基于冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用的水工混凝土耐久性试验研究

王 娇

(营口市水利勘测建筑设计院，辽宁 营口 115000)

针对东北地区的地理位置特点，水工混凝土长期处于硫酸盐离子侵蚀以及冻融循环的共同作用，对水工混凝土的耐久性和使用寿命都产生不同程度的影响[1]。开展硫酸盐离子和冻融循环耦合作用下的水工混凝土耐久性试验对于水工混凝土的配比设计，提高水工混凝土工程的使用寿命具有重要的理论意义和实用价值[2]。国内有许多学者展开混凝土耐久性研究，但是大部分都是针对硫酸盐离子或者冻融循环单个影响要素进行分析[3- 7]，而对于硫酸盐离子侵蚀和冻融循环共同作用下水工混凝土耐久性研究的成果还较少，特别是在东北地区还未进行相关应用，为此本文结合水工试验[8- 9]，对硫酸盐离子侵蚀和冻融循环共同作用下的耐久性能指标进行试验分析，分析成果对于东北地区水工混凝土耐久性规划设计具有重要的参考价值。

1 试验方案设计

1.1 混凝土配比设计

参照《水工混凝土施工规范》[10]，综合其水工混凝土的各项指标要求，综合设定混凝土的综合配比，其用水量为135.0kg，砂率主要为28%，采用二级天然的河床卵石作为其试验混凝土粗骨料，最大粒径为25mm，大小石子的综合比例选定为1∶1，减水剂和引气剂的比例分别为0.7%和0.002%。本试验主要选用对3种不同试验施工混凝土进行配比设计，各编号混凝土配比结果见表1。

1.2 混凝土试件的制作

根据SL 677—2014《水工混凝土施工规范》制作两组立方体水工混凝土试件，采用上下两层的浇筑方式进行水工混凝土试件的制作。先浇筑上层的水工混凝土筑件，再开始进行下层混凝土筑件的浇筑，两个工序之间的时间间隔分别为3h，所有试件制作完成后，进行为期100天的标准养护。将两组混凝土试件分别放入离子水环境和4%的标准硫酸钠的溶液中进行水工混凝土的冻融循环试验，冻融循环试验如图1所示。

表1 不同试验水工混凝土的配比参数

图1 水工冻融循环试验

1.3 试验方法

将进行完标准养护后的试件提前5h放入到离子水进行浸泡，然后放入冻融循环试验盒中，采用快冻法进行冻融循环试验。5%的硫酸盐和冻融耦合循环试验主要将标准试验混凝土件提前5d放入到配置好的5%的硫酸盐溶液中进行浸泡。然后放入到5%的硫酸盐标准试验盒中进行冻融循环试验。将试验水工混凝土放入到两种试验环境中进行30、60、120、160次的冻融循环试验，试验仪器如图2所示。每完成一次试验循环周期后取出试验标准件，并擦拭干净后放入电子称上进行称重。

图2 试验观测仪器

1.4 试验分析方法

在进行循环周期试验时，当混凝土质量损失量低于5%时，则停止进行冻融循环试验，水工混凝土质量损失率的计算方程为：

(1)

式中，Δwn—试验水工混凝土的质量损失率，%；w0—试验前的质量损失率，%；wn—经过多次循环周期后的试验件的质量损失率，%。

在进行周期循环时，可以得到冻融循环次数与水工混凝土质量损失之间的相关关系，相关方程为：

wn=aw0e-0.0002t

(2)

式中，a—设计水胶比的修正系数；t—冻融循环的次数。

此外，对冻融循环和硫酸盐共同作用下的水工混凝土的抗剪试验进行分析，其衰减计算方程为：

(3)

