硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用对水工混凝土耐久性的影响研究

2022-02-22李欣然

黑龙江水利科技 2022年1期

李欣然

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁朝阳 122000)

0 引言

考虑到中国东北地区特殊的气候环境条件，水工混凝土长期受到冻融循环及硫酸盐离子侵蚀的共同作用，在一定程度上影响着水利工程的使用年限和结构耐久性[1-2]。因此，试验研究水工混凝土在冻融循环与硫酸盐离子耦合作用下的耐久性，对于水工混凝土配合比优化设计和水利工程长效安全稳定运行等具有重要实用价值[3]。针对混凝土耐久性国内外诸多学者做了深入研究，但大多数都是分析冻融循环或硫酸盐离子单一要素，对水工混凝土耐久性受冻融循环与硫酸盐离子侵蚀耦合作用下的影响研究还鲜有报道，尤其是针对北方地区的有关研究更少[4-7]。鉴于此，文章利用水工试验的方式，从多个角度试验分析了冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下的耐久性指标，旨在被北方地区水利工程规划设计和水工混凝土配比优化设计提供一定借鉴。

1 试验方案设计

1.1 混凝土配合比

根据《水工混凝土施工规范》对各项指标的要求，合理确定混凝土配合比的标准用水量135kg，砂率34%，试验混凝土粗骨料为天然河床二级卵石，大小石子比例1:1，最大粒径25mm，引气剂和减水剂取总用水量的0.002%、0.8%。依据试验目的和要求，本试验共设计3种配合比，水工混凝土配合比，见表1。

表1 水工混凝土配合比

1.2 混凝土试件

水工混凝土立方体试件按照《水工混凝土施工规范》[8]制作，制作过程中采取先浇筑上层、再浇筑下层分层浇筑的方式，相邻工序间的间隔不得超过3h，按照以上流程共制作2组，完成所有试件制作后标准养护100d。然后将标准养护后的2组试件分别浸入含5%的硫酸钠溶液和离子水环境中，从而完成冻融循环试验。

1.3 试验方法

首先，将标养后的混凝土试件提前浸入5%的硫酸盐溶液中浸泡5d，然后利用快冻法把浸泡后的试件置入冻融循环试验盒中进行冻融与5%的硫酸盐耦合循环试验。按每冻融循环25次测定一次质量损失，测试时先将试件表面水分擦拭干净，然后放置电子秤称重测定其质量，设定冻融循环次数为0、25、50、75、100、125、150、200次。

1.4 数据处理

结合相关标准规范，以混凝土质量损失率低于5%作为冻融循环试验停止条件，可采用下式计算混凝土质量损失率，即：

(1)

式中：△ωn为混凝土质量损失率，%；ω0、ωn为试验前和经过多次循环后的试件质量，kg。根据循环试验数据，还可利用下式建立水工混凝土质量损失与冻融循环次数之间的相关关系[9]，即：

ωn=aω0e-0.0002t

(2)

式中：a、t为所涉及水胶比修正系数和冻融循环次数。此外，结合水工混凝土受硫酸盐和冻融循环共同作用的抗剪试验市局，可以建立强度衰减方程[10]，其表达式为：

(3)

式中：△τ为强度的损失率，%；τ0、τn为试验前和经过多次循环后混凝土试件的强度，MPa。

2 结果与分析

2.1 质量损失率

通过8次循环周期试验分析水工混凝土的质量损失变化，冻融循环作用下的质量损失变化，表2；硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的质量损失变化，见表3。绘制质量损失曲线以更加直观的描述不同配合比的混凝土质量损失状况，不同循环次数下的质量损失率，见图1。

表2 冻融循环作用下的质量损失变化

表3 硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的质量损失变化

(a)冻融循环作用

由图1可知，试验初期5%硫酸盐溶液中的混凝土质量损失率低于离子水环境，但质量损失率随着循环次数的增加而逐渐增大，水工混凝土受硫酸盐侵蚀作用随硫酸盐与冻融循环耦合作用的增加而增强，硫酸盐逐渐向内部扩散并破坏混凝土的耐久性。

2.2 质量衰减规律

通过分析水工混凝土质量损失与试验周期循环次数之间的关系，进一步揭示硫酸盐与冻融循环耦合作用下的质量衰减规律，硫酸盐侵蚀与冻融循环耦合下的质量衰减规律，见表4。

由表2、表3可知，水工混凝土在不同循环次数下的质量损失受水胶比的影响较大，并表现出的明显的规律性，即质量损失率随水胶比的增大而增加，这是由于水泥水化程度随着水胶比的增大而降低，从而导致骨料间的黏合度下降，因此水胶比越大混凝土的质量损失呈明显的上升趋势。不同循环次数下的质量损失率，见图1。

由表4可知，各配比下混凝土质量损失与循环次数间具有显著的相关关系。耦合作用下水工混凝土表面摩擦系数变幅减小，但各配比下的表层黏聚力降幅逐渐增加。结合试验数据，混凝土摩擦系数变幅随硫酸盐侵蚀与冻融耦合循环次数的增大而减小，但其表层黏聚力变幅增大，所以水工混凝土质量损失主要受表层黏聚力变化的影响。此外，水工混凝土表层抗剪强度随着耦合循环次数的增加而减小，其表层抗压能力也不断下降[11-14]。