侵蚀环境条件下水工混凝土长期力学性质研究

2022-09-22黄婉琳

水利科技与经济 2022年9期

黄婉琳

(深圳市水务工程建设管理中心，广东深圳 518000)

0 引言

混凝土的长期力学性质是影响水利工程长期稳定性的重要因素，混凝土性质劣化威胁到水利工程的安全性[1-2]。在海洋环境的侵蚀作用下，混凝土内部会产生一定数量的孔隙，从而导致混凝土的力学性能变弱[3-5]。因此，研究海洋环境侵蚀条件下水工混凝土的长期力学性质具有重要意义。

目前，关于混凝土长期力学性质的研究得到学者们的广泛关注。周攀[6]研究了PAC混凝土的长期力学性质，发现加入PP后，PAC混合料的干燥收缩和蠕变能力明显降低，有效改善了PAC的长期力学性质。任俊儒等[7]研究了SFIC材料的制备及长期力学性质，指出SFIC的弹性模量约为普通混凝土的1/3，且其蠕变变形受到荷载水平、弹性模量等重要因素的明显影响。

综上所述，现有研究较少考虑到海水浸泡时间作用下混凝土的长期力学性质。因此，本文在室内开展不同渗透压下的混凝土三轴蠕变力学试验，揭示海洋环境侵蚀条件下混凝土长期力学行为特征。以期研究成果能为我国水利工程长期安全性维护提供一定思路。

1 工程背景

本次研究依托于我国某城市的港区通用泊位工程扩建项目。该港区现已拥有生产用泊位27个，全部库场共占地面积140.56×104m2，粮食存储能力达16×104t，且石油化工材料的储存能力28×104m3。但由于当地经济发展，现有港区通用泊位已不能满足建设需要。考虑到地区经济的长期可持续发展，现拟扩大该港区通用泊位面积，实现对经济进一步增长的助力。港区通用泊位工程扩建项目见图1。

图1 我国某城市的港区通用泊位工程扩建项目

2 试验设计

2.1 试样制备

本次试验研究对象为取自我国某沿海城市海洋工程所采用的混凝土，通过钻孔取得直径为50 mm的圆柱混凝土试样，参照混凝土相关试验规范[8]，精加工得到φ50 mm×100 mm的圆柱形混凝土试件。不同试验条件下，水工混凝土的物理参数以及试验条件见表1。

表1 水工混凝土基本参数及试验条件

2.2 试验方案

为研究海洋环境侵蚀影响下水工混凝土的长期力学特性，室内利用混凝土三轴试验设备，开展不同海水侵蚀时间下的混凝土三轴蠕变试验。采用分级加载蠕变试验法进行混凝土的蠕变试验[9-10]，预设围压为5 MPa条件下开展三轴蠕变试验。此外，第一级蠕变轴压为混凝土单轴压缩强度的40%(10 MPa)，此后每级按短期强度10%(2.5 MPa)递增。蠕变试验过程中，先以力控制模式将围压加载至5 MPa，再以位移控制模式进行轴压加载。当混凝土试件在某级蠕变荷载下发生破坏后，停止试验。

3 试验结果分析

3.1 蠕变曲线分析

图2为不同海水浸泡时间条件下混凝土试件的蠕变时程曲线。由图2可知，不同浸泡时间下的水工混凝土试件蠕变曲线均呈现出典型蠕变曲线特征，即4个混凝土试样的蠕变曲线均表现出减速蠕变特征、稳态蠕变特征以及加速蠕变特征。

图2 不同水压下混凝土试件蠕变曲线

这表明在轴向荷载和海洋环境侵蚀的影响下，混凝土在长期使用时存在变形破坏的风险。因此，应在水工混凝土进入加速蠕变阶段之前，及时采取措施进行处理，防止混凝土结构的破坏对该工程的安全性产生不利影响。

