基于多种因素破坏作用的水工混凝土试验研究

赵东方

(铁岭市昌图县水利事务服务中心，辽宁 昌图 112500)

0 引 言

北方寒区的气候环境具有冻融循环频繁、日温差大等特点，频繁的冻融循环并伴随碳化、渗漏等其他病害极易对水工混凝土造成破坏，进一步引起大范围剥落，无法充分发挥建筑物应有的功能，其服役年限和安全使用受到严重影响[1-2]。混凝土抗冻性是一项综合性能指标，高抗冻性直接决定着其高耐久性[3]。现行水工建筑物设计标准按平均气温执行，我国中部地区与北方寒区相比地质条件较好、气候相对温和、海拔较低，高寒地区的工程建设与现行技术标准适用性较低，缺少适用于高寒地区的相关标准[4-5]。此外，高寒地区水电站受区域经济和资金条件的限制，混凝土原材料存在成分复杂、品种多、来源广的特点。因此，为保证水工结构的安全使用及其服役年限，如何充分利用各种材料的优势已成为亟待研究的重要课题。针对水工混凝土服役年限和耐久性受施工工艺、原材料、寒区气候特征等多因素的破坏作用，文章通过试验研究了混凝土和原材料的耐久性，并提出相应的技术控制指标及安全控制措施，旨在为北方寒区水工混凝土方案设计提供一定指导。

1 试验方法

1.1 原材料分析

根据常态二级配混凝土配合比选择引气剂、减水剂、石粉、Ⅱ级粉煤灰和中热水泥型号，试验研究掺合料与外加剂、水泥与外加剂适应性，选用性能稳定的灰岩人工骨料以排除其他因素的影响作用。

1.2 试验方法

依据《水工混凝土试验规程》合理设置老化试验条件，每3个样本为一组开展相应试验，试验时严格按照操作流程执行。

2 结果与分析

2.1 冻融破坏作用

实际运行过程中北方寒区水工建筑物极易受冻融破坏等病害影响，冻融破坏渡槽、水闸等水工建筑物的地区范围更加广泛[6]。冻融破坏是指受温度与冻融的交变作用，饱水状态下的混凝土出现的破坏，这也是造成大坝病害的重要因素之一。因此，混凝土耐久性评价通常选用抗冻性指标[7]。

通过冻融循环试验探讨混凝土的宏观性能受冻融作用的影响，结果见表1。试验表明，混凝土的宏观性能随着冻融循环的增大逐渐劣化。经受100次冻融循环后混凝土的表面剥蚀明显，经受150次冻融循环后抗折、劈裂和抗压强度明显下降，与冻融前的相对比值分别为58.1%、61.2%、58.0%。相对动弹性模量的减小速度比超声波波速的减小速率快，但比强度减小速率慢。因此，按从低到高排列指标敏感性为超声波波速<相对动弹性模量<失重率<强度，对安全评估混凝土抗冻性以上指标均具有重要意义[8]。

表1 混凝土宏观性能变化

采用压汞试验测试水泥净浆试件冻融前、后的微孔分布状况，通过求解不同压力下压入试件的水银体积揭示随孔径变化累计比孔容的分布特征，如图1所示。试验表明，外压力越大则汞可填充的孔隙越小，即孔越小所需的压汞压力越大；150次冻融后水泥石的孔隙率尤其是孔径>25nm的孔隙明显增加，冻融前后累计比孔容从0.08330ml/g提高到0.09990ml/g，增长率为19.9%；100-150nm和25-50nm孔径的比孔容从0.00631ml/g提高到0.0905ml/g、0.01094ml/g提高到0.01651ml/g，增长率为43.4%、50.9%。冻融前、后水泥浆结构从比较致密变得疏松，多害孔、有害孔、少害孔和微孔含量都逐渐增多，并逐步扩大了微孔直径[9]。深入分析，冻融过程中净水压力增大了微孔的孔径和体积，受多次冻融循环逐渐形成微裂缝。

对比冻融前后混凝土试件微观形貌，结果显示：①冻融循环显著改变了水化产物的结构状态，即堆积状密实体在冻融过程中变的疏松，骨料与水泥石逐渐脱离，并开始形成微裂缝；②混凝土内原有封闭完整的气泡经过150次冻融作用逐渐开裂，且水化产物结构中微裂缝的存在也会引起气泡开裂破坏，这也是引起冻融破坏的重要因素之一。

图1 冻融前后水泥净浆微孔分布线

2.2 冻融-干湿循环协同

一般地，混凝土破坏是多种化学、物理及其他复杂因素综合作用的结果，其中经历多次湿胀与干缩作用而引起的性能劣化称为干湿循环破坏[10-12]。因此，本试验探讨了冻融环境与干湿交替协同下混凝土性能的演变特征。

混凝土中粉煤灰掺量20%，水胶比0.40，控制含气量4%-5%，测试混凝土性能受冻融-干湿循环协同的影响，如表2所示。试验表明，干湿交替与冻融循环的叠加作用比单因素作用，混凝土强度明显降低，加速试件了破坏；结合相对动弹模量和超声波速测试结果，叠加作用会显著降低超声波波速，加速微裂缝的连通与扩展。因此，干湿与冻融循环的叠加会产生放大效应。

表2 冻融-干湿循环协同作用

2.3 冻融-碳化协同

混凝土中粉煤灰掺量0-40%，水胶比0.30-0.50，控制含气量4%-5%，测试混凝土性能受冻融循环-碳化协同的影响，如表3所示。试验表明，宏观上混凝土受冻融-碳化协同作用表现出力学性能下降、钢筋腐蚀、粗细骨料分离、表面脱落、开裂等。

