钨酸钠对藤壶附着混凝土性能的影响

陈建国，梁锦程，杜威莲，程嘉明，朱玉灵，郑修宝

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023；2.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211106）

0 引言

藤壶是沿海港和海湾的主要污损生物[1]，对环境有很强的适应性，主要在潮间带至潮下带范围分布[2]，通过分泌粘性强、能够在水下交联聚合的胶粘物，附着在水下物体表面。藤壶的附着会对桥梁、水闸等造成腐蚀，如图1所示，降低建筑物使用耐久性[3-5]。混凝土结构防腐已成为全世界普遍关注的问题。

图1 藤壶附着水闸工程

目前，对防止混凝土因宏观生物腐蚀而劣化采取的防护措施已有研究[6-8]，常见的防护方法有机械铲除以及涂料防护。机械铲除可以采用高压水枪或者剐刀清除附着在混凝土表面的污损生物，但是，机械铲除混凝土表面附着物往往对混凝土表面产生一定的危害，且不能完全铲除藻类和动物在混凝土表面产生的粘膜。Maury-Ramirez等[6]的研究表明，二氧化钛涂料能够显著降低藻类在混凝土表面的覆盖率。但是这些有机锡化合物不仅污染海洋环境，甚至会影响海洋生态平衡[7]。也曾把重金属铜和锌作为涂料的成分，但是这些金属会扩散于海水之中，在抑制藻类或者动物类生长的同时也破坏了周围的环境和其他生物的生长，甚至导致其它生物死亡[9]。因此，如何克服机械铲除及涂料防护带来的混凝土结构破坏与环境污染等问题，是解决藤壶腐蚀混凝土的技术难题。

Negishi等[10]研究发现，钨酸钠对微生物的生长繁殖有很好的抑制作用，随其掺量的增加，抑制效果增强。Kong等[11]研究了抗菌剂种类和含量对混凝土性能的影响，结果表明，抗菌剂在一定程度上可以防止混凝土结构的劣化。然而钨酸钠对大型污损生物藤壶附着混凝土抑制效果及性能研究较少。本文分析了钨酸钠对藤壶抑制效果的影响，通过测试投放在潮差区掺钨酸钠混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗氯离子渗透性，研究钨酸钠对混凝土力学性能与耐久性能的影响。研究结果为海洋环境下混凝土耐久性设计提供了参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，密度3.11 g/cm3，标准稠度用水量24.2%，比表面积315 m2/kg，28 d抗压、抗折强度分别为53.2、8.5 MPa；粗骨料：20～40 mm白云岩块石，饱和面干表观密度2720 kg/m3，饱和面干吸水率0.64%，坚固性指标3%，硫酸盐及硫化物含量为0.31%；细骨料：硅质岩人工砂，细度模数3.6，饱和面干表观密度2700 kg/m3，饱和面干吸水率1.0%，坚固性指标5%，堆积密度1510 kg/m3，空隙率44%；钨酸钠：西陇科学股份有限公司产，相对分子质量329.85，主要化学组成见表1。

表1 钨酸钠的化学组成 %

1.2 试样制备

混凝土基准配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=270∶861∶1041∶162，制备钨酸钠掺量（等质量取代水泥）分别为0、1%、2%的3组混凝土，研究钨酸钠掺量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度与抗氯离子渗透性的影响。

将称好的粗骨料、水泥、细骨料依次倒入搅拌机，加盖后开机先干拌10～20 s，再加水（含溶入水的钨酸钠）后继续搅拌2～3min。将拌好的混凝土拌合物卸在钢板上，并刮干净粘附在搅拌机内壁上或残留的拌合物。将出机拌合物人工翻拌2～3次，使之均匀，然后按每层为试模总体积的1/3分3次装模，由边缘向内部插捣15次，每层插捣完毕后再进行下一层装模。最后人工对试件进行加压，并将试件表面修平整。

1.3 试验方法

（1）藤壶附着数量。采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，对3组混凝土（每组3个试件）选取藤壶附着最多的一面进行藤壶数量统计。

（2）抗压、劈裂抗拉强度。依据SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》，采用数显压力试验机对3组混凝土（每组3个试件）进行抗压、劈裂抗拉强度测试，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，抗压强度测试加载速度为0.5～0.8 MPa/s，劈裂抗拉强度测试加载速度为0.02～0.05 MPa/s。

（3）抗氯离子渗透性。依据SL/T 352—2020，采用电通量表征试件的抗氯离子渗透性。从150 mm×150 mm×150 mm立方体试件中间切取Φ100 mm×50 mm试件，每组3个试件，采用DTL-1型液晶屏显电通量智能测定仪进行测试，施加电压为60 V。

2 结果与分析

2.1 混凝土表面藤壶附着数量

按配合比成型混凝土试件，标准养护28 d后投放到相应海域，将试件放置在北部湾青山头水闸附近同一水平线，避免不同位置环境因素影响而引起的误差。调研发现，藤壶最适宜生存的区域为潮差区，该区域内藤壶附着密度最大，此外开放环境下海水因退潮涨潮流动性较大，可能会导致试件丢失且不方便取样，因此放置区域选在潮差区。

