严寒沿海地区水工混凝土冻融-干湿循环作用下抗氯离子侵蚀性能试验研究

杨冬鹏

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

对处于严寒沿海地区水工建筑物水位变化区的混凝土而言，冻融循环、干湿循环和氯盐侵蚀是影响其结构耐久性的关键因素。几种因素共同作用下对水工混凝土耐久性的研究较少，因此，研究混凝土在冻融-干湿循环耦合作用下，氯离子对水工混凝土的侵蚀过程，可以为今后混凝土在冻融-干湿循环耦合作用下的抗氯离子侵蚀性能的研究提供试验方法和基础数据。

1 试验用原材料

试验采用的水泥为抚顺水泥厂生产的P·O·MH42.5中热硅酸盐水泥，粉煤灰为绥中电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰，减水剂为辽宁江海水利工程公司生产的引气减水剂，拌合用水和养护用水均为沈阳市饮用自来水，粗骨料和细骨料产地均为辽宁省绥中县，各原材料物理化学指标均满足国家相关标准要求。

本文将未掺加轻烧氧化镁、聚丙烯纤维的混凝土定义为基准混凝土，设计指标C30W6F200，水胶比0.39，砂率为32%，坍落度为55mm，含气量为4.7%，配合比见表1。轻烧氧化镁混凝土中轻烧氧化镁为武汉三源特种建材有限责任公司生产的MAG- I型氧化镁膨胀剂，外掺量为3%；聚丙烯纤维混凝土中聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，长度为10～20mm，外掺量为1kg/m3。双掺混凝土即为在基准混凝土中同时掺入3%的轻烧氧化镁和1kg/m3的聚丙烯纤维。

表1 基准混凝土材料用量 单位：kg/m3

2 试验方法

2.1 试件制作

本文的重点为干湿循环与冻融循环耦合试验，因此，试件统一采用标准抗冻试件进行试验。试件成型后经标准养护28d后即可进行后续试验。试验前，首先将试件在80±5℃烘箱中烘至恒重，自然冷却至室温后将除成型面外的其它5个表面均用环氧树脂密封，以防止其它表面与外界水分和氯离子交换，保证了试验过程中氯离子只能从一个面渗透进入混凝土内部[1- 5]。

2.2 干湿循环与冻融循环耦合试验方法

目前对于混凝土试件干湿循环与冻融循环耦合试验方法无明确统一的规定。干湿-冻融循环试验分为两步，第一步为冻融循环试验，第二步为干湿循环试验。常见的干湿循环与冻融循环耦合作用的试验方法有两种，方法A是单次的干湿循环与冻融循环相耦合，方法B为确定一定连续次数的干湿循环和一定次数的冻融循环耦合为一个大的耦合循环。

在一个完整自然年内，混凝土在夏季和秋季只受干湿循环的影响，而在冬季和春季又只受冻融循环的影响。因此，若要就相似模拟混凝土构筑物在自然环境中的服役状态而言，方法B更加接近实际状态。在未做特殊说明时，干湿循环和冻融循环均是选用方法B得到的试验数据和结论。

混凝土在现场所经历的单次冻融循环和室内的单次冻融循环意义是完全不同的，本文采用年均等效冻融循环次数neq代表混凝土在现场环境一年里经历的冻融循环次数，有

neq=K×nact/S

(1)

式中，S—室内外冻融环境下混凝土冻融损伤比例系数；K—混凝土在发生冻融循环时的饱含水时间比例系数；nact—现场年均冻融循环次数[6]。

利用中国气象局采集的历史气象数据统计得到辽宁省的现场环境累年年均正负温交替次数为(70～100)次/a，考虑到严寒地区的持续性负温天气，经修正后得到的现场环境年冻融循环次数为nact=(100～130)次/a，这里取最大值nact=130次/a。另外，辽宁省室内外冻融损伤比例系数S=8.76～15.71，取饱含水比例系数K=1，则现场年等效室内冻融循环次数neq=K×nact/S=(8.27～14.84)次/a。这里取最大值14.84次/a，约等于15次/a。因此，设计方法B为15次连续冻融循环(约2.5d)后连续15个干湿循环(约30d)为一个干湿—冻融耦合循环试验。

2.3 氯离子含量的测定

采用化学滴定方式测试试样不同深度处的自由氯离子含量，结果用氯离子占混凝土质量百分比来表示[7- 9]。在小于10mm深度范围内在每2mm取一个试样；深度大于10mm的范围内每5mm取一个试样。具体试验方法见JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》中相关章节。

2.4 混凝土孔隙率的测定

众多研究资料表明，混凝土作为一种多孔人工合成材料，其孔隙率的大小及分布对混凝土的抗冻性能和抗氯离子侵蚀性能[10- 13]有较大影响。本文采用浸泡法对混凝土孔隙率进行测定计算，公式如下：

(2)

