王永偉

（塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆 塔城 834700）

0 引言

硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一[1～2]。它主要通過(guò)降低混凝土的強(qiáng)度來(lái)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，這是由于硫酸根離子與混凝土水化產(chǎn)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膨脹劑引起混凝土開裂導(dǎo)致的[3]。我國(guó)的環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示，沿海岸線的一些港口、海上工程、海底隧道和跨海大橋等均遭受著有害離子的侵蝕和破壞[4]，大量的水利工程遭受著硫酸鹽侵蝕。另外，新疆、青海、西藏、甘肅、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)鹽堿上建造的混凝土結(jié)構(gòu)，如橋梁、道路等也遭受著硫酸鹽侵蝕的破壞，導(dǎo)致每年的維護(hù)成本較高。干濕循環(huán)下混凝土性能是研究混凝土耐久性的一個(gè)重要方面，干濕循環(huán)條件下是離子向混凝土內(nèi)部傳輸最快的情況；對(duì)于素混凝土，當(dāng)鹽溶液為硫酸鹽溶液時(shí)，會(huì)形成鈣礬石，造成混凝土裂縫破壞；對(duì)于鋼筋混凝土，干濕循環(huán)既加快鋼筋表面的氯離子積累，又有水和氧氣，會(huì)造成鋼筋銹蝕，因此對(duì)干濕循環(huán)下混凝土耐久性能的研究是至關(guān)重要的。目前國(guó)內(nèi)已開展了一些研究，曹健[5]在軸壓荷載及干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕耦合作用下研究了混凝土長(zhǎng)期性能演變規(guī)律；孫迎召等[6]研究了干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下硫酸鈉溶液濃度對(duì)混凝土損傷的影響；孫繼成[7]分析了應(yīng)力和干濕循環(huán)對(duì)混凝土滲透性的影響以及不同應(yīng)力作用下混凝土中氯離子的滲透規(guī)律。但在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，對(duì)干濕循環(huán)作用下混合鹽即將硫酸鹽加入氯化物鹽中對(duì)混凝土耐久性的研究較少，以及用粉煤灰替代一定比例的混凝土后混凝土試件的耐久性研究較少，因此，本文以裕民縣均朱熱克村渠首工程為例，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析上述兩種因素對(duì)混凝土耐久性的影響。

1 工程概況

裕民縣均朱熱克村渠首工程位于裕民縣境內(nèi)察汗托河，該河發(fā)源于西南巴爾魯克山南坡，屬于察汗托海河支流。裕民縣均朱熱克村渠首工程以渠首為控制斷面，集水面積5.47 km2，河長(zhǎng)5.019 km。區(qū)域地貌自南向北可劃分為中低山區(qū)、低山丘陵、山前傾斜平原與河流沖洪積平原；中低山區(qū)、低山丘陵地形起伏較大，地勢(shì)由東向西傾斜。工程區(qū)屬中低山區(qū)，河谷地貌，海拔高程1400 m～1700 m。

2 試驗(yàn)材料及方法

混凝土配合比設(shè)計(jì)采用JGJ55-2000設(shè)計(jì)規(guī)范。設(shè)計(jì)三種混凝土配合比，粉煤灰用量在混凝土中采用等效替代法。三種混凝土配合比設(shè)計(jì)方案（A組、B組、C組）的詳細(xì)指標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)方案

混凝土結(jié)構(gòu)的相對(duì)動(dòng)彈性模量可準(zhǔn)確地評(píng)估混凝土性能的變化和失效。混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量作為混凝土耐久性變化的評(píng)估指標(biāo)，其計(jì)算方法為[8]:

式中:Erd為混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；Emn為凍融循環(huán)N次后混凝土的動(dòng)彈性模量，MPa；Em0為凍融循環(huán)開始前混凝土的初始動(dòng)彈性模量，MPa。

