水利水電工程混凝土抗腐蝕性能研究

李亞楠

(朝陽縣水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000)

由于成本造價低、原材料充足、力學(xué)性能好等優(yōu)勢，混凝土在各種構(gòu)筑物和建筑物中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。水利水電工程建設(shè)關(guān)乎下游防洪安全和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因其使用環(huán)境和工程性質(zhì)的特殊性，如長期處于潮濕或水浸泡環(huán)境致使各種侵蝕性介質(zhì)加速了混凝土腐蝕，水工結(jié)構(gòu)耐久性明顯下降[3]。研究發(fā)現(xiàn)，從弱到強(qiáng)破壞水工混凝土的原因有硫酸鹽破壞、堿集料反應(yīng)、凍融破壞和鋼筋銹蝕，且水工混凝土受鋼筋銹蝕的危害最大。氯離子是引起鋼筋銹蝕最為關(guān)鍵的腐蝕性介質(zhì)，其透過混凝土保護(hù)層引起鋼筋腐蝕，極大地降低了水工結(jié)構(gòu)安全性和建筑物整體可靠度[4-6]。實踐表明，在混凝土中摻入納米碳纖維材料，可以有效降低水工建筑物受氯離子的腐蝕作用。現(xiàn)階段，混凝土抗氯離子滲透性檢測比較常用的方法是電通量法[7-9]。鑒于此，文章采用電通量法量化研究了碳纖維混凝土和普通混凝土的抗腐蝕性能，旨在為水工混凝土中納米碳纖維的推廣使用提供實踐參考。

1 方案設(shè)計

1.1 試件制作

為探討水工混凝土抗腐蝕性能受納米碳纖維的影響機(jī)理，制作了摻入適量納米碳纖維和普通的混凝土試件，通過室內(nèi)試驗量化分析了兩種試件的抗腐蝕性，配比設(shè)計如表1所示。

表1 試驗配比設(shè)計

1.2 電通量測試

水工混凝土抗腐蝕性可利用電通量進(jìn)行測試，其基本原理是真空飽水后充分排出混凝土中的空氣，水分充滿內(nèi)部的毛細(xì)管路為離子流動提供通道，在外加電場作用下正負(fù)離子發(fā)生遷移，結(jié)合電通量多少即可判定混凝土抗?jié)B性?；炷林袚饺肓颂祭w維后其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，較普通混凝土發(fā)生明顯的改變，由此測定的電通量也會明顯不同，儀器構(gòu)造如圖1所示。圖中，1-直流穩(wěn)壓點源；2-試驗槽；3-紫銅墊板與銅網(wǎng)；4-混凝土試件；5-3.0%NaCl溶液；6-0.3mol/L NaOH溶液；7-標(biāo)準(zhǔn)電阻；8-直流數(shù)字式電壓表。

圖1 電通量測試構(gòu)造圖

1.3 試驗過程

試驗研究納米碳纖維混凝土和普通混凝土的抗氯離子腐蝕性，主要步驟為：①制備試件，依據(jù)混凝土試驗配比制作高度和半徑均為50mm試件，24h后拆模、編號并放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期；②取出試件，放入真空泡水儀浸泡24h至飽水狀態(tài)；③飽水后蠟封試件四周，在電通量夾具中裝入試件，將夾具與試件擰緊固定以防電解液流出；④將濃度為0.3mol/L NaOH溶液和3.0%NaCl溶液加入電解池中，設(shè)置點源電壓60V；⑤通電測試，先測量電流初始值，每隔30min測量并記錄電流值，通電6h后結(jié)束試驗，收集相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 電通量測試示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 電通量計算

根據(jù)前文所述試驗方法，通過測量電流確定納米碳纖維混凝土與普通混凝土的電流電通量，如表2所示。

表2 電流監(jiān)測值與通電量計算值

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)電通量法測試結(jié)果生成納米碳纖維混凝土和普通混凝土電流變化曲線，如圖3所示。

