凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下水工混凝土力學(xué)性能分析

張麗靜

(盤錦禹泰水利工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

因長期處于凍融損傷與鹽離子侵蝕作用的特殊環(huán)境下，北方寒灌區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不斷降低，對工程的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[1]。針對不利因素綜合作用下混凝土力學(xué)性能演化機(jī)理國內(nèi)外學(xué)者開展了深入探究，如余紅發(fā)、吳中偉、Elhachem等[2-5]揭示了凍融循環(huán)與多種鹽離子侵蝕耦合作用下混凝土的損傷規(guī)律。研究認(rèn)為[6-11]，鹽離子侵蝕及凍融循環(huán)是導(dǎo)致寒區(qū)水工混凝土裂化的關(guān)鍵因素，但尚未形成系統(tǒng)完善的理論體系。因此，深入探討復(fù)雜環(huán)境下水工混凝土力學(xué)性能衰減規(guī)律具有重要意義。

大凌河流域某高揚(yáng)程梯級提水灌溉工程的灌區(qū)土壤面臨著突出的次生鹽堿化問題，水工混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能受寒區(qū)凍融循環(huán)與灌溉回歸水中鹽離子侵蝕的耦合作用損傷嚴(yán)重，工程結(jié)構(gòu)的損傷及裂化問題突出[12-13]。文章結(jié)合寒區(qū)灌溉工程實(shí)際情況，應(yīng)用室內(nèi)凍融循環(huán)加速試驗(yàn)揭示了不同水膠比、粉煤灰和引氣劑摻量對水工混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步揭示了水工混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律，對北方寒區(qū)混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究提供了理論支持和參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

該提灌工程是綜合治理生態(tài)環(huán)境、解決區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉以及人畜飲水問題的重要工程，經(jīng)多年努力修建近2100余座渡槽、橋涵等輸水渠系構(gòu)筑物，在改善區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生活環(huán)境的同時(shí)，還取得了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。然而，由于長期處于高鹽侵蝕和凍融循環(huán)作用環(huán)境下輸水閘閥底板、渡槽排架、泵站輸水管道鎮(zhèn)墩等水工混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了剝落、開裂、粗骨料裸露現(xiàn)象，有的泵站產(chǎn)生承載力下降、結(jié)構(gòu)損傷等問題，工程安全可靠度及運(yùn)行效益的發(fā)揮受到嚴(yán)重制約。所以，有必要研究多因素耦合條件下提灌工程力學(xué)性能的衰減規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用天瑞P·O 42.5級硅酸鹽水泥，粗骨料選用5～20mm連續(xù)級配人工碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.6的天然河砂，依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》合理確定試驗(yàn)配合比。其中，快速凍融循環(huán)試驗(yàn)選用HDK-9型快速自動(dòng)凍融循環(huán)機(jī)等儀器來完成，嚴(yán)格按照耐久性試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的流程開展試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水膠比的試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，保持粉煤灰摻量30%和引氣劑摻量0.02%不變，水膠比0.32、0.42、0.45三組混凝土試塊。先凍融循環(huán)20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環(huán)至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復(fù)以上過程直至凍融循環(huán)達(dá)到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗(yàn)過程中如果試樣質(zhì)量損失>5%則停止試驗(yàn)。不同水膠比設(shè)計(jì)方案，見表1；不同水膠比設(shè)計(jì)方案，見表2；不同水膠比的力學(xué)性能變化曲線，見圖1。

表1 不同水膠比設(shè)計(jì)方案

表2 不同水膠比抗壓強(qiáng)度檢測值

試驗(yàn)表明，水膠比最高的A3組抗壓強(qiáng)度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用達(dá)到100次、200次、300情況下，A1試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.80%、13.85%、21.47%，A2試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.89%、17.06%、27.58%，A3試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.91%、20.26%、31.33%。因此，水膠比在一定程度上影響了混凝土力學(xué)性能，水膠比較高的劣于水膠比較低的混凝土力學(xué)性能[14]。所以，對北方寒區(qū)硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)條件下，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高且水膠比較小的混凝土。

