生态浮岛混凝土在干湿循环作用下的损伤试验研究

沈 桃 王效玲

（江苏省扬州技师学院，江苏 扬州225100）

随着社会发展和生活水平提高，城市周围的自然环境，特别是水边的自然景观状况越来越受到人们重视。设计优美的绿色景观，净化河川水质，以努力创造生态环境，这些已成为生态系统保护的重点。目前，作为一种低成本的原位生态修复技术，生态浮岛技术得到较为广泛应用。本文对轻质陶粒混凝土浮岛载体的研制进行阐述，着重描述生态浮岛混凝土在干湿循环作用下的损伤试验下的特征。

1 浮岛混凝土干湿循环试验概述

1.1 研究背景

混凝土在自然环境干湿条件下，腐蚀最容易发生和发展。作为浮岛工程使用的混凝土，不仅要遭受水流的冲击，水位变化区也同时处于干湿反复交替的作用下。许多长期处于水与大气交界面部位，是腐蚀破坏最突出的地方，导致混凝土的耐久性降低。资料[1]也表明，混凝土处在干湿循环环境中所受到的侵蚀要比持久处在湿环境中更加严重。在长期与水接触的混凝土结构中，其与水平面接触的上下几公分部位是经常破坏。因此，研究混凝土耐久性不可忽视的一个重要方面就是混凝土干湿循环性能研究。

1.2 干湿循环对混凝土的影响

至今就混凝土干湿循环的破坏机理来讲，还没有得出一个明确的定论。乔宏霞等[1]研究粉煤灰混凝土在硫酸盐环境中的动弹性模量时，经过试验发现在饮用水中进行的一系列干湿循环之后混凝土的动弹形模量均会有所降低。这说明了一个事实：干湿循环使得混凝土的结构有所损伤。

张伟勤等[2]通过实验得出随着干湿循环次数的增多，混凝土的强度早期略有增强，但在后期会递减，主要原因是早期水化使混凝土内部致密从而增加其强度，而在后期由于干湿循环的增多，混凝土强度会呈现递减趋势。

吴金海[3]研究了海洋环境下的混凝土结构耐久性。同时提出了较为详尽的干湿循环原理，并且在参照《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98）[4]的基础上，制订了试验的干湿循环方式。

2 干湿循环实验试样的制备与干湿循环试验

2.1 试件尺寸

本次试验混凝土立方体试件采用的规格为100mm×100mm×100mm。

2.2 试件制备数量

陶粒混凝土干湿循环试验，分为三类水灰比（w/c=0.32、0.35、0.39）和砂率（40%、42%、44%）共选取了六组试件进行试验，选取试件的编号和试验配合比见表1。按照表1 配合比，将每组混凝土试件制作3 个，取其平均值为测试值。本次试验一共有6 组18 个试件，成型后用于干湿交替试验。

表1 陶粒混凝土配合比（kg/m3）

2.3 试件养护

混凝土成型后编号,并放进标准养护室，温度20°C，湿度在95%左右环境中养护到28d 龄期后，移出待用。

2.4 试验方法

试验前,对混凝土试件初始质量及超声波声时进行测定，并记录下初始数据。试验时，先将养护好的试件放入干湿循环试验机的试验箱中，相邻试件之间的距离应为20mm，且试件与试验箱侧壁间距不得小于20mm。试件放入试验箱后，将清水注入试验箱，清水表面应超过最上层试件表面20mm。然后设定干湿循环试验机的干湿交替各时间参数：先将混凝土试件浸泡15个小时，然后风干1 小时，再烘干6 小时，最后冷却2 小时，即为一个干湿交替周期。设定好后，启动设备开始试验，每5 个循环即5 天测定一次数据（试件质量和超声波声时）。