當(dāng)Erd值小于65%時(shí)，混凝土試件被認(rèn)為遭受損壞。試件尺寸為200 mm×200 mm×400 mm。為避免試件成型后表面及內(nèi)部水分蒸發(fā)，采用塑料薄膜包裹其表面，并在室溫20±5℃的環(huán)境中放置約24 h，隨后將塑料薄膜剝離，并將試件在混凝土養(yǎng)護(hù)室（溫度20±2℃，濕度95%以上）中保存28 d，試件間間隔約2 cm。經(jīng)過(guò)上述混凝土試件養(yǎng)護(hù)后，開始進(jìn)行三種混凝土配合比（A、B、C）的混凝土試件在干濕循環(huán)下，長(zhǎng)期受到三種化學(xué)介質(zhì)（10%Na2SO4、10%Na2SO4+5%NaCl、H2O）侵蝕的實(shí)驗(yàn)研究。干濕循環(huán)過(guò)程中，將試件放入侵蝕液14 h，然后在空氣中干燥1 h，隨后在80℃的烘箱中烘烤8 h，最后冷藏1 h，該過(guò)程共需24 h。侵蝕液每月更換一次。在侵蝕期間，測(cè)量試件的動(dòng)彈性模量，每10天計(jì)算其相對(duì)動(dòng)彈性模量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷120次干濕循環(huán)即120天。

3 結(jié)果分析

3.1 侵蝕方式對(duì)混凝土耐久性的影響

以水灰比為0.4的B組為試驗(yàn)對(duì)象，研究以10%硫酸鈉溶液作為侵蝕介質(zhì)的混凝土Erd值在2種不同侵蝕方式即干濕循環(huán)和長(zhǎng)期浸泡下的耐久性變化。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同侵蝕方式下混凝土Erd值變化

從圖1可看出:長(zhǎng)期浸泡下混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量略有穩(wěn)定的增加，侵蝕時(shí)間為120天時(shí)，Erd值為1.08，增加了6.9%。與長(zhǎng)期浸泡不同，干濕循環(huán)及硫酸鹽侵蝕的混凝土試件Erd值產(chǎn)生了明顯波動(dòng)。在干濕循環(huán)下，試驗(yàn)混凝土的Erd值在侵蝕開始階段首先增加，然后在早期階段急劇下降，侵蝕時(shí)間為120天時(shí)，其Erd值達(dá)到0.79。對(duì)于干濕循環(huán)下的試件，由于烘烤過(guò)程中外部環(huán)境相對(duì)干燥，試驗(yàn)混凝土中的水分子反向運(yùn)動(dòng)并向外蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土表面孔隙溶液中硫酸鹽濃度增加，硫酸根離子存在于混凝土內(nèi)部和表面之間，根據(jù)自由離子擴(kuò)散理論，混凝土空隙中的鹽分物質(zhì)又會(huì)以液體的形式擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，隨侵蝕時(shí)間的增加，混凝土表面和中間層的大部分孔隙水被蒸發(fā)，多余的鹽水結(jié)晶并分離出來(lái)。這樣，硫酸根離子在內(nèi)部迅速聚集，而在烘烤過(guò)程中水分向外移動(dòng)，在每次浸泡過(guò)程中，會(huì)有更多的鹽分聚集到混凝土表面的毛細(xì)管間隙中，使混凝土表面鹽溶液不斷經(jīng)歷“烘烤—蒸發(fā)—濃縮—結(jié)晶—烘烤”的循環(huán)變化。當(dāng)混凝土中硫酸根離子達(dá)到閾值后立即發(fā)生侵蝕反應(yīng)，使試件中如鈣礬石等物質(zhì)出現(xiàn)，使混凝土膨脹產(chǎn)生裂縫，增加了侵蝕溶液的浸入范圍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致混凝土外表明逐漸剝落，隨著浸泡時(shí)間的增加，將造成更嚴(yán)重的損害。