藤壶附着一般始于腺介幼虫阶段，附着后发育成成年藤壶一般需要30 d左右。为了藤壶能更密集地附着，试件放置时间定为90d。3组混凝土表面藤壶附着统计如图2所示。

图2 3组混凝土表面藤壶附着统计

由图2统计可知，未掺钨酸钠的空白组表面附着212个藤壶，掺1%、2%钨酸钠组表面分别附着58、28个藤壶，较空白组分别减少了72.6%、86.8%。由此可知，钨酸钠对藤壶附着有一定的抑制作用，且钨酸钠掺量增加时抑制效果提高。钨酸钠造成抗菌效果明显提高的主要原因可能是钨酸钠具有水溶性，溶液中离子浓度高，使藤壶内部细胞成分溢出，干扰细胞代谢及酶蛋白的作用，导致藤壶生长细胞的死亡。

2.2 钨酸钠对混凝土抗压强度的影响

3组混凝土试件标准养护28d后放置于北部湾青山头水闸潮差区，90 d后取回，进行抗压强度测试，结果见表2。

表2 钨酸钠对混凝土抗压强度的影响

由表2可见，掺1%钨酸钠的混凝土放置潮差区90d后抗压强度相较于空白组几乎不变；掺2%钨酸钠的混凝土抗压强度达到34.0MPa，较空白组提高了1.2%。这可能是因为适量钨酸钠对藤壶附着的抑制作用大，试件表面只零零散散地附着了少许藤壶，混凝土试件表面的微生物没有了藤壶分泌膜体的保护作用，其活性下降，且钨酸钠本身的抗菌作用也阻碍了噬酸菌等微生物的繁殖，大大削弱了微生物腐蚀对试件的不利影响。

2.3 钨酸钠对混凝土劈裂抗拉强度的影响

3组混凝土试件标准养护28 d后放置于北部湾青山头水闸潮差区，90d后取回，进行劈裂抗拉强度测试，结果见表3。

表3钨酸钠对混凝土劈裂抗拉强度的影响

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由表3可见，空白组的劈裂抗拉强度为2.24 MPa，掺1%、2%钨酸钠组的劈裂抗拉强度略有提高，较空白组分别提高了0.4%、1.3%。这主要是因为钨酸钠试剂对微生物的繁殖有明显有抑制作用，噬酸菌等微生物在其试块表面活性较低，几乎不产生生物酸，保证了水泥水化作用所需要的碱性环境，此外钨酸钠抑制了混凝土表面促进藤壶附着的细菌的活性，使得试件表面只附着少量藤壶。藤壶分泌物及其死亡后的腐蚀作用很小，保证了混凝土结构的完整性。

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中规定混凝土劈裂抗拉强度ft与立方体抗压强度fcu的换算关系为：

式中：ɑ、b——拟合参数。

根据本试验所得的90d劈裂抗拉强度和抗压强度数据，通过式（1）拟合后的换算关系见式（2）：

式（2）中的参数a=0.06888、b=0.99003，与文献[12-14]拟合曲线的参数相差不大，说明式（2）可以准确地反映掺钨酸钠混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度之间的换算关系。

2.4 钨酸钠对混凝土抗氯离子渗透性的影响

海洋环境的混凝土结构除了受到微生物腐蚀、海洋附着生物腐蚀外，海洋氯盐腐蚀亦是不可忽略的问题，抗氯离子渗透性可极大程度地反映混凝土结构的耐久性能。3组混凝土试件标准养护28 d后放置于北部湾青山头水闸潮差区，90d后取回，进行电通量测试，结果见表4。

表4 钨酸钠对混凝土电通量的影响

由表4可见，空白组的电通量为2616 C，掺1%、2%钨酸钠组的电通量较空白组分别减小了4.9%、13.4%。结果证实，藤壶的附着提高了混凝土的抗氯离子渗透性。Chlayon等[15-16]也得出了类似的结果，其研究还表明，藤壶的附着可以密封混凝土表面的微裂缝。

3 结论

（1）钨酸钠对藤壶附着有一定的抑制作用，且随钨酸钠掺量的增加抑制效果提高。掺2%钨酸钠时抑制藤壶附着最明显，藤壶数量较空白组减少了86.8%。

（2）随钨酸钠掺量的增加，试件的抗压及劈裂抗拉强度提高，掺2%钨酸钠的混凝土抗压及劈裂抗拉强最高，较空白组分别提高了1.2%、1.3%。钨酸钠的高效抗菌作用降低了微生物的腐蚀与藤壶附着所引起的腐蚀作用，提高了混凝土抗压及劈裂抗拉强度。

（3）研究了钨酸钠掺入对混凝土内部电通量的影响，单掺2%钨酸钠的试块电通量较空白组减小了13.4%，钨酸钠掺入减小了混凝土的电通量，说明藤壶的附着提高了混凝土抗氯离子渗透性能。