3 干湿循环试验宏观性能结果分析

本次干湿循环试验对规定的干湿循环次数测试了试件的相对动弹性损失和质量损失。

3.1 干湿循环作用下对混凝土相对动弹性模量的变化影响

图1 是混凝土在清水中干湿交替与浸泡作用下的相对动弹性模量随干湿交替次数的变化规律。在浸泡条件下，混凝土的相对动弹性模量Erd 变化相对平缓；而干湿循环作用下，随着循环次数的增加，混凝土的Erd 变化较为明显。经过40 个循环周期后，在清水中的混凝土试件Erd 下降了14.0%。原因可能是混凝土试件在清水溶液中浸泡被溶蚀，内部发生水化反应并不断使生成的氢氧化钙溶出：而且靠毛细管吸收作用，干燥的混凝士表面接触清水会吸收溶液，直到饱和，而频繁的干湿交替作用使氢氧化钙的溶出速度加快，混凝土内部就将产生拉应力.混凝土相对动弹性模量Erd 对这种现象很好的进行了反映。

图1 试件在清水中干湿交替与浸泡下的相对动弹性模量

（1）不同水灰比对混凝土相对动弹性模量的变化影响

本次试验是将三种不同水灰比的试件C02、C05、C08（w/c=0.32，0.35，0.39）放入清水中，定期（每5 个循环）测量试件的动弹性模量，当混凝土试件的动弹性模量损失达到50%以上时，认为试件破坏，退出试验。不同水灰比试件在清水中干湿循环的相对动弹性模量Erd 随循环次数的变化见图2。

图2 不同水灰比干湿循环试件的相对动弹性模量

由图2 可以看出，不同水灰比的各个试件的相对动弹性模量Erd 都呈下降趋势。在试验初期混凝土相对动弹性模量变化平缓，后期下降迅速。在清水中经过40 次干湿循环后,编号为C08（w/c=0.39）、C05（w/c=0.35）和C02（w/c=0.32）试件的相对动弹性模量Erd 都呈下降趋势。但在相同循环周期内，C08 混凝土的相对动弹性模量Erd 都低于C05、C02 混凝土，平均降幅为12.4%。水灰比最大的试件C08 在40 天后，Erd 损伤也只有14%；水灰比最小的试件C02 在40 天后，Erd 损伤达12%，均未达到试件破损要求的50%，说明试件没有破损。可见，干湿循环加速了混凝土的劣化程度。

在试验过程中，水灰比大的混凝土试件与水灰比小的试件相比孔隙结构相对疏松，孔隙较多，干湿循环让混凝土内部微裂缝加剧开展，不仅为侵蚀产物提供了一定的生长空间，也可能连通了各孔隙，造成连续贯通的孔结构，加剧了混凝土的损伤程度。相反，水灰比小的试件微观结构分布比较合理，使得混凝土强度会增强，这是因为侵蚀产物填充了混凝土的孔隙，增加了其结构的固相体积，改善了混凝土局部的孔隙结构。

对比以上的宏观试验，可以看出混凝土水灰比越大，混凝土试块Erd 的下降速度也越快。

（2）砂率对混凝土相对动弹性模量的影响

同水灰比（w/c=0.35）条件下，不同砂率对混凝土干湿交替共同作用下相对动弹性模量Erd 的影响规律。由图可知：随着干湿交替次数的增加，混凝土的相对动弹性模量都呈现下降趋势。其中，砂率最小的试件C04 混凝土相对动弹性模量下降最为明显，经过40 个干湿交替后其相对动弹性模量Erd 下降了11.5%；编号为C05 试件的混凝土的相对动弹性模量Erd 下降了11.0%；编号为C06 试件的混凝土的相对动弹性模量Erd 下降了9.0%。对比以上的宏观试验，可以看出混凝土砂率越小，混凝土试块Erd 的下降速度也越快。

