子含量

對(duì)于不同深度處的自由氯離子含量考慮利用化學(xué)滴定的方式進(jìn)行測試，并用質(zhì)量百分比代表自由氯離子含量[7-10]。依據(jù)JTST 236-2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)范》有關(guān)要求，深度>10mm時(shí)，每隔5mm測試一次；深度≤10mm時(shí)，每隔2mm測試一次。

2.4 測定孔隙率

水工混凝土是一種由多種材料復(fù)合而成的多孔結(jié)構(gòu)，其抗氯離子侵蝕和抗凍性能主要取決于孔隙率的分布及其大小[11]。對(duì)于混凝土孔隙率φ考慮利用浸泡法進(jìn)行測試，計(jì)算公式為：

(2)

式中：ρc為試件飽水后的密度；ρw為常溫下水的密度，g/cm3；mc、m0為試件的飽水質(zhì)量和干燥質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 混凝土孔隙率

將水工混凝土試樣依照設(shè)計(jì)流程進(jìn)行干濕-凍融循環(huán)交替耦合試驗(yàn)，干濕-凍融循環(huán)達(dá)到預(yù)定次數(shù)后取出，并利用鋼鋸將試件切割兩部分，分別用于試樣孔隙率和不同深度處氯離子含量的測定[12]。在達(dá)到干濕-凍融循環(huán)預(yù)定次數(shù)后，計(jì)算測得混凝土吸水率和孔隙率，方法一測試的混凝土孔隙率，見表2。此外，為進(jìn)一步比較“方法一”和“方法二”的區(qū)別，文章利用“方法二”測試30次干濕-凍融耦合作用的混凝土孔隙率，方法二測試的混凝土孔隙率，見表3。

表2 方法一測試的混凝土孔隙率

表3 方法二測試的混凝土孔隙率

由表2～3可知，對(duì)于一定連續(xù)次數(shù)的干濕-凍融為一個(gè)大的耦合循環(huán)試驗(yàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加所有試件的吸水率均表現(xiàn)出上升趨勢。采用“方法一”測試基準(zhǔn)混凝土的孔隙率，耦合循環(huán)1次、2次、3次、4次時(shí)的孔隙率較前次分別增大了0.64%、1.04%、1.11%、1.25%，主要規(guī)律如下：

1)從低到高混凝土孔隙率變化速率為：雙摻組<單摻聚丙烯纖維組<單摻輕燒氧化鎂組<基準(zhǔn)組，隨循環(huán)次數(shù)增加混凝土孔隙率均呈不斷增大趨勢。

2)輕燒氧化鎂組與基準(zhǔn)組的孔隙率相差不大，而聚丙烯纖維組與雙摻組孔隙率變化相差不大，并且聚丙烯纖維組和雙摻組的孔隙率增大速率整體小于輕燒氧化鎂組、基準(zhǔn)組的增大速率。由于混凝土孔隙率受短時(shí)間干濕循環(huán)的影響較小，故混凝土受凍融損傷產(chǎn)生的微裂縫是引起孔隙率變化的關(guān)鍵原因[13-14]。此外，摻輕燒氧化鎂組和基準(zhǔn)組的抗凍性能要小于摻聚丙烯鮮味足及雙摻組，混凝土抗凍性能受外摻輕燒氧化鎂的影響較低。

3)對(duì)比“方法一”和“方法二”測定的歷經(jīng)15凍融、30次干濕循環(huán)孔隙率發(fā)現(xiàn)，采用“方法一”測定的雙摻組、摻聚丙烯纖維組、摻輕燒氧化鎂組、基準(zhǔn)組的孔隙率0.53%、0.57%、0.63%、0.64%。而利用“方法二”測定的孔隙率分別增加0.95%、1.05%、1.14%、2.32%；對(duì)于歷經(jīng)30次凍融、30次干濕循環(huán)的混凝土孔隙率，利用兩種方法測試的結(jié)果也具有明顯差異。因此，在凍融循環(huán)與循環(huán)次數(shù)相同的情況下，按“方法一”產(chǎn)生的混凝土損傷遠(yuǎn)小于“方法二”。所以，對(duì)于干濕-凍融循環(huán)下混凝土的抗氯離子性能，利用“方法二”測試結(jié)果要低于實(shí)際情況。

3.2 自由氯離子含量

干濕-凍融循環(huán)交替耦合作用下四種混凝土試件的氯離子濃度檢測結(jié)果，氯離子含量分布圖，見圖1。研究表明，水工混凝土中的自由氯離子含量峰值，在經(jīng)歷一個(gè)耦合循環(huán)作用時(shí)向內(nèi)延伸了一個(gè)測量距離。由于受耦合作用，凍融循環(huán)引起的混凝土損傷是促使氯離子向內(nèi)侵蝕的決定因素，內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，裂縫開始貫通，從而加速了氯離子的滲透和擴(kuò)散。

(a)基準(zhǔn)組 (b)輕燒氧化鎂組

在經(jīng)歷一次耦合循環(huán)后輕燒氧化鎂組和基準(zhǔn)組的自由氯離子峰值會(huì)深入一個(gè)測量距離，在經(jīng)歷3次耦合循環(huán)后聚丙烯鮮味足的自由氯離子峰值才向內(nèi)延伸一個(gè)測量距離，雙摻組經(jīng)歷4次耦合循環(huán)時(shí)的峰值深度仍未發(fā)生改變，只是氯離子含量峰值逐漸增加。可見，受干濕-凍融耦合作用時(shí)四種混凝土的抗氯離子侵蝕能力，從低到高排序依次為基準(zhǔn)組<輕燒氧化鎂組<聚丙烯纖維組<雙摻組。

4 結(jié) 語

水工混凝土受干濕-凍融循環(huán)交替耦合作用時(shí)，其孔隙率變化速率與抗氯離子侵蝕性能直接相關(guān)，其抗侵蝕能力從低到高排序?yàn)榛鶞?zhǔn)組<輕燒氧化鎂組<聚丙烯纖維組<雙摻組。由于受耦合作用，凍融循環(huán)引起的混凝土損傷是促使氯離子向內(nèi)侵蝕的決定因素，內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，裂縫開始貫通，從而加速了氯離子的滲透和擴(kuò)散。

此外，采用不同方法測定的試驗(yàn)結(jié)果有所差異，對(duì)于干濕-凍融循環(huán)下混凝土的抗氯離子性能，利用“方法二”測試結(jié)果要低于實(shí)際情況。因此，復(fù)雜條件下必須選用合適的試驗(yàn)方法，才能保證混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)度。