随水胶比增大先冻融再碳化或先碳化再冻融的试件碳化深度均表现出不断增加的趋势，混凝土渗透性随水胶比增大逐渐增强，密实性下降CO2更易侵入，从而加大了碳化深度。保持水胶比不变时，由于粉煤灰的二次水化消耗部分氢氧化钙以及部分水泥被粉煤灰替代使生成的氢氧化钙总量减少，降低了内部的氢氧化钙浓度(即有效碱量)和混凝土抗碳化能力。因此，粉煤灰掺量越高则碳化深度越大。

表3 碳化深度与相对动弹性模量

从碳化深度上分析，先碳化后冻融的碳化深度明显小于先冻融后碳化，主要原因如下：养护28d后再碳化混凝土生成的碳酸钙提高了结构密实度，冻融100次后，在渗透压与膨胀压作用下外部水分渗透至内部孔隙，随着水的流动中心处未碳化的氢氧化钙分子开始向四周扩散，从而使得先碳化再冻融的碳化深度较小；此外，先冻融的混凝土试件内部出现微裂缝，表面剥落或开裂加速了CO2的侵入，并进一步向更深处扩散。依据碳化机理，混凝土内部孔隙被碳化产生的固态物质和碳酸钙堵塞，在一定程度上降低了内部孔隙率和大孔数量，这抑制了后期CO2的扩散，有利于改善混凝土密实度、强度和抗冻性能。然而，碳化过程是碳酸钙沉淀和氢氧化钙晶体分解的过程，该过程引起试件收缩并逐渐形成微裂缝，产生恶性循环逐步降低了混凝土强度。因此，在特定的时间范围内，碳化有利于增强混凝土抗冻性，但长期抗冻性最终会下降[13-16]。

2.4 冻融-化学侵蚀协同

混凝土中粉煤灰掺量20%，水胶比0.40，控制含气量4%-5%，试件规格400mm×100mm×100mm，成型后室温静置1d，然后脱模放入标养室养护28d，达到规定龄期后取出浸入Na2SO4溶液和NaCl溶液，经100次冻融循环取出试件测试抗压强度，即开展冻融-化学侵蚀协同试验，如表4所示。

表4 冻融-化学侵蚀下的试件抗压强度(90d)

由表4可知，冻融循环在一定程度上降低了混凝土试件的抗压强度。冻融循环达到200次时，经Na2SO4溶液和水溶液浸泡的试件强度减少了26.6%、44.4%，超过ASTM规定25%的要求，即混凝土试件发生破坏；冻融循环达到200次时，经NaCl溶液浸泡试件抗压强度有略微的增大，这是由于结冰已经破坏了内部结构；冻融循环达到100次时，经NaCl+Na2SO4混合溶液浸泡的混凝土试件强度减小了30.5%，混凝土出现劣化。

经试验计算，试件受溶液冻融侵蚀的相对动弹性模量和质量损失，如表5所示。试验表明，混凝土质量损失最大的是经NaCl溶液冻融循环的试件，达到4.346%，试件凸凹不平的表面和裸露的骨料颗粒清晰可见；其次是经水溶液冻融循环的试件，达到2.668%；混凝土试件在NaCl+Na2SO4冷冻液中的质量呈现出先略增大后减小的变化趋势，冻融循环为100次时质量损失为+0.325%；混凝土试件质量经Na2SO4溶液冻融循环后有所增大，但质量增长幅度随冻融循环次数的增大呈现出减少趋势，试件表面基本完整。

表5 冻融-化学侵蚀下的质量损失与相对动弹性模量

结合相对动弹性模量，相对动弹性模量降幅最大、最小的是经NaCl溶液和NaCl+Na2SO4混合液冻融循环的试件，Na2SO4和水溶液的降幅居中。总体而言，各种混凝土试件的相对动弹性模量均>85%，质量损失均在5%以内。

根据抗压强度值，经反复冻融作用后虽然相对动弹性模量、质量以及外观变化不大，但强度已经发生严重的劣化，混凝土的冻融耐久性建议利用性能降低率或损耗率等来衡量。根据ASTM规定的强度损失超过25%、长度膨胀超过0.4或质量损失>5%则代表发生侵蚀破坏，由此可认定混凝土试件经水溶液、NaCl+Na2SO4混合液、Na2SO4溶液、NaCl溶液冻融循坏破坏后，抗冻等级达到F200、F100、F100、F100级。

3 结 论

针对北方寒区可能存在的化学侵蚀、碳化、干湿冻融循环等多种破坏因素，文章探讨了水工混凝土耐久性，主要结论如下：

1)水工混凝土性能受干湿交替-冻融循环的叠加作用并非两者的简单叠加，两种因素的协同会形成放大效应。随水胶比增大先冻融再碳化或先碳化再冻融的试件碳化深度均表现出不断增加的趋势，粉煤灰掺量越高则碳化深度越大，先碳化后冻融的碳化深度明显小于先冻融后碳化。在特定的时间范围内，碳化有利于增强混凝土抗冻性，但长期抗冻性最终会下降。

2)经多次冻融作用后虽然相对动弹性模量、质量以及外观变化不大，但强度已经发生严重的劣化，混凝土的冻融耐久性建议利用性能降低率或损耗率等来衡量。混凝土试件经水溶液、NaCl+Na2SO4混合液、Na2SO4溶液、NaCl溶液冻融循坏破坏后，抗冻等级达到F200、F100、F100、F100级。