3.2 混凝土试件质量随时间的变化规律

（1）干湿循环对混凝土质量损失的影响

由实验结果得出：无论是在清水溶液浸泡作用下，还是干湿交替作用后，混凝土试件的质量变化规律表现出一致性，均呈现缓慢上升趋势，而且当试验结束时，质量下降幅度皆在0.5%以下。主要表现有：①混凝土试件在试验前期其质量会有小幅增加；②到了后期大多数混凝土试件质量就会逐步减少。试验40 天后，浸泡组试件和干湿交替组质量损失分别为0.25%和0.45%。

（2）水灰比对混凝土质量损失的影响

大体来说，在干湿循环的作用下不同水灰比试件的质量变化尽管幅度有限，但都出现了比较平缓的增长，试件表面受到的损伤也不大。这主要是因为一方面混凝土水化是一个漫长的过程，试件处在浸泡期间属于正常水化状态，水化程度会慢慢地增强；另一方面，试件浸泡在溶液中其内部会有一定的侵蚀产物生长富集，虽然产物量较少，但也对混凝土起到加固密实的作用，只不过增加速度缓慢。可以看出，低水灰比混凝土试件C02（w/c=0.32）较高水灰比混凝土试件C08（w/c=0.39）的质量损失更加稳定。

3.3 试验结果分析

通过试验，可以看出处于干湿循环环境中的陶粒混凝土受到的损伤要比处于持久湿环境中的陶粒混凝土更加严重。在选用六组试件C02、C04、C05、C06、C08、C09 进行干湿循环试验中，随着干湿交替次数的增加，陶粒混凝土的相对动弹性模量Erd都呈现下降趋势，其质量先有小幅增加后就逐步减少。经过40个干湿交替后，编号为C02 试件的相对动弹性模量Erd 和质量分别下降了12.2%和0.35%；编号为C04 试件的Erd 和质量分别下降了11.5%和0.48%；编号为C05 试件的Erd 和质量分别下降了11.0%和0.65%；编号为C08 试件的Erd 和质量分别下降14%和0.45%，均未达到试件破损要求的50%和5%，说明试件没有破损。其中编号为C04、C05 的相对动弹性模量Erd 下降较少，是损伤较小的试件，故适宜选择编号为C04 配合比的陶粒混凝土作为浮岛载体用混凝土。

4 结论

实验通过设置对比组实验（自然浸泡方式），采用宏观（相对动弹性模量变化和质量损失）与表观两种测试手段，重点研究了干湿交替作用下陶粒混凝土的损伤失效规律。试验认为，相对于自然浸泡，干湿交替加剧了陶粒混凝土的损伤失效程度。

4.1 在浸泡下的陶粒混凝土，40d 内相对动弹性模量相对平稳，且有小幅上升；随着循环次数的增加，干湿交替作用下陶粒混凝土的Erd 总体上都呈现非常明显的下降趋势。水灰比对陶粒混凝土的相对动弹性模量有重要影响，相同循环周期内，C08陶粒混凝土的相对动弹性模量Erd 都低于C05、C02 陶粒混凝土，平均降幅为12.4%。可见，水灰比越大，陶粒混凝土试件Erd 的下降速度也越快。不同砂率对陶粒混凝土干湿交替共同作用下相对动弹性模量Erd 也有影响，陶粒混凝土砂率越小，陶粒混凝土试块Erd 的下降速度也越快。

4.2 干湿交替作用下的陶粒混凝土质量损失更为严重。浸泡组40 天后试件质量损失为0.25%，干湿交替组40 次循环后（40 天）试件质量损失为0.45%。低水灰比试件C02（w/c=0.32）的陶粒混凝土较高水灰比试件C08（w/c=0.39）陶粒混凝土质量损失更为平稳。控制陶粒混凝土砂率的大小能有效降低混凝土的质量损失率，砂率较大的C06 组陶粒混凝土试件，质量波动较其他两组比较大，经过40 次干湿循环后（40d），平均质量损失为0.56%。砂率最小的C04 组陶粒混凝土试件的质量损失为0.48%。