干湿条件下硫酸盐会对生态透水混凝土侵蚀性分析

单文娜

(辽阳县水利事务服务中心，辽宁 辽阳 111200)

0 引 言

目前，护坡工程为穿越城镇等治河工程的重要组成部分，传统护坡的治理方式比较单一，尤其是大范围普通混凝土浇筑或砌筑护岸，给河流生态系统稳定性及河道周围的自然景观往往会造成不利影响[1-2]。为了实现经济社会与河道生态环境的和谐统一，达到更好的护坡治理效果，可利用生态透水混凝土以便维护和改善河流生态系统，并逐渐成为河道治理的新方法。在河道治理工程中应用生态透水混凝土具有明显的优势，但也存在许多不足之处，如透水性与强度相互矛盾。一般地，透水混凝土既需要一定的孔隙维持其透水性又要依赖水泥、骨料等材料间的黏结力保持足够的抗压强度，所以试验研究其相关施工工艺和配合比，现已成为领域内研究的热点[3]。随着城镇规模的扩大以及人口数量的增加，河流水体和降雨中的硫酸盐侵蚀混凝土的作用不断加剧，逐渐成为破坏水工结构的重要因素。与普通混凝土相比，具有更多内部孔隙的透水混凝土更易受到硫酸盐的侵蚀，并且护坡混凝土受水位的升降变化长期处于干湿循环环境中，干湿循环会加剧硫酸盐反应和水泥的水化[4-5]。因此，文章利用室内模拟试验，探讨了生态透水混凝土受干湿条件下硫酸盐的侵蚀作用，旨在为护坡混凝土的配合比设计和施工方案优化提供一定借鉴。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验原材料主要有硫酸钠、钢纤维、粗细骨料、水泥、水、减水剂、硅灰，其中硫酸钠为AR级分析纯无水硫酸钠，配置溶液浓度5%；钢纤维为端钩钢纤维；粗骨料为粒径范围5-20mm的人工石灰石碎石，细骨料为普通河砂；水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，28d抗折和抗压强度为8.1MPa、47.6MPa，初凝和终凝时间为206min、260min，各项指标符合试验要求；水为普通自来水；减水剂为高效聚羧酸减水剂；硅灰的7d活性指数为132%，比表面积26700m2/kg，二氧化硅含量达到94.1%。

1.2 试件制作

工程中，搅拌制作透水混凝土的方式主要有水泥浆裹石法、二次投料法以及一次投料法三种。实践表明，水泥浆裹石法能够在不同程度上增强混凝土的力学性能[6]。因此，本试验在制作透水混凝土时拟选用水泥浆裹石法。

透水混凝土的搅拌制作严格执行《透水混凝土路面技术规程》规定的操作流程，待搅拌完成后手握成团松开仍可保持原状即混凝土塌落度几乎为零时，可以开展下一步成型制作。试件制作过程中主要有人工夯击和振压成型两种方式，立方体的边长尺寸为150mm。试件制作前先擦拭干净磨具，再用脱模剂涂刷内壁，拌和物入模后室温静置24h脱模，将其放于标养室养护至规定龄期28d。

1.3 计算分析

完成养护后，先测试试件的相对横向动弹模量、有效孔隙率以及初始质量，再测试硫酸盐和干湿循环作用下的抗侵蚀性。试验流程：将养护完毕的试件放入清水和质量分数为6%、4%、2%的硫酸钠溶液中浸泡48h，然后取出试件风干2h并用烘箱烘干18h(烘箱温度80℃)，烘干后自然环境下冷却4h，由此实现一次干湿循环，最后共完成8次循环试验，并对有关参数进行测量。质量损失率VWi的计算公式为：

(1)

式中：W0、Wi为试件的初始质量(g)和经过i个干湿循环后的质量(g)。

试验采用DT-12型混凝土动弹模量测定仪按照《混凝土长期性能和耐久性能试验方法》测量试件的动弹模量，测试流程和方法严格执行规范要求[7]。先对试件横向基频损失利用仪器测定，再计算混凝土的动弹模量Ed，即：

Ed=13.244×10-4×WL3f2/a4

(2)

