不同修復(fù)材料對混凝土水閘結(jié)構(gòu)劣化的影響

楊 策

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

鋼筋混凝土的耐久性對基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性至關(guān)重要，其中混凝土的劣化將降低鋼筋混凝土水閘結(jié)構(gòu)的耐久性[1-2]，提高耐久性的方法就是對變質(zhì)混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。然而，這種方法不是一個長期的解決方案，因?yàn)閼?yīng)用修復(fù)處理后的混凝土在不久后(1-2年)就會再次劣化。眾多學(xué)者針對其劣化原因進(jìn)行了大量的探究，如李珍等[3]學(xué)者通過有限元方法對凍融循環(huán)作用下水工建筑材料劣化過程及影響規(guī)律進(jìn)行了模擬計(jì)算。李雋等[4]學(xué)者通過自然浸泡和干濕循環(huán)的試驗(yàn)方法對混凝土在不同濃度氯鹽浸泡中的破壞特征進(jìn)行了相關(guān)研究。吳宇等[5]學(xué)者通過非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬對水閘混凝土的老化、劣化過程進(jìn)行研究。根據(jù)前人研究可知，在寒冷地區(qū)混凝土的短期再劣化是通過復(fù)合劣化發(fā)生的：即霜凍損傷和氯離子誘導(dǎo)損傷的相互干擾加劇了混凝土的劣化。當(dāng)混凝土在有氯離子滲透的情況下遭受凍融作用時，氯離子濃度和滲透壓增大，且由于凍害，混凝土表面可能會發(fā)生結(jié)垢，使得氯離子很容易通過覆蓋的混凝土到達(dá)鋼筋。

本文主要研究在霜凍損傷和氯致?lián)p傷的復(fù)雜劣化環(huán)境中修復(fù)材料的性能，對修復(fù)材料的含水率和氯離子滲透情況進(jìn)行分析，從根本上了解混凝土水閘結(jié)構(gòu)短期再劣化的原因。通過單側(cè)氯化鈉溶液吸收試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)，驗(yàn)證兩種修復(fù)材料修復(fù)混凝土?xí)r其中水離子和氯離子的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)程序

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見表1，分別在氯致?lián)p傷和復(fù)雜劣化環(huán)境下測定修復(fù)后混凝土的氯離子含量和含水率。其中氯離子含量通過電位滴定法進(jìn)行測量；含水率通過電極法比電阻測量。至于修復(fù)材料，根據(jù)前人研究，選擇具有抗凍性和致密結(jié)構(gòu)的修復(fù)材料，能有效降低水分子和氯離子的擴(kuò)散速率。選擇2組修復(fù)材料，分別為水泥砂漿和聚合物水泥砂漿，其中水泥砂漿抗凍性相對較低、無抑制氯離子的能力，聚合物水泥砂漿抗凍性高、抑制氯離子滲透效果較好。

表1 試驗(yàn)方案

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土圓柱形試件尺寸為φ100×200mm，其配合比見表2。將試件在水中和空氣中分別養(yǎng)護(hù)兩周，再切割為φ100×100mm的樣品。根據(jù)劣化條件和修復(fù)材料的不同，設(shè)計(jì)13種試樣構(gòu)型。采用6組標(biāo)本(1組=2個標(biāo)本)，按規(guī)定時間間隔測定氯離子含量，再對剩下試樣的含水率進(jìn)行測量。試樣用環(huán)氧樹脂密封，以抑制除測試表面外其他側(cè)面的吸水能力。每個試樣的檢測表面暴露于3.5%氯化鈉溶液中1周，并覆蓋聚乙烯袋保持其含水率。

表2 混凝土配合比

設(shè)置2種試驗(yàn)條件，方案1：氯離子誘導(dǎo)損傷，水溫20℃，相對濕度60%；方案2：復(fù)合劣化，-20℃～20℃凍融循環(huán)，模擬修復(fù)混凝土復(fù)合劣化時，水分子和氯離子通過修復(fù)材料的傳遞過程。

