冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下水工混凝土力学性能分析

张丽静

(盘锦禹泰水利工程质量检测有限公司，辽宁 盘锦 124200)

因长期处于冻融损伤与盐离子侵蚀作用的特殊环境下，北方寒灌区水工混凝土结构力学性能不断降低，对工程的安全运行造成严重影响[1]。针对不利因素综合作用下混凝土力学性能演化机理国内外学者开展了深入探究，如余红发、吴中伟、Elhachem等[2-5]揭示了冻融循环与多种盐离子侵蚀耦合作用下混凝土的损伤规律。研究认为[6-11]，盐离子侵蚀及冻融循环是导致寒区水工混凝土裂化的关键因素，但尚未形成系统完善的理论体系。因此，深入探讨复杂环境下水工混凝土力学性能衰减规律具有重要意义。

大凌河流域某高扬程梯级提水灌溉工程的灌区土壤面临着突出的次生盐碱化问题，水工混凝土结构力学性能受寒区冻融循环与灌溉回归水中盐离子侵蚀的耦合作用损伤严重，工程结构的损伤及裂化问题突出[12-13]。文章结合寒区灌溉工程实际情况，应用室内冻融循环加速试验揭示了不同水胶比、粉煤灰和引气剂掺量对水工混凝土抗压强度的影响，进一步揭示了水工混凝土力学性能的衰减规律，对北方寒区混凝土配合比的优化设计及其力学性能研究提供了理论支持和参考。

1 试验方案

1.1 工程概况

该提灌工程是综合治理生态环境、解决区域农业灌溉以及人畜饮水问题的重要工程，经多年努力修建近2100余座渡槽、桥涵等输水渠系构筑物，在改善区域农业生产条件和生活环境的同时，还取得了显著的生态、经济和社会效益。然而，由于长期处于高盐侵蚀和冻融循环作用环境下输水闸阀底板、渡槽排架、泵站输水管道镇墩等水工混凝土结构表面出现了剥落、开裂、粗骨料裸露现象，有的泵站产生承载力下降、结构损伤等问题，工程安全可靠度及运行效益的发挥受到严重制约。所以，有必要研究多因素耦合条件下提灌工程力学性能的衰减规律。

1.2 试验材料

本试验选用天瑞P·O 42.5级硅酸盐水泥，粗骨料选用5～20mm连续级配人工碎石，细骨料选用细度模数2.6的天然河砂，依据《普通混凝土配合比设计规程》合理确定试验配合比。其中，快速冻融循环试验选用HDK-9型快速自动冻融循环机等仪器来完成，严格按照耐久性试验规程规定的流程开展试验。

2 结果与分析

2.1 不同水胶比的试验结果

设计强度等级C30，保持粉煤灰掺量30%和引气剂掺量0.02%不变，水胶比0.32、0.42、0.45三组混凝土试块。先冻融循环20次浸泡硫酸钠溶液中10d、再冻融循环至50次浸泡硫酸钠溶液中20d，重复以上过程直至冻融循环达到250次或硫酸盐溶液浸泡100d，试验过程中如果试样质量损失>5%则停止试验。不同水胶比设计方案，见表1；不同水胶比设计方案，见表2；不同水胶比的力学性能变化曲线，见图1。

表1 不同水胶比设计方案

表2 不同水胶比抗压强度检测值

试验表明，水胶比最高的A3组抗压强度降幅最大，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用达到100次、200次、300情况下，A1试块的抗压强度减少了4.80%、13.85%、21.47%，A2试块的抗压强度减少了4.89%、17.06%、27.58%，A3试块的抗压强度减少了4.91%、20.26%、31.33%。因此，水胶比在一定程度上影响了混凝土力学性能，水胶比较高的劣于水胶比较低的混凝土力学性能[14]。所以，对北方寒区硫酸盐侵蚀与冻融循环条件下，应选择强度较高且水胶比较小的混凝土。

2.2 不同引气剂掺量的试验结果

设计强度等级C30，保持水胶比0.42和保持粉煤灰30%不变，引气剂掺量0%、0.01%、0.02%、0.03%四组混凝土试块。先冻融循环20次浸泡硫酸钠溶液中10d、再冻融循环至50次浸泡硫酸钠溶液中20d，重复以上过程直至冻融循环达到250次或硫酸盐溶液浸泡100d，试验过程中如果试样质量损失>5%则停止试验。不同引气剂掺量设计方案，不同引气剂掺量设计方，见表3；不同引气剂掺量抗压强度检测值，见表4；不同引气剂掺量力学性能变化曲线，图2。

表3 不同引气剂掺量设计方案

表4 不同引气剂掺量抗压强度检测值

试验表明，引气剂掺量最低(0%)的B1组抗压强度降幅最大，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用达到100次、200次、300情况下，B1试块的抗压强度减少了4.67%、17.36%、31.95%，B2试块的抗压强度减少了5.17%、17.21%、27.40%，B3试块的抗压强度减少了4.89%、17.06%、27.58%，B4试块的抗压强度减少了4.49%、15.50%、27.27%。所以，引气剂掺量显著影响着混凝土力学性能，引气剂掺量较高的劣于引气剂掺量较低的混凝土力学性能[14]。所以，对北方寒区硫酸盐侵蚀与冻融循环条件下，为提高混凝土抗侵蚀抗冻融能力应掺入适量的引气剂。

2.3 不同粉煤灰掺量的试验结果

设计强度等级C30，保持引气剂掺量0.02%和水胶比0.42不变，粉煤灰掺量0%、20%、30%、40%四组混凝土试块。先冻融循环20次浸泡硫酸钠溶液中10d、再冻融循环至50次浸泡硫酸钠溶液中20d，重复以上过程直至冻融循环达到250次或硫酸盐溶液浸泡100d，试验过程中如果试样质量损失>5%则停止试验。不同粉煤灰掺量设计方案，见表5；不同粉煤灰掺量抗压强度检测值，见表6；不同粉煤灰掺量力学性能变化曲线，见图3。

表5 不同粉煤灰掺量设计方案

表6 不同粉煤灰掺量抗压强度检测值

试验表明，粉煤灰掺量最高的C4组抗压强度降幅最大，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用达到100次、200次、300情况下，C1试块的抗压强度减少了6.20%、14.81%、23.29%，C2试块的抗压强度减少了7.51%、17.45%、24.76%，C3试块的抗压强度减少了4.89%、17.06%、27.58%，C4试块的抗压强度减少了17.22%、34.15%、50.88%。所以，粉煤灰掺量显著影响着混凝土力学性能，粉煤灰过高会加速力学性能的下降速度[15-21]。所以，对北方寒区硫酸盐侵蚀与冻融循环条件下，为提高混凝土抗侵蚀抗冻融能力应掺入适量的粉煤灰，但≤30%。

3 结 论

文章利用室内冻融循环加速试验，探讨了硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用下不同水胶比、粉煤灰和引气剂掺量对水工混凝土力学性能的影响，并进一步揭示了抗压强度衰减规律，主要结论如下：

1)引气剂和粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响较为显著，而水胶比的影响相对较低。为改善硫酸盐与冻融循环耦合作用下混凝土力学性能可以掺入适量的粉煤灰，但一般≤30%，粉煤灰掺量超过30%将明显降低混凝土强度。

2)硫酸盐侵蚀与冻融循环下混凝土力学性能受引气剂掺量的影响较大，为了提高混凝土抗离子侵蚀抗冻融能力可以掺入适量的引气剂。通过试验研究分析，可以为北方寒区水工混凝土配合比的优化设计及其力学性能研究提供一定理论支持和参考。