王 嬌

(營(yíng)口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院，遼寧 營(yíng)口 115000)

針對(duì)東北地區(qū)的地理位置特點(diǎn)，水工混凝土長(zhǎng)期處于硫酸鹽離子侵蝕以及凍融循環(huán)的共同作用，對(duì)水工混凝土的耐久性和使用壽命都產(chǎn)生不同程度的影響[1]。開展硫酸鹽離子和凍融循環(huán)耦合作用下的水工混凝土耐久性試驗(yàn)對(duì)于水工混凝土的配比設(shè)計(jì)，提高水工混凝土工程的使用壽命具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[2]。國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者展開混凝土耐久性研究，但是大部分都是針對(duì)硫酸鹽離子或者凍融循環(huán)單個(gè)影響要素進(jìn)行分析[3- 7]，而對(duì)于硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環(huán)共同作用下水工混凝土耐久性研究的成果還較少，特別是在東北地區(qū)還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合水工試驗(yàn)[8- 9]，對(duì)硫酸鹽離子侵蝕和凍融循環(huán)共同作用下的耐久性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析成果對(duì)于東北地區(qū)水工混凝土耐久性規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 混凝土配比設(shè)計(jì)

參照《水工混凝土施工規(guī)范》[10]，綜合其水工混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)要求，綜合設(shè)定混凝土的綜合配比，其用水量為135.0kg，砂率主要為28%，采用二級(jí)天然的河床卵石作為其試驗(yàn)混凝土粗骨料，最大粒徑為25mm，大小石子的綜合比例選定為1∶1，減水劑和引氣劑的比例分別為0.7%和0.002%。本試驗(yàn)主要選用對(duì)3種不同試驗(yàn)施工混凝土進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，各編號(hào)混凝土配比結(jié)果見表1。

1.2 混凝土試件的制作

根據(jù)SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》制作兩組立方體水工混凝土試件，采用上下兩層的澆筑方式進(jìn)行水工混凝土試件的制作。先澆筑上層的水工混凝土筑件，再開始進(jìn)行下層混凝土筑件的澆筑，兩個(gè)工序之間的時(shí)間間隔分別為3h，所有試件制作完成后，進(jìn)行為期100天的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。將兩組混凝土試件分別放入離子水環(huán)境和4%的標(biāo)準(zhǔn)硫酸鈉的溶液中進(jìn)行水工混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)試驗(yàn)如圖1所示。

表1 不同試驗(yàn)水工混凝土的配比參數(shù)

圖1 水工凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)方法

將進(jìn)行完標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的試件提前5h放入到離子水進(jìn)行浸泡，然后放入凍融循環(huán)試驗(yàn)盒中，采用快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。5%的硫酸鹽和凍融耦合循環(huán)試驗(yàn)主要將標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)混凝土件提前5d放入到配置好的5%的硫酸鹽溶液中進(jìn)行浸泡。然后放入到5%的硫酸鹽標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)盒中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。將試驗(yàn)水工混凝土放入到兩種試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行30、60、120、160次的凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器如圖2所示。每完成一次試驗(yàn)循環(huán)周期后取出試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件，并擦拭干凈后放入電子稱上進(jìn)行稱重。

圖2 試驗(yàn)觀測(cè)儀器

1.4 試驗(yàn)分析方法

在進(jìn)行循環(huán)周期試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)混凝土質(zhì)量損失量低于5%時(shí)，則停止進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，水工混凝土質(zhì)量損失率的計(jì)算方程為：

(1)

式中，Δwn—試驗(yàn)水工混凝土的質(zhì)量損失率，%；w0—試驗(yàn)前的質(zhì)量損失率，%；wn—經(jīng)過多次循環(huán)周期后的試驗(yàn)件的質(zhì)量損失率，%。

在進(jìn)行周期循環(huán)時(shí)，可以得到凍融循環(huán)次數(shù)與水工混凝土質(zhì)量損失之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為：

wn=aw0e-0.0002t

(2)

式中，a—設(shè)計(jì)水膠比的修正系數(shù)；t—凍融循環(huán)的次數(shù)。

此外，對(duì)凍融循環(huán)和硫酸鹽共同作用下的水工混凝土的抗剪試驗(yàn)進(jìn)行分析，其衰減計(jì)算方程為：

(3)

式中，Δτ—強(qiáng)度損失率，%；τ0—試驗(yàn)前的強(qiáng)度損失率，%；τn—經(jīng)過多次循環(huán)周期后的試驗(yàn)件的強(qiáng)度損失率，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失率的分析

結(jié)合8次循環(huán)周期試驗(yàn)，對(duì)不同配比的水工混凝土的質(zhì)量損壞變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表2、3。對(duì)不同試驗(yàn)下的質(zhì)量損失量曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