式中，Δτ—强度损失率，%；τ0—试验前的强度损失率，%；τn—经过多次循环周期后的试验件的强度损失率，%。

2 试验结果分析

2.1 质量损失率的分析

结合8次循环周期试验，对不同配比的水工混凝土的质量损坏变化进行分析，分析结果见表2、3。对不同试验下的质量损失量曲线进行分析，结果如图3所示。

表2 冻融循环作用下水工混凝土质量损失变化

表3 冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下水工混凝土质量损失变化

图3 各试验循环次数下的质量损失率分析结果

从表2和表3中可看出，水胶比对不同循环次数下水工混凝土的质量损失影响较为明显，且具有明显的规律性，随着水胶比的增大，其质量损失量逐步加大，这主要是因为随着水胶比的加大，水工混凝土的水泥程度逐步降低，骨料之间的粘合度逐步减小，使得水胶比增大，其质量损失也呈现较为明显的递增变化趋势。从图3中可看出，在5%的硫酸盐溶液中其试验初期的质量损失率相比于离子水中的质量损失率有所减小，而随着试验循环次数的不断增加，其质量损失率逐步加大，随着冻融循环和硫酸盐溶液耦合作用的不断增加，水工混凝土受硫酸盐侵蚀作用逐步加大，且逐步向混凝土的内部进行扩散，使得其质量损失率逐步加大，混凝土的稳定性逐步被破坏。

2.2 质量衰减规律试验分析

在试验周期循环水工混凝土质量损失分析的基础上，对冻融循环与硫酸盐耦合侵蚀下的混凝土质量衰减规律进行试验分析，试验分析结果见表4。

从表4可看出，在各配比下循环次数与质量损失之间存在较好的相关关系。在耦合试验过程中，各配比下水工混凝土表层的粘聚力降幅增大，但表面摩擦系数变幅较小。从试验结果可看出，随着冻融循环和硫酸盐侵蚀耦合试验次数的增多，其水工混凝土表层的粘聚力变幅不断加大，但是其摩擦系数的变幅较小，因此水工混凝土表层的粘聚力变化是其质量损失变化的主要影响因素。随着耦合试验循环次数的增加，其表层抗剪强度有所递减，水工混凝土表层抗压能力逐步减弱。

2.3 弹性模量损失分析结果

水工混凝土弹性模量是其耐久性分析的重要指标，对不同试验环境下各配比水工混凝土的弹性模量损失进行了试验分析，分析结果见表5和表6。

表4 冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下质量衰减规律分析结果

表5 冻融循环作用下水工混凝土弹性模量损失变化

表6 冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下水工混凝土弹性模量损失变化

图4 不同配比下水工混凝土的受压曲线图

从试验结果可看出，在冻融循环和硫酸盐耦合作用下，随着试验周期循环次数的增加，各配比水工混凝土的弹性模型的递减速率逐步加大。在相同的试验方式下，水胶比较小的混凝土相比于水胶比较大的混凝土的耐久性能更佳。

2.4 抗压强度损失分析结果

在弹性模量损失分析的基础上，对不同试验方式下各配比水工混凝土的抗压强度进行损失变化试验分析，分析结果见表7、8。轴线位移下的压力强度变化情况如图4所示。

表7 冻融循环作用下水工混凝土抗压强度损失变化

表8 冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下水工混凝土抗压强度损失变化

从抗压强度试验分析结果可看出，随着试验循环周期次数的不断增加，各配比下的水工混凝土的抗压强度呈现较为明显的递减变化趋势，且递减变幅逐步加大，当水胶比达到0.33时，水工混凝土在长时段冻融循环和硫酸盐侵蚀耦合作用下其抗压强度下降变幅较小，因此在东北寒区进行水利工程施工时，应该选择水胶比较小的混凝土进行浇筑。从图4中可看出，随着水胶比的增加，其轴线位移逐步加大，同一轴线位移上的应力强度逐步减小。

3 试验结论

(1)冻融循环对水工混凝土的硫酸盐侵蚀起到加速作用，耦合作用下，水工混凝土溶蚀作用加剧，通过对比试验分析，水胶比越低，其水工混凝土的耐久性能越高。

(2)冻融循环与硫酸盐侵蚀对混凝土材料的破坏程度具有相互影响以及相互叠加的特点，使得水工混凝土的质量损失率和结构破坏度呈现递增变化趋势。

(3)本文只重点考虑冻融循环和硫酸盐侵蚀耦合作用下对水工混凝土质量损失率、弹性模量以及抗压强度等指标的影响，其他指标影响还未涉及，在以后的研究中还需要对探讨对其他指标的影响。