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海水干湿循环对混凝土耐久性影响研究

2024-12-02 85 上传者：管理员

摘要：海水干湿循环条件下混凝土结构会出现侵蚀破坏，难以满足设计要求，威胁结构运行安全。文章研究混凝土不同材料的配合比以及干湿循环制度对质量的影响，设立评价指标评估其物理特性变化。结果表明，混凝土的水胶比和粉煤灰掺量对其耐久性存在影响，水胶比越低且适量掺加粉煤灰，可以有效提升混凝土对海水干湿循环条件下侵蚀过程的抵抗作用，同时干湿比越大，对混凝土的破坏越严重。研究结果可以为沿海地区工程建设提供借鉴。

关键词：
工程建设
干湿循环
服役环境
混凝土侵蚀
配合比
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混凝土结构的耐久性主要受所服役环境的影响。当混凝土结构处于冻融、干湿交替、风荷载、海洋环境等不利环境时，混凝土建筑物的耐久性就会下降。对于沿海地区而言，海水的化学侵蚀破坏是造成混凝土耐久性不足的重要因素之一[1],干湿循环作用同样是造成混凝土耐久性退化的另一重要因素[2]。有资料显示，对中国东南沿海已建的海工建筑物不同位置的腐蚀情况进行调查发现浪溅区的混凝土结构的破坏情况最为严重，水位变动区、大气区的混凝土结构破坏情况依次减弱并且都弱于浪溅区的混凝土结构的破坏情况，而水下区的混凝土结构并没有发生明显破坏[3]。

现有研究表明，对中国沿海设施和海港工程经过长期使用后，钢筋混凝土构筑物都有不同程度的侵蚀现象，极大降低了建筑物的使用寿命[4]。工程施工严格按照规范进行，混凝土无法适应此类应用环境才是导致这一现象的主要原因。而深圳地区深中通道东人工岛建设涉及深圳机场片区防洪排涝建设工程，面临海水劣化威胁，工程建设需要考虑盐分影响。因此，研究海水干湿作用条件下，混凝土的劣化和对耐久性进行评估，对该工程的安全稳定运行有重要意义。本研究通过试验方法，研究混凝土不同材料的配合比以及不同干湿循环条件下劣化过程，设立相关指标评估其耐久性，可以为结构和施工设计提供借鉴。

1、混凝土劣化试验

1.1 试验材料

实验室尺度的混凝土试样制备所需的原料包括水泥、骨料以及各种添加剂和掺合料，本次试验采用的是普通硅酸盐水泥(P.O42.5),细骨料选取河砂，粗骨料为碎石，矿物掺合料主要为粉煤灰。混凝土试样材料表，见表1。

参照替代海水制备的标准实施规程ASTM D1141-1998(2003)配置模拟海水的侵蚀溶液，各物质浓度为氯化钠122.65g/L,氯化镁26 g/L,硫酸钠20.45 g/L,氯化钙5.8 g/L,氯化钾3.475 g/L,氢氧化钠1.005 g/L和溴化钾 0.505 g/L。

表1混凝土试样材料表

1.2 试验工况

为探究不同材料的配合比以及干湿循环制度对混凝土抗侵蚀能力的影响，实验采用不同的水胶比和粉煤灰掺量制备混凝土试样，并利用减水剂等添加剂以保证混凝土试样的成功制备。考虑到实际工程施工中常见的水胶比一般≤0.65,也≥0.25,因此工况设置时考虑的水胶比为0.35、0.45和0.55,粉煤灰替代量范围为在0～30%之间。各工况下试样采用的原料用量及添加剂，混凝土制备参数表，见表2。

表2混凝土制备参数表

为了分析海水干湿循环对混凝土的影响，需要采用不同的干湿循环方案对试样进行劣化，参考已有研究，本次试验中所采用的干湿循环方案及干湿比，干湿循环方案表，见表3。

表3干湿循环方案表

1.3 试件制备及养护

本试验中仅采用一种尺寸的混凝土试件，其规格为100mm×100mm×100mm。在制备试件前，需要保证搅拌机内部干净，且需要利用同种混凝土对搅拌机进行挂浆，取出后将对应试样的材料加入进行拌合。搅拌均匀的混凝土倒出后还需人工翻拌，后加入试模成型，在20℃左右的室温条件下放置48h后拆模，并放入养护室进行养护[5]。

