水工混凝土抗环境水侵蚀实验系统的研制

许雅欣，杨华山

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

水工混凝土是水利水电工程施工的主要材料，若水工建筑物处于具有侵蚀性的静水或流动水等环境条件下，则其耐久性问题会变得十分突出。近年来，国内外对水工混凝土的侵蚀问题逐渐重视，法国P.Faucon、F.Adenot等［1-3］对混凝土结构物的混凝土强度和孔隙率等指标的影响作了大量研究，对混凝土受软水侵蚀的物理化学机理作了较详细的论述，特别是对混凝土结构物与软水接触过程中的溶蚀过程作了定量研究，取得了较多成果。然而，国内至今没有一套标准化的混凝土抗溶出性侵蚀试验方法及评价混凝土抗溶出性侵蚀性能的指标［4］。对此，研制了一种水工混凝土抗环境水侵蚀实验系统。

1 水工混凝土抗环境水侵蚀实验系统

1.1 环境水对水工混凝土的侵蚀

环境水对水工混凝土的侵蚀作用主要分为溶出性侵蚀（软水侵蚀）、碳酸性侵蚀、一般酸性侵蚀和复合环境水的侵蚀等［5］。

1.1.1 软水

软水侵蚀一般表现为Ca的流失。当混凝土处于软水中时，混凝土中的氢氧化钙将首先被溶解，直至溶液中的氢氧化钙浓度达到极限浓度才能停止。而当混凝土处于流动水体中时，溶解的氢氧化钙被水冲走，将难以达到极限石灰浓度，特别是当混凝土不够密实或有裂隙时，在压力水作用下，水渗入混凝土内部，将氢氧化钙溶解并渗滤出来，混凝土结构破坏更为严重。

1.1.2 碳酸性

雨水、某些地下水中常含有一些游离的二氧化碳，其含量过多时，将对混凝土起破坏作用。这是因为混凝土中的氢氧化钙能与二氧化碳起化学反应，生成的碳酸钙会进一步与二氧化碳反应生成易溶于水的碳酸氢钙。如果混凝土是在有渗滤的压力水作用下，生成的碳酸氢钙将被水带走，上述反应将难以达到平衡，氢氧化钙不断流失，使混凝土中石灰浓度逐渐减低，混凝土结构遭到破坏。

1.1.3 一般酸性

某些地下水或工业废水中常含有游离的酸类。这些酸类能与水泥石中的氢氧化钙起作用，生成相应的钙盐。所生成的钙盐或易溶于水，或在水泥石孔隙内结晶膨胀，破坏水泥石结构。

1.1.4 复合环境水

在实际工程中，环境水对水泥石的腐蚀常常是几种侵蚀介质同时存在并共同作用的。如软水和碳酸性水共同侵蚀作用时，混凝土中的氢氧化钙受软水侵蚀溶解后，即与游离的CO2起反应，生成碳酸氢钙，大大加速了氢氧化钙的反应速率，缩短水泥石的破坏时间。

1.2 系统设计

过水系统控制侵蚀介质的流量以保证其循环流动，将翼墙进口设置为圆弧形，以减少水头损失，增大有效水头，构件中溢水板的形状与同样条件下薄壁堰自由出流水面下缘的形状相吻合，保证水头高度，维持过流能力，防止形成空蚀破坏和水舌颤动，保证出槽水流稳定性。

试验系统中采用pH传感器测量侵蚀介质的pH值随侵蚀历时的变化。相同侵蚀条件下，侵蚀溶液中所测pH值越低，说明混凝土试件抗环境水侵蚀能力越强。

试验系统中采用电导率传感器测量侵蚀介质的电导率值随侵蚀历时的变化。相同侵蚀条件下，环境水侵蚀溶液中所测电导率越低，说明混凝土试件抗环境水侵蚀能力越强。

1.3 实验系统的组成

1.3.1 过水

过水系统主要由水泵、进水管道、水箱、上流进水阀、上流出水阀、流量控制水槽等组成，如图1。流量控制水槽分为上流宽水槽与下流窄水槽。水泵将水流从水箱抽至上流宽水槽中，水流溢过挡水板，经过曲线形溢流面和圆弧型的翼墙进口，流出流量控制下流窄水槽，最终从窄水槽尾部进入水箱从而达到水循环。

