南方雨水对工程混凝土影响试验研究

(福建省莆田市东圳水库管理局，福建 莆田 351137)

随着我国综合国力的不断增强，越来越多的大型水利工程拔地而起。水利工程对于我国的国民经济和农业生产具有重要的意义。目前，混凝土是进行工程建设的主要材料之一。在不同的环境中，混凝土所承受的外部影响也不尽相同，对于混凝土的耐久性和安全性具有重要的作用。由于水库混凝土长期浸泡在水中，而不同的水域所含的物质不尽相同。水库中含有较多的重碳酸型水，对于在这样的环境条件下，水库工程的混凝土的耐久性需要进行研究。因此，本文从混凝土材料的内因出发，针对影响混凝土材料抗碳酸水侵蚀的关键因素，即胶凝材料组成、水胶比及养护制度，深入分析其对混凝土抗碳酸水侵蚀耐久性的影响，探索提高混凝土抗碳酸水侵蚀耐久性的措施，以期指导工程混凝土材料的设计。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

试验采用的原材料有：硅酸盐水泥、粉煤灰、河砂、碎石等。硅酸盐水泥为42.5R水泥；粉煤灰为C类Ⅱ级灰。河砂为中砂，碎石为粒径为5～16 mm、16～31.5 mm。原材料的物理化学性能见表1。

表1 原材料的物理化学性能

1.2 试验方案

1.2.1 胶凝材料净浆试验

通过单掺和双掺的方式，制备不同掺量矿渣、粉煤灰的水泥净浆，净浆的配比见表2。试样的尺寸为Ф30×150 mm。在标准养护箱中(温度20±2℃，相对湿度>90%)养护4天后，切割成厚度均匀的试样(厚度为10 mm)。

表2 净浆的配比表

1.2.2 水胶比净浆、砂浆试样

分别制水胶比为0.45、0.50、0.55、0.60的净浆试样和水胶比为0.45、0.50、0.55、0.60的砂浆试样，试样的尺寸为40×40×160 mm。在标准养护箱中(温度20±2℃，相对湿度>90%)养护28天后取出进行试验。

2 试验结果分析

图1为不同侵蚀龄期下的试样侵蚀深度变化图。从图1可以看出，随着试样侵蚀龄期的增加，试样的侵蚀深度不断增大。在试验前期，侵蚀深度增加并不明显，主要是在侵蚀早期产生的副产物使得混凝土结构非常致密，使得侵蚀反应变化非常慢。随着侵蚀龄期的不断增长，混凝土中pH值持续降低，侵蚀深度增加非常显著。图1(b)为单掺矿渣的试样侵蚀深度变化曲线图，矿渣的掺加致使混凝土中的CH含量越来越少，因此导致混凝土的侵蚀深度随着矿渣产量的增加而增加，此时CH含量分别为纯水泥浆体的81.55%、77.16%。另外，随着矿渣的掺入，混凝土的孔径逐渐向大孔径方向偏移，削弱了混凝土的抗侵蚀能力。不同掺量粉煤灰混凝土侵蚀深度变化规律与不同掺量矿渣侵蚀深度变化规律类似，随着粉煤灰掺量的增加，侵蚀深度也不断增加，但粉煤灰的大量掺加也不利于混凝土的抗碳酸侵蚀。随着粉煤灰的掺加，混凝土中的CH逐渐减小，CH含量分别为纯水泥浆体的81.22%、75.43%、64.85%；少量掺加粉煤灰，可以降低混凝土的有效孔隙率，但是大量掺加粉煤灰后浆体的临界孔径尺寸由50 nm向95 nm大孔径方向偏移，不利于浆体的抗侵蚀性能的提高。掺量为20%的混凝土渗透深度见图1(d)，由图1(d)可知双掺情况下可以有效地减小混凝土的侵蚀深度，主要是双掺情况下矿渣和粉煤灰可以有效地起到互补作用，因此可以使混凝土更加密实，提高混凝土的抗侵蚀能力。

图1 试样侵蚀深度

图2为混凝土试样侵蚀收缩状况图。从图2可以看出，随着混凝土侵蚀龄期的增加，净浆的侵蚀收缩率越来越明显。在混凝土侵蚀前期，净浆混凝土体积变大，主要是在混凝土侵蚀的前期，钙离子的溶出量少。随着侵蚀龄期的增加，侵蚀收缩随侵蚀龄期的平方根线性发展，因为在侵蚀的过程中，钙离子的溶出速率趋于稳定。