2、评价指标

考虑到目前已有大量的混凝土劣化试验研究及相应的评价指标，而对海水干湿循环劣化无统一指标，因此，本次研究中借鉴常规劣化研究采用的评估方法，采用抗压强度耐蚀系数(K)、相对动弹性模量(P)、质量损失率(L)和氯离子侵蚀深度作为评价标准。

试件在某一海水干湿循环周期后的抗压强度与同批次同龄期的标准养护室的试件的抗压强度之比作为当前抗压强度耐蚀系数。类似的，干湿循环后的自振频率与干湿循环前的自振频率之比作为相对动弹性模量。干湿循环周期完成后烘干与初始烘干时质量的损失与初始烘干时质量的比值为质量损失率，可以反应混凝土试件的质量损失。氯离子侵蚀深度采用显色法测定，利用铬酸钾溶液和硝酸银溶液特性，令混凝土试件剖面上被氯离子侵蚀的范围显色，以观察氯离子侵蚀程度。

3、配合比影响

3.1 水胶比

研究混凝土配合比参数对混凝土侵蚀的影响时，干湿循环均采用表3中的方案1。工况1～工况3混凝土试件经过标准养护28d后的抗压强度，即为海水干湿循环试验的初始抗压强度数据，依次为53.1 MPa、43.6 MPa和34.7 MPa。进行干湿循环试验后，每30个循环周期测量一下试件的相关参数，并计算对应评价指标，共计循环120个周期，不同水胶比试验结果表，见表4。

表4不同水胶比试验结果表

结果表明，在试验早期(30次循环),混凝土的抗压强度耐蚀系数均有所增加，随后便呈现下降趋势。总体来看，在试验结束时(120次循环),水胶比最小的工况1试件的变化幅度最低，而水胶比为0.55的试件抗压强度耐蚀系数变化最大。相对动弹性模量和试件质量也呈现相似的先增加后减小的变化规律，这表明混凝土试件的劣化程度随水胶比的增大而增大。

分析可知，试验初期，由于混凝土试件自身存在孔隙，接触盐水后，水中溶解的各类金属离子随水渗入混凝土试样内部的孔隙中，发生结晶作用，强化了混凝土的物理特性，增大其密实度，因此试件质量和物理强度增大[6]。对于高水胶比的试件，其内部孔隙更多，因此强度提升和质量增加更加明显。然而随试验进行，循环次数的增多导致进入混凝土试件的盐分逐步上升，孔隙中的结晶增多并膨胀，此外，水中含有的各类物质也会与混凝土发生化学作用，产生体积更为庞大的物质，加剧试件的内部膨胀。最终试件内部的膨胀压力超过混凝土的拉应力，对混凝土本身产生了破坏作用，出现肉眼无法分辨的微裂隙，并随时间逐步发展，降低混凝土的力学特性[7]。在此过程中，混凝土试件出现剥蚀，质量降低。由于高水胶比混凝土原本抗压能力就弱于低水胶比，经过上述过程后，其水泥及骨料有效接触强度更低，宏观上表现为更差的抗压能力，因此工况3的混凝土试件表现出劣化最严重的现象。

利用显色法可以得到不同水胶比下氯离子的渗透深度，结果表明，工况1试件表面几乎均为白色，除了骨料呈现红色，表明试件基本被氯离子完全侵蚀，而随着水胶比增大，氯离子的侵蚀范围逐渐减小，表明高水胶比可以有效抵抗氯离子侵蚀，减少水及有害物质的渗透通道。

3.2 粉煤灰掺量

粉煤灰参量从0增加到30%时分别对应工况4、工况5、工况2和工况6,混凝土试件经过标准养护28d后的初始抗压强度为46.9 MPa、45.8 MPa、43.6 MPa和41.2 MPa。类似的给出干湿循环下对应评价指标，不同粉煤灰掺量试验结果表，见表5。