式中，ρw—常温下水的密度，g/cm3；ρc—饱水后试件的密度，g/cm3；mc—试件的饱水质量，g；m0—试件干燥质量，g。

3 干湿-冻融作用下混凝土中氯离子渗透性能试验结果及分析

3.1 干湿-冻融作用对混凝土孔隙率的影响

按照设计试验程序对混凝土试样进行干湿循环和冻融循环耦合试验，在完成预定循环次数后，将试件取出用钢锯切割为两个部分，其中一部分用于试样孔隙率的测定，另一部分则用于测定不同深度处的氯离子含量[14]。测定混凝土在完成预定复合循环次数后的吸水率并计算其孔隙率，最终数据见表2。同时，为了比较前文中所述的两种试验方法的区别，按照方法A对四组试件进行了30次干湿-冻融耦合试验，试验结果见表3。

从表2—3中可以看出，在完成一定次数的冻融循环和干湿循环耦合试验后，所有试件的吸水率均随着循环次数的增加而明显增大。在方法B中，以基准混凝土为例，其在完成1次复合循环后的孔隙率较初始增大了0.64%，循环2次、3次和4次时分别较前次增大了0.96%、1.11%和1.33%。分析表2中的数据，还有如下规律：

(1)随着循环次数的增加，四种混凝土的孔隙率变化的速率由大到小的排序为：基准混凝土、轻烧氧化镁混凝土、聚丙烯纤维混凝土、双掺混凝土，且孔隙率增大速率随循环次数增大而增大。

(2)基准混凝土和轻烧氧化镁混凝土的孔隙增大速率基本一致，双掺混凝土和聚丙烯纤维混凝土的孔隙增大速率基本一致，且基准混凝土和轻烧氧化镁混凝土的增大速率要大于双掺混凝土和聚丙烯纤维混凝土的孔隙增大速率。考虑到干湿循环在短时间内对混凝土孔隙率影响较小，所以在这里孔隙率的变化主要是因为冻融循环造成混凝土出现冻融损伤而产生的微裂缝。同时也说明，在四种类型混凝土中，双掺混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能要大于基准混凝土和轻烧氧化镁混凝土，外掺轻烧氧化镁对混凝土的抗冻性能影响不大。

表2 复合循环(方法B)后试件孔隙率

图1 不同类型混凝土中氯离子含量分布

表3 复合循环(方法A)后试件孔隙率

注：方法A中复合循环15次中包含的干湿循环次数和冻融循环次数即相当于方法B中1次大的复合循环。

(3)在同样经历15次干湿循环和15冻融循环后，对比方法A和方法B，按照方法B进行试验得到的基准混凝土、轻烧氧化镁混凝土、聚丙烯纤维混凝土、双掺混凝土的孔隙率分别增大0.64%、0.63%、0.57%、0.53%，而方法A中，四种混凝土的孔隙率分别增大了2.32%、1.23%、1.05%、0.95%；经历30次干湿循环和30次冻融循环后两种方法对混凝土孔隙率的影响差别同样巨大。由此可以看出，在相同干湿循环次数和冻融循环次数下，方法A对混凝土造成的损伤程度要远远大于方法B。因此，若用方法A来进行混凝土在干湿—冻融条件下抗氯离子性能的研究，其得出的结论应是远小于实际性能的。

3.2 干湿-冻融循环对混凝土中自由氯离子含量的影响

四种混凝土试件在干湿循环和冻融循环交替耦合作用下试件不同深度处自由氯离子浓度的试验结果如图1所示。

首先，在经历一个复合循环作用时，试件中的自由氯离子含量峰值出现的深度向内延伸了一个测量距离。因为在干湿-冻融耦合作用下，使氯离子不断向内侵蚀的主要因素是冻融循环过程中造成的混凝土损伤，改变了混凝土内部的微观孔隙结构，使混凝土中裂缝逐步相互贯通，从而加速了氯离子在混凝土中的扩散和渗透。

在干湿-冻融耦合作用下，基准混凝土和轻烧氧化镁混凝土的自由氯离子峰值基本上在经历一次复合循环后就会深入一个测量距离，聚丙烯纤维混凝土在经历了3次复合循环后，其峰值才向内延伸一个测量距离，而对于双掺混凝土，在经历4次复合循环时，其峰值出现的深度仍然没有发生变化，只是峰值的氯离子含量在不断增大。由此可以得出，四种混凝土在干湿-冻融耦合作用时，抵抗氯离子侵蚀能力由大到小排序应为：双掺混凝土、聚丙烯纤维混凝土、轻烧氧化镁混凝土，最后是基准混凝土。

4 结语

在干湿-冻融交替耦合作用下，四种混凝土抵抗氯离子侵蚀能力均与孔隙率变化的速率密切相关，由大到小排序为：双掺混凝土>聚丙烯纤维混凝土>轻烧氧化镁混凝土>基准混凝土。在干湿-冻融交替耦合作用下，混凝土孔隙率不断增大，使混凝土中裂缝逐步贯通，从而加速了氯离子在混凝土中的扩散和渗透。此外，不同的耦合试验方法，得到的试验结果是不同的，就本文提出的两种耦合方法中，方法A对混凝土造成的损伤程度要远远大于方法B。因此，在研究复杂环境条件的混凝土耐久性能时，选取合适的耦合试验制度，才能得到更准确的结果。