裕民县均朱热克村引水渠首工程混凝土耐久性试验研究

王永伟

（塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700）

0 引言

硫酸盐侵蚀是导致混凝土结构破坏的主要因素之一[1～2]。它主要通过降低混凝土的强度来破坏混凝土结构，这是由于硫酸根离子与混凝土水化产物之间发生化学反应产生膨胀剂引起混凝土开裂导致的[3]。我国的环境调查结果显示，沿海岸线的一些港口、海上工程、海底隧道和跨海大桥等均遭受着有害离子的侵蚀和破坏[4]，大量的水利工程遭受着硫酸盐侵蚀。另外，新疆、青海、西藏、甘肃、内蒙古等西部地区盐碱上建造的混凝土结构，如桥梁、道路等也遭受着硫酸盐侵蚀的破坏，导致每年的维护成本较高。干湿循环下混凝土性能是研究混凝土耐久性的一个重要方面，干湿循环条件下是离子向混凝土内部传输最快的情况；对于素混凝土，当盐溶液为硫酸盐溶液时，会形成钙矾石，造成混凝土裂缝破坏；对于钢筋混凝土，干湿循环既加快钢筋表面的氯离子积累，又有水和氧气，会造成钢筋锈蚀，因此对干湿循环下混凝土耐久性能的研究是至关重要的。目前国内已开展了一些研究，曹健[5]在轴压荷载及干湿循环-硫酸盐侵蚀耦合作用下研究了混凝土长期性能演变规律；孙迎召等[6]研究了干湿循环和硫酸盐侵蚀共同作用下硫酸钠溶液浓度对混凝土损伤的影响；孙继成[7]分析了应力和干湿循环对混凝土渗透性的影响以及不同应力作用下混凝土中氯离子的渗透规律。但在国内外文献中，对干湿循环作用下混合盐即将硫酸盐加入氯化物盐中对混凝土耐久性的研究较少，以及用粉煤灰替代一定比例的混凝土后混凝土试件的耐久性研究较少，因此，本文以裕民县均朱热克村渠首工程为例，在室内试验的基础上分析上述两种因素对混凝土耐久性的影响。

1 工程概况

裕民县均朱热克村渠首工程位于裕民县境内察汗托河，该河发源于西南巴尔鲁克山南坡，属于察汗托海河支流。裕民县均朱热克村渠首工程以渠首为控制断面，集水面积5.47 km2，河长5.019 km。区域地貌自南向北可划分为中低山区、低山丘陵、山前倾斜平原与河流冲洪积平原；中低山区、低山丘陵地形起伏较大，地势由东向西倾斜。工程区属中低山区，河谷地貌，海拔高程1400 m～1700 m。

2 试验材料及方法

混凝土配合比设计采用JGJ55-2000设计规范。设计三种混凝土配合比，粉煤灰用量在混凝土中采用等效替代法。三种混凝土配合比设计方案（A组、B组、C组）的详细指标值见表1。

表1 混凝土配合比设计方案

混凝土结构的相对动弹性模量可准确地评估混凝土性能的变化和失效。混凝土试件的相对动弹性模量作为混凝土耐久性变化的评估指标，其计算方法为[8]:

式中:Erd为混凝土的相对动弹性模量，%；Emn为冻融循环N次后混凝土的动弹性模量，MPa；Em0为冻融循环开始前混凝土的初始动弹性模量，MPa。

当Erd值小于65%时，混凝土试件被认为遭受损坏。试件尺寸为200 mm×200 mm×400 mm。为避免试件成型后表面及内部水分蒸发，采用塑料薄膜包裹其表面，并在室温20±5℃的环境中放置约24 h，随后将塑料薄膜剥离，并将试件在混凝土养护室（温度20±2℃，湿度95%以上）中保存28 d，试件间间隔约2 cm。经过上述混凝土试件养护后，开始进行三种混凝土配合比（A、B、C）的混凝土试件在干湿循环下，长期受到三种化学介质（10%Na2SO4、10%Na2SO4+5%NaCl、H2O）侵蚀的实验研究。干湿循环过程中，将试件放入侵蚀液14 h，然后在空气中干燥1 h，随后在80℃的烘箱中烘烤8 h，最后冷藏1 h，该过程共需24 h。侵蚀液每月更换一次。在侵蚀期间，测量试件的动弹性模量，每10天计算其相对动弹性模量。整个实验经历120次干湿循环即120天。