表5不同粉煤灰掺量试验结果表

同样的，在试验早期(30次循环),所有试件的抗压强度耐蚀系数均出现了增长。然而，所有添加粉煤灰的试件(工况5、工况2、工况6)其增长幅度均小于未添加粉煤灰试件(工况4)。随后，所有试件的抗压强度耐蚀系数均下降，在试验结束时(120次循环),未掺粉煤灰试件的抗压强度耐蚀系数下降最显著，而掺粉煤灰试件下降幅度较小。对比不同粉煤灰掺量可知，掺加20%粉煤灰时，其下降速度最慢，而10%与30%的结果类似，这表明粉煤灰含量对混凝土试件劣化的保护作用先增大后减小。

分析粉煤灰在混凝土中发挥的作用可知，由于其细度低，在加入混凝土后，可以有效填充混凝土试件中的孔隙，提升试件的抗渗能力，因此海水干湿循环导致的混凝土劣化存在一定程度减弱[8]。此外，混凝土中的氢氧化钙和水化铝酸钙最易与渗入的盐水发生化学反应，而粉煤灰的存在显著降低了混凝土中这两种物质的含量，因此降低了混凝土的劣化程度。但由于粉煤灰与水泥发生反应需要较长时间，粉煤灰含量过高，也会导致试件内部孔隙增多，加快侵蚀过程，因此20%含量粉煤灰混凝土试件表现出优于30%和10%含量试件的性能。

显色法表明，工况四(无粉煤灰)氯离子侵蚀深度最大，掺加粉煤灰后混凝土试件的白色区域面积有所减少，但不明显，且掺量多少对氯离子侵蚀深度的影响不大。粉煤灰加入到混凝土中，发挥其微集料效应增加了混凝土的致密性。

4、干湿循环制度影响

研究干湿循环制度的影响时，通过对比相同试验天数试件的评价指标，来反应混凝土的劣化程度。试验过程中，混凝土试样的原料制备参数与工况四相同，不同干湿循环试验结果表，见表6。随试验进行，混凝土试件的抗压强度耐蚀系数及质量均出现增加，与前述章节类似，试件中结晶过程增强了试件的物理特性。而随着试验进行，混凝土逐渐劣化，干湿比越大，其抗压强度耐蚀系数降低越多，质量损失也越大。这说明其劣化过程与干燥时常相关，混凝土盐水浸润后再与空气长时间接触，令试件内部的结晶更大，化学反应也更充分，造成的破坏更严重。

表6不同干湿循环试验结果表

5、结论

本研究设计了混凝土不同材料的配合比以及干湿循环制度下混凝土试件的劣化试验，借鉴常规劣化研究采用的评估方法，对海水干湿循环下混凝土的耐久性进行分析研究。结果表明，混凝土水胶比和粉煤灰对其性能有影响，掺加适当含量的粉煤灰和采用较小的水胶比可以提升混凝土的抗侵蚀能力。研究结果可以为工程建设提供指导。

参考文献:

[1]柏志文,于芳,王珠江,等.海水侵蚀环境下混凝土耐久性的研究[J].河南建材,2019(02):72.

[2]文星.干湿循环作用下透水混凝土力学性能试验研究[J].水利科学与寒区工程,2024,7(03):30-32.

[3]陈浩.干湿循环条件对水工混凝土耐久性能影响规律研究[J].内蒙古水利,2023(10):13-15.

[4]杨海成,唐云,李超,等.海工混凝土干湿交替区域的氯离子侵蚀研究进展[J].水运工程,2010(10):26-31.

[5]王会.冻融与复合盐耦合作用下活化煤矸石粉混凝土劣化规律[J].连云港职业技术学院学报,2023,36(02):1-5.

[6]许凯,边策.干湿循环条件下混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究[J].四川水利,2011,32(06):21-25.

[7]马蕾,温勇,张文艺,等.干湿循环作用下灌注性水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀研究[J].新型建筑材料,2019,46(03):36-40.

[8]韩刚,王学志,孔祥清,等.海水､海砂､粉煤灰混凝土早期立方体抗压强度研究[J].混凝土,2022(08):25-28.