进一步分析海水环境侵蚀对水工混凝土蠕变寿命的影响发现，随着海水侵蚀时间的不断增长，水工混凝土的蠕变寿命呈逐渐变短的变化趋势。当海水侵蚀时间为0 d时，混凝土的蠕变寿命达到35.75 d。随着海水侵蚀时间的不断增大，水工混凝土的蠕变寿命逐渐降低，分别为33.44、29.05及28.10 d，相较对照组混凝土降低7.64%、18.75%及21.40%。由此可见，在海水的持续侵蚀作用下，混凝土的蠕变寿命会逐渐变短。因此，及时而有效地防治海水对水工混凝土的侵蚀作用(如研究开发抗海水侵蚀性混凝土)，对于维持海洋工程的长期安全性有重要意义。

3.2 蠕变变形量分析

由表2可知，海水侵蚀作用下水工混凝土的变形能力得到一定程度的加强，随着海水侵蚀时间的不断增长，混凝土的最大轴向变形逐渐增大。当海水浸泡时间为0 d时，混凝土试件的最大轴向应变ε1=1.03%；随着侵蚀时间的增长，混凝土的最大轴向应变逐渐增大，相较于SC-1试样，其最大轴向应变分别相对增长 26.21%、49.51%和58.25%。综上所述，海洋环境侵蚀作用下，随着海水侵蚀时间的逐渐增大，混凝土试件的蠕变寿命逐渐变短而蠕变变形能力增强。

表2 混凝土轴向变形随海水浸泡时间

3.3 长期强度分析

大量现有研究表明，等时应力-应变曲线法是确定材料长期强度的有效方法之一。基于等时应力-应变理论以及海水侵蚀下水工混凝土的蠕变应力应变曲线，得到试样的等时应力-应变曲线簇，见图3。由图3可知，该曲线簇上存在明显的拐点特征。因此可以推知，当海水侵蚀时间为0 d时，水工混凝土的长期强度为12.60 MPa。基于上述方法，同理可得其他水工混凝土试样的长期强度分别为11.33、10.54和10.08 MPa。由此可见，海洋环境的长期侵蚀会导致水工混凝土的长期强度持续下降，会严重危害海洋工程的长期安全性及运行收益。分析认为，这是由于在海水的持续侵蚀作用下，水工混凝土内部不同成分之间的胶结物质被侵蚀，混凝土内部产生了大量的损伤作用，导致混凝土的长期强度降低。此外，在海水的冲刷流动影响下，混凝土内部的细小颗粒不断流失，使水工混凝土内部产生大量的孔隙，从而导致混凝土强度的降低[11-12]。由于海水中含有NaCl、MgCl2、MgSO4、CaSO4等成分，而镁盐渗入混凝土内部后，能够与混凝土中的成分发生阳离子反应，生成Mg(OH)2和SiO2·H2O。而这两种化合物均无凝胶特性，会使混凝土持续软化，因海水腐蚀混凝土强度降低。

图3 等时应力-应变曲线簇

根据大量现有研究成果的调查与查阅可知，由于海水中存在大量的侵蚀性盐分，如氯化钠、氯化镁、硫酸镁、硫酸钙等，当海水中的Mg2+渗入到混凝土内部后，能够使水化后水泥的成分发生强烈的阳离子反应。所述阳离子反应的主要机制如下：

Mg2++Ca(OH)2→Mg(OH)2+Ca2+

(1)

Mg2++3CaO·2SiO2·3H2O→

3Ca2++3Mg(OH)2↓+2SiO2·H2O

(2)

由式(1)、式(2)可以看出，Mg2+与混凝土中的Ca(OH)2发生反应产生了两种成分，即Mg(OH)2与SiO2·H2O。由于这两种产物均无凝胶特性，而阳离子反应的持续进行会使得混凝土软化。因此，在海水的持续侵蚀下，水工混凝土的长期强度会逐渐降低。另一方面，由于水化硫酸钙分解后的钙离子与硫酸盐反应后生成膨胀性盐，膨胀致使混凝土表层开裂，引发混凝土强度再次劣化。