式中：L、a为试件的侧面长度和截面边长，cm；W为试件的质量，g；f为和横向基频，Hz。

采用万能试验机按照规定的试验方法测试混凝土抗压强度fcu，抗压强度的测试时间为每一次干湿循环周期前和结束后[8-9]，其计算式为：

fcu=P/A

(3)

式中：P为试验的破坏荷载，N；A为试件的承压面积，cm2。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率

根据相关试验数据，计算不同干湿循环条件下、不同硫酸钠溶液浓度的试件质量损失率，并以图形的方式反映质量损失率变化趋势，混凝土试件质量损失率，见图1。

图1 混凝土试件质量损失率

从图1可以看出，随着干湿循环次数的增加不同硫酸盐溶液浓度的混凝土试件质量均呈现出先上升后下降的变化趋势。另外，相对于清水条件下的试件质量损失率，硫酸钠溶液试验具有更加明显的变化，表明透水混凝土受硫酸钠的侵蚀作用十分明显。深入分析可知，侵蚀初期透水混凝土试件以硫酸钠的扩散和侵蚀结晶为主，所以试件质量有所增大，随后试件质量因砂浆的开裂、脱落而逐渐下降，试验结束后的质量减少至初始质量以下。通过对比分析发现，试件质量的变化程度随着硫酸钠溶液浓度的增加而增大，从而使得最终的剩余质量也越小。

2.2 抗压强度检测

结合相关试验数据，计算不同干湿循环条件下、不同硫酸钠溶液浓度的试件抗压强度，并以图形的方式反映抗压强度变化趋势。混凝土试件抗压强度，见图2。

图2 混凝土试件抗压强度

从图2可以看出，随着干湿循环次数的增加不同硫酸盐溶液浓度的混凝土试件抗压强度均呈现出出先增大后减小的变化趋势。另外，相对于清水条件下的试件抗压强度，硫酸钠溶液试验具有更加明显的变化，表明透水混凝土受硫酸钠的侵蚀作用非常明显。深入分析可知，侵蚀初期硫酸盐的结晶和渗透作用会增大试件密实度，从而提高其抗压强度，随后试件抗压强度因砂浆的开裂、脱落而逐渐减小。对比分析发现，试件抗压强度的变化程度随着硫酸钠溶液浓度的增加而增大，从而使得最终的抗压强度也越小。同时，在砂浆破坏与结晶侵蚀扩散达到平衡后，混凝土抗压强度在硫酸盐溶液浓度为4%仍存在一定波动。

2.3 相对横向动弹模量

采用相关试验数据，计算不同干湿循环条件下、不同硫酸钠溶液浓度的试件相对动弹模量，并以图形的方式反映相对动弹模量变化趋势。混凝土试件相对动弹模量，见图3。

图3 混凝土试件相对动弹模量

总体而言，在整体上相对动弹模量均表现出波动下降的变化趋势，并且硫酸盐溶液中的波动更加明显，试件的相对动弹模量值随硫酸盐溶液浓度的增大而减小[10-14]。经8次干湿循环后，清水条件下的试件相对动弹模量略有减小，而6%、4%、2%硫酸盐浓度溶液下试件的相对动弹模量分别减小20.37%、14.18%、8.18%，由此表明生态透水混凝土受硫酸钠的腐蚀作用非常显著，并且溶液浓度越大造成的腐蚀作用越强。

3 结 论

文章采用模拟试验，探究了生态透水混凝土受硫酸盐侵蚀和干湿循环作用的影响，主要结论为：

1)相对于清水试验条件，生态透水混凝土时间的相对横向动弹模量、抗压强度、质量损失率均明显减小，表明生态透水混凝土受硫酸盐溶液的侵蚀作用极为显著。

2)生态透水混凝土时间的相对横向动弹模量、抗压强度随硫酸钠溶液浓度的增大而减小，其质量损失率随硫酸钠溶液浓度的增大而增加，表明硫酸钠溶液浓度越大则侵蚀生态混凝土的作用越强。

3)考虑到生态透水混凝土受干湿循环和硫酸盐侵蚀作用，为保证混凝土耐久性和工程施工质量，建议适当调整施工工艺和设计参数，充分考虑干湿循环、硫酸盐侵蚀对河道工程设计的影响。