3.2 侵蝕介質(zhì)對(duì)混凝土耐久性的影響

圖2、圖3和圖4分別為試驗(yàn)組（A、B、C）在不同侵蝕介質(zhì)及干濕循環(huán)下的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。以試驗(yàn)組A為例，可看出:在干濕循環(huán)下，硫酸鹽和混合鹽侵蝕介質(zhì)中混凝土的Erd值在早期階段略有增加，隨后開始減小，其中在10%Na2SO4溶液中的試件Erd值下降最為明顯，當(dāng)侵蝕時(shí)間為120天時(shí)，其Erd值達(dá)到0.71。與硫酸鹽侵蝕相比，混合鹽侵蝕的混凝土Erd值峰值出現(xiàn)較晚，當(dāng)達(dá)到峰值后開始緩慢下降，最終Erd值為0.84，表明添加氯鹽能夠減緩干濕循環(huán)對(duì)混凝土造成的損害。水侵蝕溶液中混凝土試塊的Erd值變化較穩(wěn)定，幾乎不會(huì)對(duì)混凝土造成損壞，其Erd值開始略有增加，后期略有減少，但其數(shù)值在初期以后均大于1，其原因可能是由于混凝土水化產(chǎn)生氫氧化鈣，而氫氧化鈣與硫酸鈉反應(yīng)產(chǎn)生的硫酸鈣使混凝土體積膨脹，當(dāng)烘烤的混凝土表面浸入水中后，通過(guò)毛細(xì)管吸水直至飽和，使混凝土出現(xiàn)“烘烤—浸泡—烘烤—浸泡”循環(huán)變化，會(huì)加劇氫氧化鈣的腐蝕，從而損壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。綜上分析，在干濕循環(huán)下，硫酸鈉溶液對(duì)混凝土的Erd值有較大影響。

圖2 硫酸鹽侵蝕下混凝土Erd值變化

圖3 混合鹽侵蝕下混凝土Erd值變化

圖4 水侵蝕下混凝土Erd值變化

3.3 水灰比對(duì)混凝土耐久性的影響

試驗(yàn)設(shè)置2種不同水灰比（w/c=0.6、0.5），每種侵蝕介質(zhì)設(shè)置有3組試驗(yàn)樣本，每10 d測(cè)量其相對(duì)動(dòng)彈性模量，取其平均值為該種侵蝕介質(zhì)下混凝土的Erd值。對(duì)A組及B組試件進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6，可以看出:當(dāng)水灰比較高即（w/c=0.6）時(shí)，混凝土試件損壞較快；在10%Na2SO4溶液侵蝕下，水灰比為0.6的混凝土試件在120天時(shí)Erd值下降到0.72，而水灰比為0.5的混凝土試件下降到0.77；對(duì)于其他兩種侵蝕介質(zhì)，水灰比較高的混凝土試件損傷較快，混凝土受硫酸鹽溶液侵蝕時(shí)變化較明顯；不同侵蝕介質(zhì)中Erd值總是遵循先增加后減小的變化趨勢(shì)。綜上分析，干濕循環(huán)下水灰比對(duì)混凝土在鹽溶液及水中的侵蝕有明顯影響。

圖5 試驗(yàn)組A的Erd值變化

圖6 試驗(yàn)組B的Erd值變化

3.4 粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響

選擇具有相同水灰比的試驗(yàn)組B和C研究粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響，在干濕循環(huán)及10%硫酸鹽溶液侵蝕下，其相對(duì)動(dòng)彈性模量變化見(jiàn)圖7。試驗(yàn)組B沒(méi)有添加粉煤灰，而試驗(yàn)組C添加了20%的粉煤灰。

圖7 試驗(yàn)組B和C的Erd值變化

從圖7可看出:混凝土試件的Erd值在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)經(jīng)歷了一段初始增長(zhǎng)后開始下降。C組混凝土試件下降較緩慢，其開始下降的時(shí)間較晚，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其Erd值為0.89，B組的Erd值為0.71。C組混凝土試件的Erd值相對(duì)較慢達(dá)到峰值，增大幅度較小。因此，加入適量的粉煤灰在一定程度上能有助于加強(qiáng)混凝土抗鹽溶液的侵蝕能力。

4 結(jié)論

以裕民縣均朱熱克村渠首工程為案例，在工程施工前期，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了干濕循環(huán)和鹽溶液復(fù)合作用下對(duì)混凝土耐久性的影響，得出結(jié)論:在干濕循環(huán)及鹽溶液復(fù)合侵蝕下，硫酸鹽侵蝕比混合鹽更加明顯；混合鹽中氯鹽會(huì)減少鈣礬石的產(chǎn)生，在一定程度上減緩了混合鹽對(duì)混凝土的破壞；水灰比越高，混凝土受硫酸鹽侵蝕的影響越大；添加粉煤灰有助于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。