試樣吸收氯化鈉溶液一周后，應(yīng)從每個試樣頂部剪去30mm，因?yàn)樵摬糠衷嚇颖宦入x子腐蝕了。然后使用水灰比(W/C)為0.50的水泥砂漿或聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)，其混合比例見表3—4。再將修復(fù)后的試樣暴露在不同劣化環(huán)境中4周(方案1和方案2)。

表3 水泥砂漿的配合比

表4 聚合物水泥砂漿的配合比

測量含水率和氯離子含量的試驗(yàn)流程如圖1所示。主要在標(biāo)記點(diǎn)(●)處進(jìn)行測量，分別為劣化前(O)、修復(fù)前(1stD)和再次劣化后(1W、2W、3W、4W)連續(xù)4周對含水率和氯離子含量進(jìn)行測量。

圖1 試驗(yàn)流程

為了研究含水率和氯離子在測試表面通過修復(fù)材料和混凝土的轉(zhuǎn)移路徑，將試樣分為圖2所示的4個部分：0mm(測試表面)～15mm(1F)、15～30mm(2F)、30～45mm(3F)和45～60mm(4F)，并采用電位滴定法測定氯離子含量。由于混凝土、水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的總氯離子含量不同，故所有試件的初始氯離子含量均設(shè)為0%。

圖2 處理試樣

試樣中濕度傳感器電極的安裝間隔為15mm，濕度傳感器由兩個平行電極組成，其長度配置如圖3所示：a(電極半徑)

圖3 濕度傳感器配置

為了確定含水率，分別使用熱電偶和電極計(jì)測得試樣的溫度和比電阻(ρ)。最后，利用實(shí)測值通過式(1)計(jì)算含水率。

(1)

式中，M—含水率，%；t—測量溫度，℃；ρ—比電阻，Ω·mm。

2 研究結(jié)果

2.1 氯離子含量

將測量的氯離子含量根據(jù)劣化環(huán)境和修復(fù)材料進(jìn)行分類，在1F-4F階段氯離子含量的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 氯離子含量變化規(guī)律

修復(fù)前(1stD)，方案1中累積的氯離子含量(1F-4F)為1.1kg/m3，方案2中氯離子含量(1F-4F)為6.5kg/m3。修復(fù)后再次劣化的第3周(3W)，方案1和方案2中水泥砂漿修復(fù)試樣氯離子含量分別為5.0kg/m3和30.0kg/m3，可知方案2中的氯離子含量是方案1中氯離子含量的6倍。說明由于凍害引起的裂縫和結(jié)垢導(dǎo)致氯離子含量增加?；炷林新入x子的濃度與冰晶的生長有關(guān)，故孔隙率也應(yīng)該考慮在內(nèi)。當(dāng)方案2的試樣使用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)后又暴露于復(fù)合劣化環(huán)境中時，其將因?yàn)閮鋈诙l(fā)生結(jié)垢。

為了評價修復(fù)材料抗復(fù)合劣化環(huán)境的效果，對修復(fù)材料水泥砂漿和聚合物水泥砂漿中的氯離子含量進(jìn)行比較。方案1在修復(fù)后再次劣化的第3周(3W)時，水泥砂漿修復(fù)試樣的氯離子含量(1F+2F)(5.0kg/m3)高于聚合物水泥砂漿的氯離子含量(2.37kg/m3)，這是因?yàn)榫酆衔锼嗌皾{的結(jié)構(gòu)比水泥砂漿的結(jié)構(gòu)要更加致密。因此，試樣中的氯離子轉(zhuǎn)移時一定程度上受修復(fù)材料孔隙率的影響。聚合物水泥砂漿PCM-2F中未檢測到氯離子，是因?yàn)榫酆衔锼嗌皾{具有高密度結(jié)構(gòu)，防止了氯離子滲透到混凝土中。在聚合物水泥砂漿PCM的兩種暴露條件下(方案1和方案2)，混凝土部分(3F和4F)中的氯離子含量都增加了。特別是在使用聚合物水泥砂漿PCM的方案1中，3F+4F的氯離子含量從0kg/m3(1stD)增加到9.10kg/m3(3W)。因此，試樣中的氯離子從修復(fù)材料移動到混凝土中(3F和4F)。與之相反，水泥砂漿CM-2F-4F中氯離子含量因方案2的高滲透性而增加。