表2 凍融循環(huán)作用下水工混凝土質(zhì)量損失變化

表3 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土質(zhì)量損失變化

圖3 各試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率分析結(jié)果

從表2和表3中可看出，水膠比對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下水工混凝土的質(zhì)量損失影響較為明顯，且具有明顯的規(guī)律性，隨著水膠比的增大，其質(zhì)量損失量逐步加大，這主要是因?yàn)殡S著水膠比的加大，水工混凝土的水泥程度逐步降低，骨料之間的粘合度逐步減小，使得水膠比增大，其質(zhì)量損失也呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化趨勢(shì)。從圖3中可看出，在5%的硫酸鹽溶液中其試驗(yàn)初期的質(zhì)量損失率相比于離子水中的質(zhì)量損失率有所減小，而隨著試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的不斷增加，其質(zhì)量損失率逐步加大，隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽溶液耦合作用的不斷增加，水工混凝土受硫酸鹽侵蝕作用逐步加大，且逐步向混凝土的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，使得其質(zhì)量損失率逐步加大，混凝土的穩(wěn)定性逐步被破壞。

2.2 質(zhì)量衰減規(guī)律試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)周期循環(huán)水工混凝土質(zhì)量損失分析的基礎(chǔ)上，對(duì)凍融循環(huán)與硫酸鹽耦合侵蝕下的混凝土質(zhì)量衰減規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)分析結(jié)果見表4。

從表4可看出，在各配比下循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。在耦合試驗(yàn)過程中，各配比下水工混凝土表層的粘聚力降幅增大，但表面摩擦系數(shù)變幅較小。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合試驗(yàn)次數(shù)的增多，其水工混凝土表層的粘聚力變幅不斷加大，但是其摩擦系數(shù)的變幅較小，因此水工混凝土表層的粘聚力變化是其質(zhì)量損失變化的主要影響因素。隨著耦合試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加，其表層抗剪強(qiáng)度有所遞減，水工混凝土表層抗壓能力逐步減弱。

2.3 彈性模量損失分析結(jié)果

水工混凝土彈性模量是其耐久性分析的重要指標(biāo)，對(duì)不同試驗(yàn)環(huán)境下各配比水工混凝土的彈性模量損失進(jìn)行了試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表5和表6。

表4 凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下質(zhì)量衰減規(guī)律分析結(jié)果

表5 凍融循環(huán)作用下水工混凝土彈性模量損失變化

表6 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土彈性模量損失變化

圖4 不同配比下水工混凝土的受壓曲線圖

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在凍融循環(huán)和硫酸鹽耦合作用下，隨著試驗(yàn)周期循環(huán)次數(shù)的增加，各配比水工混凝土的彈性模型的遞減速率逐步加大。在相同的試驗(yàn)方式下，水膠比較小的混凝土相比于水膠比較大的混凝土的耐久性能更佳。

2.4 抗壓強(qiáng)度損失分析結(jié)果

在彈性模量損失分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同試驗(yàn)方式下各配比水工混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行損失變化試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見表7、8。軸線位移下的壓力強(qiáng)度變化情況如圖4所示。

表7 凍融循環(huán)作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度損失變化

表8 凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下水工混凝土抗壓強(qiáng)度損失變化

從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，隨著試驗(yàn)循環(huán)周期次數(shù)的不斷增加，各配比下的水工混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化趨勢(shì)，且遞減變幅逐步加大，當(dāng)水膠比達(dá)到0.33時(shí)，水工混凝土在長(zhǎng)時(shí)段凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下其抗壓強(qiáng)度下降變幅較小，因此在東北寒區(qū)進(jìn)行水利工程施工時(shí)，應(yīng)該選擇水膠比較小的混凝土進(jìn)行澆筑。從圖4中可看出，隨著水膠比的增加，其軸線位移逐步加大，同一軸線位移上的應(yīng)力強(qiáng)度逐步減小。

3 試驗(yàn)結(jié)論

(1)凍融循環(huán)對(duì)水工混凝土的硫酸鹽侵蝕起到加速作用，耦合作用下，水工混凝土溶蝕作用加劇，通過對(duì)比試驗(yàn)分析，水膠比越低，其水工混凝土的耐久性能越高。

(2)凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土材料的破壞程度具有相互影響以及相互疊加的特點(diǎn)，使得水工混凝土的質(zhì)量損失率和結(jié)構(gòu)破壞度呈現(xiàn)遞增變化趨勢(shì)。

(3)本文只重點(diǎn)考慮凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合作用下對(duì)水工混凝土質(zhì)量損失率、彈性模量以及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的影響，其他指標(biāo)影響還未涉及，在以后的研究中還需要對(duì)探討對(duì)其他指標(biāo)的影響。