硫酸盐侵蚀和冻融循环对碾压混凝土层面抗剪强度的影响

王 斌，代 帆，宋晓波

(湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

1 概 述

随着我国对水资源的充分循环利用，我国沿海地区修筑大量水电站[1]。但面临着水内含有大量盐分且在冬季严寒夏季炎热或昼夜温差较大时，冻融循环作用明显双重难题[2]。为了提升水电站或水库的使用寿命，必须掌握硫酸盐侵蚀和冻融循环双重作用下碾压混凝土层面抗剪强度变化，以便在工程建设初期采取有效措施。

本文主要探讨碾压混凝土受到硫酸盐侵蚀与冻融循环双重作用时层面抗剪强度变化规律。首先介绍试验用材与混合比设置、构件制作、试验方法。设置3种水胶比例0.40、0.50、0.60，并设置去离子水环境与6.0%Na2SO4溶液环境，进行冻融循环试验，选取质量损失百分比与抗剪强度损失比进行比较分析，以指导工程实践，提升大坝水库等修筑质量。

2 设置试验

2.1 试验材料介绍与混合比

在设置试验混合比时选择赣州当地某拱坝碾压混凝土混合比[4]，同时结合相关规范与施工现场测得的流动性小幅调节。详细的碾压混凝土混合比设置情况见表1。

水泥材料选择南昌市某水泥厂提供的中热硅酸盐水泥，强度等级P.O52.5。水泥所含化学成分及占比见表2[5]。掺和料选择天然火山灰。以细度模数2.72的石英砂作为细骨料，以粒径最大值为78 mm的天然卵石作为粗骨料。SBTJM - II 型高效减水剂(标准型)与 AIR202 型引气剂作为外加剂，其外掺比例依次是1.0%、0.08%，全部由某单位提供。

表2 水泥化学构成及各自占比

2.2 样品构件制作

按照相关规范中抗剪强度试验规程制作含层面的构件，大小为边长160 mm的立方体，共设置2组，并标号1与2。构件分成上下层浇筑，在下层碾压混凝土浇筑成型后再浇筑上层碾压混凝土并振捣，两次浇筑相距时间长保证为240 min、各构件统一养护75 d[6]。1组构件置于去离子水环境内，2组构件置于5.5%硫酸钠溶液内，2组构件完成冻融。

2.3 试验方法介绍

仅在水环境时的冻融试验：把养护到设计龄期的构件提早5 d置于去离子水内浸泡后放置在含有去离子水的构件容器内，参考相关试验规程里的快冻方法完成冻融试验。

冻融循环与含量6.0%Na2SO4溶液侵蚀联合影响试验：把养护到设计龄期的构件提早5 d置于含量6.0%Na2SO4溶液内浸泡后放置在含有6.0%Na2SO4溶液的构件容器内，并按相同方法完成冻融试验。

上述两类环境下完成25.0、50.0、100.0、150.0次冻融循环试验，具体见图1。每一次循环试验后拿出4个构件擦拭干净后测定其重量，并选择直剪仪对构件的抗剪强度进行测定，具体见图2。

图1 冻融试验情景图

图2 剪切试验实景图

3 试验数据探析

3.1 外观破损情况

经过上述2类冻融环境后，冻融数量的上升、各水胶比例的碾压混凝土在150.0次冻融破坏后的外观破损情况见图3-图8。

图3 去离子水环境下各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.40)

图4 6.0% Na2SO4各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.40)

图5 去离子水环境下各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.50)

图6 6.0% Na2SO4各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.50)

图7 去离子水环境下各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.60)

图8 6 .0% Na2SO4各次冻融循环后外观破损情况(水胶比例0.60)

构件的外观破损从最初的光滑平整逐渐至表面浆体掉落，后掉块，甚至更多。结合外观破损情况，可将其划分成3个时期：①冻融早期，构件周围有少量麻点显露。②冻融中期，构件外观的水泥浆体开始脱落，同时裂缝与孔洞出现并增加。③冻融晚期，构件外表骨料无水泥浆体裹附，直接接触外界环境骨料开始掉落。

试验时，碾压混凝土的质量损失以质量损失百分比作为评价指标。

质量损失百分比计算公式如下，并取4个构件实测数据的均值作为实测数据。

ΔZn=100(Zy-Zn)/Zy

(1)