2.2 不同引氣劑摻量的試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，保持水膠比0.42和保持粉煤灰30%不變，引氣劑摻量0%、0.01%、0.02%、0.03%四組混凝土試塊。先凍融循環(huán)20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環(huán)至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復(fù)以上過程直至凍融循環(huán)達(dá)到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗(yàn)過程中如果試樣質(zhì)量損失>5%則停止試驗(yàn)。不同引氣劑摻量設(shè)計(jì)方案，不同引氣劑摻量設(shè)計(jì)方，見表3；不同引氣劑摻量抗壓強(qiáng)度檢測值，見表4；不同引氣劑摻量力學(xué)性能變化曲線，圖2。

表3 不同引氣劑摻量設(shè)計(jì)方案

表4 不同引氣劑摻量抗壓強(qiáng)度檢測值

試驗(yàn)表明，引氣劑摻量最低(0%)的B1組抗壓強(qiáng)度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用達(dá)到100次、200次、300情況下，B1試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.67%、17.36%、31.95%，B2試塊的抗壓強(qiáng)度減少了5.17%、17.21%、27.40%，B3試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.89%、17.06%、27.58%，B4試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.49%、15.50%、27.27%。所以，引氣劑摻量顯著影響著混凝土力學(xué)性能，引氣劑摻量較高的劣于引氣劑摻量較低的混凝土力學(xué)性能[14]。所以，對北方寒區(qū)硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)條件下，為提高混凝土抗侵蝕抗凍融能力應(yīng)摻入適量的引氣劑。

2.3 不同粉煤灰摻量的試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，保持引氣劑摻量0.02%和水膠比0.42不變，粉煤灰摻量0%、20%、30%、40%四組混凝土試塊。先凍融循環(huán)20次浸泡硫酸鈉溶液中10d、再凍融循環(huán)至50次浸泡硫酸鈉溶液中20d，重復(fù)以上過程直至凍融循環(huán)達(dá)到250次或硫酸鹽溶液浸泡100d，試驗(yàn)過程中如果試樣質(zhì)量損失>5%則停止試驗(yàn)。不同粉煤灰摻量設(shè)計(jì)方案，見表5；不同粉煤灰摻量抗壓強(qiáng)度檢測值，見表6；不同粉煤灰摻量力學(xué)性能變化曲線，見圖3。

表5 不同粉煤灰摻量設(shè)計(jì)方案

表6 不同粉煤灰摻量抗壓強(qiáng)度檢測值

試驗(yàn)表明，粉煤灰摻量最高的C4組抗壓強(qiáng)度降幅最大，硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用達(dá)到100次、200次、300情況下，C1試塊的抗壓強(qiáng)度減少了6.20%、14.81%、23.29%，C2試塊的抗壓強(qiáng)度減少了7.51%、17.45%、24.76%，C3試塊的抗壓強(qiáng)度減少了4.89%、17.06%、27.58%，C4試塊的抗壓強(qiáng)度減少了17.22%、34.15%、50.88%。所以，粉煤灰摻量顯著影響著混凝土力學(xué)性能，粉煤灰過高會(huì)加速力學(xué)性能的下降速度[15-21]。所以，對北方寒區(qū)硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)條件下，為提高混凝土抗侵蝕抗凍融能力應(yīng)摻入適量的粉煤灰，但≤30%。

3 結(jié) 論

文章利用室內(nèi)凍融循環(huán)加速試驗(yàn)，探討了硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用下不同水膠比、粉煤灰和引氣劑摻量對水工混凝土力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步揭示了抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)引氣劑和粉煤灰摻量對混凝土力學(xué)性能的影響較為顯著，而水膠比的影響相對較低。為改善硫酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用下混凝土力學(xué)性能可以摻入適量的粉煤灰，但一般≤30%，粉煤灰摻量超過30%將明顯降低混凝土強(qiáng)度。

2)硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)下混凝土力學(xué)性能受引氣劑摻量的影響較大，為了提高混凝土抗離子侵蝕抗凍融能力可以摻入適量的引氣劑。通過試驗(yàn)研究分析，可以為北方寒區(qū)水工混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究提供一定理論支持和參考。