在所有試樣中，氯離子含量從再劣化試驗(yàn)開始均發(fā)生不同程度的增加，但其余試樣在修復(fù)后再次劣化的第4周(4W)內(nèi)氯離子含量發(fā)生了下降，除了方案1中的聚合物水泥砂漿PCM。這是由于氯化鈉溶液的存在，預(yù)測氯離子含量應(yīng)隨之增加。但在本文研究中，這一現(xiàn)象并沒有普遍明顯的發(fā)生。氯離子的減少與兩個因素有關(guān)，首先，在冷凍過程中，由于鈉溶液的凍結(jié)，水分無法移動；其次，溶液中氯離子濃度的增加令鈉溶液濃度升高，導(dǎo)致水分向相反方向運(yùn)動。但這些因素也不足以解釋4W后氯離子含量的降低，應(yīng)進(jìn)一步研究發(fā)生這一現(xiàn)象的原因。

2.2 含水率

為研究含水率對氯離子轉(zhuǎn)移的影響規(guī)律，應(yīng)測定試樣的含水率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 含水率變化規(guī)律

方案2中修復(fù)材料水泥砂漿和聚合物水泥砂漿的含水率普遍高于方案1中修復(fù)材料的含水率。且方案2中試樣1F的含水率大部分都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，這是因?yàn)槲⒈哥R的形成。形成微冰晶透鏡時將產(chǎn)生約150nm的微尺度冰晶，其主要過程如下：①在凍結(jié)過程中，凝膠水和水泥基質(zhì)在凝膠孔隙中引發(fā)凍縮；②凝膠水向冰晶移動；③冰晶中的凝膠水增多，故導(dǎo)致試樣含水率有所增加。

水泥砂漿修復(fù)試樣的含水率高于聚合物水泥砂漿修復(fù)試樣的含水率，這是因?yàn)榫酆衔锼嗌皾{具有高密度結(jié)構(gòu)，防止了水分子向試樣的移動。且方案1中每個試樣的3F由于添加修復(fù)材料時已干燥，故其含水率都較低。

將含水率變化過程與氯離子含量變化過程相比較，可知當(dāng)試樣的含水率增加時，其氯離子含量也在隨之增加。因此，修復(fù)材料中的氯離子濃度隨著含水率的轉(zhuǎn)移而移動。

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)研究修復(fù)后混凝土在氯致?lián)p傷和復(fù)合劣化(氯致?lián)p傷和霜凍損傷)環(huán)境下短期再惡化的原因。研究結(jié)果表明。

(1)復(fù)合劣化環(huán)境中氯離子對混凝土的滲透性高于氯致?lián)p傷環(huán)境。

(2)氯離子在混凝土和修復(fù)材料中隨含水率的變化而變化。

(3)聚合物水泥砂漿作為修復(fù)材料時，其預(yù)防氯離子和水分子轉(zhuǎn)移的效果優(yōu)于水泥砂漿。

由于本文重點(diǎn)研究在于不同修復(fù)材料處于劣化環(huán)境時氯離子含量的變化規(guī)律，因此忽略了混凝土初始氯離子含量。但是在原來混凝土中，初始氯離子濃度可能會造成短期的再惡化。因此，今后工作將進(jìn)一步研究初始混凝土中氯離子含量增加的原因，探究氯離子在水中的擴(kuò)散速度。