式中：ΔZn为经过冻融循环作用n次后的质量损失百分比例，%；Zy为未经过冻融循环作用前构件质量，g；Zn为对试验构件经过n次冻融循环作用后的质量，g。

经过上述两类冻融环境后，每次经过一个冻融循环周期时利用式(1)得到构件的质量损失百分比，依次记录在表3与表4中。

表3 冻融循环作用时碾压混凝土构件质量损失百分比表

表4 冻融循环和硫酸盐侵蚀同时影响时碾压混凝土构件质量损失百分比表

分析表3中试验分组1、2、3对应的数据，能够得到当冻融循环数量一致时碾压混凝土的水胶比例与质量损失百分比速率成正相关关系。其原因是由于水胶比例高，水泥水化程度小，骨料间的浆体附着能力较小。比较3组和6组试验数据可知，试验早期构件放置在含有6.0%的Na2SO4溶液时小于含有去离子水中的质量损失百分比，经过50.0次冻融循环后，6组构件的质量损失百分比上升幅度逐渐超过3组；在冻融循环数量为150.0次时，3组质量损失百分比是4.09%，6组质量损失百分比远大于3组，达到4.42%。硫酸盐侵蚀和冻融循环两种影响时间越长，Na2SO4溶液内部扩散越良好，导致碾压混凝土质量损失百分比上升。

3.2 抗剪性能分析

3.2.1 硫酸盐侵蚀和冻融循环同时影响下层面剪切性能分析

设定水胶比例0.40、0.50、0.60的碾压混凝土在含量6.0%的Na2SO4溶液与去离子水内完成相应数量的冻融循环，并检测层面抗剪强度值。对应法向应力设定1.0、2.0、3.0 MPa。对上述试验数据利用库伦方程计算得到混凝土层面摩擦系数f、黏结力c、法向应力u和剪应力t之间的方程式，具体见表5。

表5 各冻融环境时冻融循环数量下拟合的库伦方程式汇总表

分析表5中公式可知，剪应力和法向应力呈线性关系，与库伦抗剪定律吻合。试验组经过2类环境的冻融循环试验，碾压混凝土的层面黏聚力的改变幅度远不同于摩擦系数的改变幅度。由1试验组数据可知，混凝土在150.0次冻融循环黏聚力由3.65减小至1.15，下降幅度2.50，对比摩擦系数下降幅度仅为0.30。分析试验组5与6的摩擦系数和黏聚力可知，通过150.0次冻融循环时，共同影响时构件层面摩擦系数和黏聚力的减小幅度全部超过去离子水环境时的减小程度。通过数据分析可概括如下结论：在2类环境试验时，层面黏聚力受冻融或Na2SO侵蚀破坏程度大于比摩擦系数，所以层面黏聚力决定了抗剪强度改变。硫酸盐侵蚀和冻融循环双重影响时下层面抗剪性能减小程度更甚。

3.2.2 硫酸盐侵蚀和冻融循环同时影响下层面抗剪强度分析

碾压混凝土强度损失百分比计算公式见式(2)，并取4个构件实测数据的均值作为实测数据。变化曲线见图9、图10。

Δt=100(ty-tn)/ty

(2)

式中：Δt为强度损失百分比，%；ty为未经过冻融循环作用前构件受到3 MPa法向应力时的抗剪强度值，MPa；tn为对试验构件经过n次冻融循环作用后受到3 MPa法向应力时的抗剪强度值，MPa。

图9 两类冻融环境时抗剪强度损失百分比和冻融循环数量变化曲线

图10 水胶比例0.60的碾压混凝土在两类冻融环境时抗剪强度损失百分比和冻融循环数量变化曲线

分析图10中变化曲线可知，构件在两类冻融环境时变化趋势一致，即碾压混凝土抗剪强度损失百分比与冻融循环数量呈正相关关系。在冻融循环数量较低时，构件放置在含6.0%Na2SO4溶液时层间抗剪强度损失百分比略小于放置在去离子水内，若冻融循环数量大于100.0次后，构件放置在含6.0%Na2SO4溶液时层间抗剪强度损失百分比降幅加大并超过放置在去离子水内。分析图6中各水胶比例碾压混凝土的抗剪强度损失百分比可知，冻融环境一致时水胶比例越大抗剪强度损失百分比越多。在2类环境共同影响时，水胶比例越低，碾压混凝土层面抗剪强度损失百分比下降较小。

4 结 语

本文主要探讨了碾压混凝土受到硫酸盐侵蚀与冻融循环双重作用时层面抗剪强度变化规律。首先介绍试验用材与混合比设置、构件制作、试验方法。设置3种水胶比例0.40、0.50、0.60，并设置去离子水环境与6.0%Na2SO4溶液环境，进行冻融循环试验，选取质量损失百分比与抗剪强度损失比进行比较分析。最后得到如下结论：

1) 在硫酸盐侵蚀与冻融循环双重影响时，前期硫酸盐可阻止碾压混凝土冻融破损，随着时间延长，硫酸盐侵蚀可为冻融破损助力，碾压混凝土破损加快。

2) 水胶比例影响着硫酸盐侵蚀与冻融循环双重影响造成的碾压混凝土层面抗剪强度下降程度，大致呈正相关关系。

3) 在硫酸盐侵蚀与冻融循环双重影响，层面黏聚力下降明显，摩擦系数不受影响。