3 结果分析

3.1 侵蚀方式对混凝土耐久性的影响

以水灰比为0.4的B组为试验对象，研究以10%硫酸钠溶液作为侵蚀介质的混凝土Erd值在2种不同侵蚀方式即干湿循环和长期浸泡下的耐久性变化。试验结果见图1。

图1 不同侵蚀方式下混凝土Erd值变化

从图1可看出:长期浸泡下混凝土试件的相对动弹性模量略有稳定的增加，侵蚀时间为120天时，Erd值为1.08，增加了6.9%。与长期浸泡不同，干湿循环及硫酸盐侵蚀的混凝土试件Erd值产生了明显波动。在干湿循环下，试验混凝土的Erd值在侵蚀开始阶段首先增加，然后在早期阶段急剧下降，侵蚀时间为120天时，其Erd值达到0.79。对于干湿循环下的试件，由于烘烤过程中外部环境相对干燥，试验混凝土中的水分子反向运动并向外蒸发，导致混凝土表面孔隙溶液中硫酸盐浓度增加，硫酸根离子存在于混凝土内部和表面之间，根据自由离子扩散理论，混凝土空隙中的盐分物质又会以液体的形式扩散到混凝土内部，随侵蚀时间的增加，混凝土表面和中间层的大部分孔隙水被蒸发，多余的盐水结晶并分离出来。这样，硫酸根离子在内部迅速聚集，而在烘烤过程中水分向外移动，在每次浸泡过程中，会有更多的盐分聚集到混凝土表面的毛细管间隙中，使混凝土表面盐溶液不断经历“烘烤—蒸发—浓缩—结晶—烘烤”的循环变化。当混凝土中硫酸根离子达到阈值后立即发生侵蚀反应，使试件中如钙矾石等物质出现，使混凝土膨胀产生裂缝，增加了侵蚀溶液的浸入范围，严重时会导致混凝土外表明逐渐剥落，随着浸泡时间的增加，将造成更严重的损害。

3.2 侵蚀介质对混凝土耐久性的影响

图2、图3和图4分别为试验组（A、B、C）在不同侵蚀介质及干湿循环下的相对动弹性模量变化。以试验组A为例，可看出:在干湿循环下，硫酸盐和混合盐侵蚀介质中混凝土的Erd值在早期阶段略有增加，随后开始减小，其中在10%Na2SO4溶液中的试件Erd值下降最为明显，当侵蚀时间为120天时，其Erd值达到0.71。与硫酸盐侵蚀相比，混合盐侵蚀的混凝土Erd值峰值出现较晚，当达到峰值后开始缓慢下降，最终Erd值为0.84，表明添加氯盐能够减缓干湿循环对混凝土造成的损害。水侵蚀溶液中混凝土试块的Erd值变化较稳定，几乎不会对混凝土造成损坏，其Erd值开始略有增加，后期略有减少，但其数值在初期以后均大于1，其原因可能是由于混凝土水化产生氢氧化钙，而氢氧化钙与硫酸钠反应产生的硫酸钙使混凝土体积膨胀，当烘烤的混凝土表面浸入水中后，通过毛细管吸水直至饱和，使混凝土出现“烘烤—浸泡—烘烤—浸泡”循环变化，会加剧氢氧化钙的腐蚀，从而损坏混凝土内部结构。综上分析，在干湿循环下，硫酸钠溶液对混凝土的Erd值有较大影响。

图2 硫酸盐侵蚀下混凝土Erd值变化

图3 混合盐侵蚀下混凝土Erd值变化

图4 水侵蚀下混凝土Erd值变化

3.3 水灰比对混凝土耐久性的影响

试验设置2种不同水灰比（w/c=0.6、0.5），每种侵蚀介质设置有3组试验样本，每10 d测量其相对动弹性模量，取其平均值为该种侵蚀介质下混凝土的Erd值。对A组及B组试件进行了试验，结果见图5和图6，可以看出:当水灰比较高即（w/c=0.6）时，混凝土试件损坏较快；在10%Na2SO4溶液侵蚀下，水灰比为0.6的混凝土试件在120天时Erd值下降到0.72，而水灰比为0.5的混凝土试件下降到0.77；对于其他两种侵蚀介质，水灰比较高的混凝土试件损伤较快，混凝土受硫酸盐溶液侵蚀时变化较明显；不同侵蚀介质中Erd值总是遵循先增加后减小的变化趋势。综上分析，干湿循环下水灰比对混凝土在盐溶液及水中的侵蚀有明显影响。

图5 试验组A的Erd值变化

图6 试验组B的Erd值变化

3.4 粉煤灰对混凝土耐久性的影响

选择具有相同水灰比的试验组B和C研究粉煤灰对混凝土耐久性的影响，在干湿循环及10%硫酸盐溶液侵蚀下，其相对动弹性模量变化见图7。试验组B没有添加粉煤灰，而试验组C添加了20%的粉煤灰。

图7 试验组B和C的Erd值变化

从图7可看出:混凝土试件的Erd值在实验开始时经历了一段初始增长后开始下降。C组混凝土试件下降较缓慢，其开始下降的时间较晚，试验结束时，其Erd值为0.89，B组的Erd值为0.71。C组混凝土试件的Erd值相对较慢达到峰值，增大幅度较小。因此，加入适量的粉煤灰在一定程度上能有助于加强混凝土抗盐溶液的侵蚀能力。

4 结论

以裕民县均朱热克村渠首工程为案例，在工程施工前期，通过室内试验的基础上研究了干湿循环和盐溶液复合作用下对混凝土耐久性的影响，得出结论:在干湿循环及盐溶液复合侵蚀下，硫酸盐侵蚀比混合盐更加明显；混合盐中氯盐会减少钙矾石的产生，在一定程度上减缓了混合盐对混凝土的破坏；水灰比越高，混凝土受硫酸盐侵蚀的影响越大；添加粉煤灰有助于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。