图1 过水系统总体视图

1.3.2 电子测量

电子测量系统主要由Arduino UNO兼容板、38kHz红外接收管、I2C LCD1602液晶显示屏、电导率模块、pH电极模块、温度传感器模块等组成。电导率模块为DJS-1型模块，由DFROBOT公司生产。该模块特点为：测量精度小于±10%F.S.（具体精度取决于校准精度）。温度传感器模块为DS18B20模块，由DFROBOT该模块特点为：传感器为数字式，信号稳定，同时一个信号线上能够同时支持多个DS18B20温度探头，如图2。

图2 电子测量系统原理详图

1.3.3 软件

自主研发的软件系统主要由上位机程序和下位机程序组成。

pH电极和电导率电极采集信息，经由pH模块和电导率模块处理模拟信号传给Arduino，Arduino内部的A/D采集模拟信号，经过校正公式算出pH值和电导率的值，将数据通过串口传给电脑。同时上位机程序记录数据存储到数据库。绘制出pH和电导率随时间变化的曲线，如图3。

图3 测量电路工作流程

2 实例

2.1 原材料与实验方法

分别采用W/C为0.4和0.5的水泥净浆（试件尺寸160mm×40mm×10mm，养护龄期为28d）模拟水工混凝土表面，去离子水（Soft water，SW）模拟侵蚀介质，以自来水（Tap water，TW）作为基准侵蚀介质。

水箱中装入侵蚀溶液（去离子水），混凝土试样放入窄水槽，开启水泵，水流进入过水系统，被抽至上流宽水槽，溢过挡水板，依次经过曲线型溢流面和圆弧型翼墙进口，进入窄水槽，最终从窄水槽尾部再次进入水箱使侵蚀介质不断循环。电子测量系统连接至计算机，运行上位机程序。液晶显示屏亮，插入温度传感器，按遥控器上“OK”按钮依次进行电导率电极校正和pH电极校正。将校正后的电极放置到预测量位置，上位机程序自动记录测量数据，并把数据以excel表格形式发送至计算机。

2.2 结果与讨论

图4 ΔpH与侵蚀龄期的关系

图5 ΔDD与侵蚀龄期的关系

图4和图5分别为△pH与侵蚀龄期的关系和△DD与侵蚀龄期的关系，可以看出试样TW W/C=0.4的△pH和△DD在试样周期内都保持相对稳定，说明自来水不具有侵蚀性。相同侵蚀龄期，试样SW W/C=0.4和SW W/C=0.5的△pH和△DD均明显大于试样TW W/C=0.4，且试样水灰比越大，△pH和△DD越大。这说明降低混凝土水灰比能够提高其抗环境水侵蚀性能［6］。

3 结语

（1）水工混凝土抗环境水侵蚀实验系统可以模拟不同环境水对混凝土进行侵蚀试验，系统适用范围广。

（2）水工混凝土抗环境水侵蚀实验系统可用于挡水建筑、输水道、沟渠等混凝土的耐久性评价，其试验结果也可为受环境水侵蚀的混凝土配合比设计提供依据。

［1］Ghabezloo S.Association of macroscopic laboratory testing and micromechanics modelling for the evaluation of the poroelastic parameters of a hardened cement paste［J］.Cement and Concrete research， 2010， 40（8）： 1197-1210.

［2］Faucon P， Adenot F， Jacquinot J F， et al.Long-term behaviour of cement pastes used for nuclear waste disposal：review of physico-chemical mechanisms of water degradation［J］.Cement and Concrete Research， 1998， 28（6）： 847-857.

［3］Carde C， Francois R.Modelling the loss of strength and porosity increase due to the leaching of cement pastes［J］.Cement and Concrete Composites， 1999， 21（3）： 181-188.

［4］刘冬梅，方坤河，阮燕.水工混凝土抗软水接触性溶蚀试验研究［J］.混凝土，2006（8）：5-7.

［5］李亚杰，方坤河.建筑材料（第6版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［6］李新宇，方坤河.水工碾压混凝土接触溶蚀特性研究［J］.混凝土，2002（12）：12-17.