(a)普通混凝土 (b)納米碳纖維混凝土圖3 電流變化曲線圖

由圖3(a)可知，通電過程中普通混凝土的電流值幾乎呈線性增長趨勢，這表明其具有較好的氯離子滲透性。通過對比圖3(b)電流變化趨勢發(fā)現(xiàn)，通電初期納米碳纖維混凝土電流基本保持線性增長趨勢，即120min內(nèi)電流快速增大，在通電210min之后電流保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，電流增大幅度不明顯。對比分析納米碳纖維混凝土與普通混凝土電流變化趨勢，納米碳纖維混凝土的抗氯離子滲透性高于普通混凝土[10]。

計算納米碳纖維混凝土和普通混凝土整個通電過程中的電通量及電流平均值，確定兩者的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 電通量計算值

圖4表明，通電6h內(nèi)納米碳纖維混凝土和普通混凝土電通量分別為934.4q、1536.8q，納米碳纖維的摻入能夠降低通電量602.4q。因此，依據(jù)通電過程電流變化趨勢得到的結(jié)果與混凝土電通量量化計算得出的結(jié)論保持一致，即納米碳纖維的摻入有利于增強(qiáng)混凝土的抗氯離子侵蝕性能。

為深入揭示混凝土抗氯離子侵蝕性能與混凝土材料電通量之間的關(guān)系，對本試驗混凝土材料按照試驗標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)材料進(jìn)行分析，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 抗氯離子滲透性等級劃分

由表3可知，納米碳纖維混凝土和普通混凝土的抗氯離子侵蝕分別為極低、低等級，即納米纖維材料的摻入可以增強(qiáng)混凝土內(nèi)部鋼筋抗氯離子侵蝕能力，改善水工結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、耐久性和安全穩(wěn)定性，延長水利工程的服役年限。

2.3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，試驗過程中普通混凝土的電流值與電通量之均明顯高于碳纖維混凝土，表明將納米碳纖維摻入混凝土中有利于增大內(nèi)部密實度，對改善混凝土抗氯離子滲透性和抗裂性具有積極作用。深入分析可知，養(yǎng)護(hù)階段混凝土受各種因素影響出現(xiàn)一定的干縮現(xiàn)象，從而導(dǎo)致內(nèi)部存在許多微裂紋，在電解池中氯離子沿裂紋通道加速滲透至混凝土內(nèi)部，并引起鋼筋的銹蝕。將納米碳纖維摻入混凝土中，可明顯改善養(yǎng)護(hù)期混凝土干縮性能，有效防止內(nèi)部微裂紋的匯集與形成，在一定程度上抑制侵蝕性介質(zhì)的滲入，提高水工混凝土的密實度及其抗腐蝕性。

3 結(jié) 論

文章采用電通量法研究了氯離子侵蝕問題，并探討了納米碳纖維混凝土與普通混凝土的抗氯離子滲透性，主要結(jié)論如下：

1)整個通電過程中普通混凝土的電流值幾乎呈線性增長趨勢；通電初期，納米碳纖維混凝土電流增長迅速，但通電210min之后電流保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，電流增大幅度不明顯。通電6h內(nèi)納米碳纖維混凝土和普通混凝土電通量分別為934.4q、1536.8q，納米碳纖維的摻入能夠降低通電量602.4q，納米碳纖維混凝土的抗氯離子滲透性優(yōu)于普通混凝土。

2)根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)材料，納米碳纖維混凝土和普通混凝土的抗氯離子侵蝕分別為極低、低等級；將納米碳纖維摻入混凝土中，可明顯改善養(yǎng)護(hù)期混凝土干縮性能，有效防止內(nèi)部微裂紋的匯集與形成，在一定程度上抑制侵蝕性介質(zhì)的滲入，提高水工混凝土的密實度、抗腐蝕性和耐久性。