冻融循环及盐侵蚀复合作用下渠道混凝土耐久性试验研究

卜祥新

（喀什地区水利水电勘测设计院，新疆 喀什 844000）

我国新疆寒区各大灌区建造有大量的混凝土渠道，混凝土的耐久性直接影响渠道的使用寿命和经济效益。对混凝土渠道使用寿命影响最大的因素主要包括冻融循环、抗冻性、抗盐性[1]。我国新疆地区冬季时间较长，一般长达四个月之久，因此对混凝土的抗冻性提出了更高的要求。目前国内针对混凝土的耐久性方面开展了许多研究，崔正龙等[2]对比了再生混凝土与普通混凝土在标准养护及高温蒸压养护时的耐久性能；李庆文等[3]研究了冻融和碳化交替作用下煤矸石混凝土的耐久性及质量、动弹性模量等特性；赵长勇等[4]在北方高寒地区利用加入冻融实验研究了冻融循环及掺入氯盐溶液的混凝土的耐久性能；宿晓萍等[5]研究了复合盐及干湿交替环境会混凝土耐久性能的影响；罗单琦等[6]研究了不同温度作用下混凝土的抗压强度变化及耐久性能。

以上研究均为讨论单一因素作用下混凝土的力学及耐久性能，对复合因素影响及工程运行过程中的破坏因素统计的研究较少。为了解我国寒冷地区混凝土渠道的耐久性衰减原因，以红海水库库外渠为研究区，对采用混凝土进行防渗可能产生的破坏原因进行现场调查；采集渠道沿线所在地的水样及土样分析其化学组成及自然受损原因，并采用室内冻融加速试验；研究冻融循环及盐离子侵蚀复合作用下渠道混凝土材料的耐久性衰减损伤过程变化。

1 试验材料及方法

试验用的水泥选用普通硅酸盐水泥，标号为P.O42.5。粗骨料选用粒径为5 mm～25 mm连续级配的碎石骨料。细骨料选用河砂。混凝土拌合用水采用自来水，PH值为6.8。粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰。引气剂采用SJ-3型高效引气剂。硫化钠与氯化钠溶液采用无水化学品配置。本试验根据水胶比（W）、粉煤灰(F)及引气剂(Y)配比的不同，将试验分为7组，分别为：O1(W=0.45 kg/m3、F=78 kg/m3、Y=77.5 g/m3)、O2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、O3(W=0.55 kg/m3、F=64 kg/m3、Y=63.1 g/m3)、P1(W=0.5 kg/m3、F=35 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、P2(W=0.5 kg/m3、F=105 kg/m3、Y=69.7 g/m3)、Q1(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=34.7 g/m3)、Q2(W=0.5 kg/m3、F=71 kg/m3、Y=103.5 g/m3)。

采用3种侵蚀溶液，分别为3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4、5%Na2SO4溶液，并设置清水作为对照组。每组试验采用尺寸相同的3块混凝土试件进行重复试验，混凝土试件的规格为100 mm×100 mm×400 mm。首先将试件放置在20℃左右的室内静止24 h，随后将其放入标准养护室（温度为20℃，相对湿度＞95%），试件间隔2 cm。试件的抗冻耐久性能采用快冻法。用于冻融实验的试件从标准养护室取出后放入清水及盐溶液中浸泡4 h，此时试件达到28 h养护。测定其质量，对试件表明的损伤情况进行检查，然后将其放入快速冻融试验机进行冻融试验，中心最高融化温度控制在3℃，循环200次，每隔25次测量混凝土试件的质量，试验结束后计算其质量损失率及平均质量损失率。

2 混凝土渠道侵蚀情况

在进行试验前，需了解引起混凝土破坏的主要侵蚀介质，对南疆巴楚县红海水库库外渠进行了实地调查，发现灌区回水中含有大量的盐离子，在冻融循环作用下，其可以持续入侵混凝土材料对其造成持久性侵蚀，进而导致混凝土发生表面剥落，由外向内，混凝土表明泛白，对混凝土结构的耐久性造成了严重影响。

在渠道沿线进行5组地下水水样检测，检测结果表明，其水样pH值在7.7～8.1之间，差别不大，红海水库库外渠引水口处的硫酸根浓度较低为613 mg/L，其他位置的浓度较高为2 617mg/L～5711mg/L，均大于2000mg/L。红海水库引水口处的氯离子浓度较低为27.6mg/L，其他位置的浓度较高为1671mg/L～3871mg/L，碳酸氢根、钙离子、镁离子的浓度较低，其均值为317 mg/L，可以推断出红海水库库外渠混凝土建筑物受侵蚀的盐离子主要为硫酸根离子和氯离子。在对水样检测的同时本文分别对上述位置渠道处的土样进行了检测，结果表明：除引水口附近土壤各离子浓度较低外，其他位置的含盐量均较高，含盐量达到58796 mg/kg，其硫酸根及氯离子含量分别为3391 mg/kg、16932 mg/kg。由于渠道蒸发量极大，导致土壤盐浓度增加，同时在灌区上水后，受灌溉回归水的冲刷作用，将土壤中的盐离子带入地下水中，导致地下水含盐量增加，当地下水位上升后，又补充了土壤中的含盐量，导致盐离子浓度减少缓慢，对混凝土渠道造成了永久性破坏。