图2(b)为单掺矿渣试样的侵蚀收缩图。从图2(b)中可以看出，20%和30%矿渣掺量对于水泥净浆的抗收缩能力影响最大，此时水泥净浆收缩较小。图2(c)为单掺粉煤灰试样的侵蚀收缩图，与单掺矿渣水泥净浆试验相似，当粉煤灰的掺量为20%、30%时，水泥净浆的收缩最小，因此表明此时20%和30%含量粉煤灰对于水泥净浆抗收缩能力最优。图2(d)为双掺下水泥净浆的收缩图，由图2(d)可知20%双掺粉煤灰和矿渣可以有效提高水泥净浆的抗收缩性能。

图2 试样侵蚀收缩图

图3为不同水胶比下砂浆侵蚀后孔隙率曲线。随着水胶比与砂浆孔隙率呈正比关系，在侵蚀龄期较小时砂浆的孔隙率较小，主要是在侵蚀前期，砂浆中产生的副产物致使砂浆中的孔隙率减小，但是随着侵蚀龄期的不断增大，砂浆中的孔隙率也不断增大。

图3 不同水胶比下砂浆孔隙率曲线

3 水泥净浆侵蚀深度的计算模型

水泥净浆侵蚀过程中的化学反应方程式如下：

Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

假定水泥浆体初始状态的侵蚀程度为零，且认为侵蚀反应中所有的CH都参与侵蚀反应，则由物质平衡理论得到:

通过改进的阿尔基法则，把水泥浆体的有效孔隙率作为变量引入，得到扩散系数与孔之间的关系：

结合上述两式得到侵蚀深度计算公式：

取不同的n值时，理论计算的侵蚀深度见图4。从图4中可以看出，当n=0.8时，计算值和实测值最为接近，因此取0.8作为侵蚀深度计算的经验值。在图4(b)中，侵蚀深度计算值和实测值较为接近，随着矿渣掺量的增大，侵蚀深度呈增大趋势。掺加粉煤灰混凝土侵蚀深度实测值与掺加矿渣的变化规律类似。图4(d)为单掺和双掺试样侵蚀深度的实测值与计算值，从图4(d)中可以看出，掺矿渣试样的侵蚀深度比掺粉煤灰试样的侵蚀深度小，计算值也说明矿渣改善浆体抗侵蚀性的效果要好于粉煤灰。

图4 试样侵蚀深度实测值

4 混凝土抗碳酸水侵蚀耐久性研究

采用工程混凝土样品，研究在碳酸水侵蚀作用下混凝土的耐久性，提出在碳酸水环境下混凝土的耐久性预测模型。图5为不同侵蚀龄期砂浆的孔隙率。由图5可知，随着侵蚀龄期的增加，混凝土的孔隙率不断增加，主要是由于在侵蚀过程中，水泥浆体不断被溶解，导致孔隙率不断增大。当侵蚀试件较大时，砂浆的孔隙率变化变得非常缓慢，主要是在侵蚀后期，水泥砂浆发生二次水化，其副产物的增加，降低了水泥砂浆的孔隙率。

图6为不同侵蚀龄期的抗压强度。由图6可知，随着侵蚀龄期的不断增大，试件的抗压强度呈先降低后增大再降低的趋势，但是整体强度损失不明显。在试件的侵蚀较早时候，试件的强度有一定幅度的降低，主要是在侵蚀前期，试件的孔隙率增大，导致时间的强度降低，随着侵蚀时间的增大，试件的强度有一定的提升，主要是由于时间内部的二次水化作用致使试件孔隙率减小。

图6 不同龄期试件的抗压强度

图7为试件的侵蚀深度。由图7可知，试件的侵蚀深度随侵蚀龄期的增大而增大，在侵蚀前期，试件侵蚀深度变化比较缓慢，主要是侵蚀产物致使试件结构致密造成的。在侵蚀后期随着侵蚀龄期的增加，侵蚀深度迅速增大，主要是侵蚀后期，侵蚀的反应速率增大造成的。根据侵蚀深度与侵蚀龄期建立关系式：

图7 不同龄期试件的侵蚀深度

5 结 论

1) 通过试验发现，随着试样侵蚀龄期的增加，试样的侵蚀深度不断增大。少量添加矿渣和粉煤灰的混凝土有利于抵抗碳酸水的侵蚀，大量添加矿渣和粉煤灰的混凝土不利于抵抗碳酸水的侵蚀，20%双掺混凝土的侵蚀深度最小，双掺情况下矿渣和粉煤灰可以有效互补，因此混凝土更加密实。

2) 随着混凝土侵蚀龄期的增加，净浆的侵蚀收缩率越来越明显。侵蚀收缩是浆体中物质溶出的结果，在侵蚀深度差别不大的前提条件下，主要取决于浆体初始状态的总钙含量。故通过侵蚀收缩状况分析发现，总钙含量低的试样在侵蚀过程中抗收缩能力较强。