综合以上分析结果，本文主要讨论硫酸根及氯离子组成的单盐及复合盐对南疆巴楚县红海水库库外混凝土渠道造成的耐久性影响。

3 结果分析

3.1 水胶比对混凝土抗盐冻耐久性能的影响

选择O1、O2、O3三组混凝土试件，研究不同水胶比的混凝土试件在清水、3%NaCl溶液、4.5%Na2SO4溶液、3%NaCl+4.5%Na2SO4溶液中浸泡并经冻融循环后对混凝土耐久性的影响，采用质量损失率反映试件的耐久性变化，试验结果见图1。结果表明：试件的质量随冻融循环次数的增加，其损失率逐渐变大，水胶比较大的混凝土试件质量损失率大于水胶比较小的试件。在清水中，混凝土试件的耐久性较大，冻融循环达到200次时，混凝土试件依然具有很好的强度。在盐溶液中，水胶比为0.55的试件最先破坏，其遭受破坏的冻融循环次数分别为150、150、125，水胶比为0.5的试件次之，说明盐溶液侵蚀后的混凝土试件，水胶比越大，越容易被损坏，质量损失率也越大。

分析其原因：由于盐侵蚀后的混凝土试件，导致其质量增加，在冻融循环过程中，增加了其膨胀性及混凝土内部孔隙度，导致其脆弱性增加，表面出现更多的混凝土剥落，所以当混凝土出去盐侵蚀的环境中时，应尽量选用水胶比较小的混凝土试件。各盐溶液侵蚀介质中试件的最大质量损失率分别为5.13%、4.65%、6.55%，最大质量损失率出现在符合盐溶液中，说明复合盐溶液对混凝土的耐久性危害最大。

图1 冻融循环作用下不同水胶比混凝土的质量损失率

3.2 粉煤灰量对混凝土抗盐冻耐久性的影响

中粉煤灰加入量为试件体积的10%、15%、20%，采用等体积替代水泥加入量，试验对应P1、O2、P3组。试验结果见图2，由图2可知：随冻融循环次数增加，最初其质量损失率增加较缓慢，侵蚀介质为清水的试件，在冻融次数达到75次以后，质量损失率变为显著增加，盐侵蚀介质中的混凝土试件在冻融次数达到50次以后质量损失率变为显著增加。粉煤灰加入量为20%的混凝土试件在侵蚀介质为NaCl溶液和Na2SO4溶液中冻融循环次数达到175次时发生破坏，而在复合盐侵蚀介质中达到150次时发生破坏，其质量损失率为6.85%，说明复合盐溶液对混凝土造成的危害最大。在同种侵蚀介质中随粉煤灰量的增加，试件的质量损失率逐渐增加。

图2 冻融循环作用下不同粉煤灰掺量混凝土质量损失率

3.3 引气剂对混凝土抗盐冻耐久性能的影响

引气剂能改善混凝土内部的孔隙结构，增加其力学性能。本文引气剂添加量分别为0.05%、0.06%、0.07%，对应的试验组分别为Q1、O2、Q3。试验结果见图3，可以看出在清水中，当冻融循环达到200时，各试件的质量损失率分别为3.41%、2.54%、1.47%。引气剂加入量较低的混凝土试件质量损失率大于加入量较高的试件，说明适量的增加引气剂的使用量能够有效的增加混凝土的耐久性。在复合盐中混凝土试件达到最大质量损失率为6.79%，引气剂量的增加能减少盐溶液侵蚀对试件造成的破坏。

图3 冻融循环作用下不同引气剂掺量混凝土质量损失率

3.4 不同侵蚀介质对混凝土抗盐冻耐久性能的影响

选择A2试验组计算了其在不同侵蚀介质中混凝土试件的质量及质量损失率见图4，可以看出：冻融循环次数为0～75次时，混凝土试件的质量大小为：复合盐＞清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液；冻融循环次数为100～200次时，混凝土试件质量及质量损失率的大小为清水＞Na2SO4溶液＞NaCl溶液＞复合盐；说明复合盐对混凝土试件的破坏最大，侵蚀介质为复合盐时混凝土试件在冻融循环次数为150次时破坏，发生破坏时其质量及质量损失率分别为8792 g。冻融循环次数达到200次时，清水及单盐的质量损失率分别为2.57%、4.82%、3.62%。在冻融循环初期混凝土试件受盐侵蚀影响质量有所增加。在冻融循环为100次时，NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaCl溶液+Na2SO4溶液的质量损失率分别为1.08%、0.76%、1.74，1.08%+0.76%=1.84%＞1.74%，说明复合盐的质量损失率不等于单盐侵蚀介质中混凝土的质量损失率加和。单盐侵蚀介质中氯盐对混凝土造成的破坏大于硫酸盐。

图4 不同侵蚀介质下混凝土质量变化

图5 不同侵蚀介质下混凝土质量损失率变化

4 结论

本文以南疆巴楚县红海水库库外渠道为研究对象，在了解可能造成混凝土渠道损坏原因的同时，研究了冻融循环及复合盐作用对渠道混凝土耐久性的影响。结果表明：复合盐对渠道混凝土造成的破坏大于单盐造成的破坏，引气剂能很好地提高混凝土的抗盐冻性及耐久性，其含量越高，混凝土的耐久性越好，但其添加量应控制在合理的范围内，否则其将导致混凝土内部孔隙率增加，密实度下降。粉煤灰及水胶比不应较大，其值越大，混凝土的耐久性越差。单盐侵蚀介质对混凝土的影响为氯盐大于硫酸盐。复合盐导致的混凝土质量损失率不等于单盐简单的加和。