干湿-冻融循环交替耦合作用下水工混凝土中氯离子渗透性能试验研究

王贺楠

(盘锦禹泰水利工程质量检测有限公司，辽宁 盘锦 124200)

对于北方沿海地区特别是水位变化区的水工混凝土结构耐久性，其关键影响因素有氯盐侵蚀、干湿循环和冻融循环等[1-3]。目前，研究水工混凝土耐久性受多种因素耦合作用的还较少。所以，探讨水工混凝土受干湿-冻融循环交替耦合作用下的氯离子侵蚀过程，并进一步揭示有害离子侵蚀与孔隙率之间的关系，对于改善水工混凝土耐久性和延长工程结构服役年限等具有重要意义。

1 原材料性能

试验采用天瑞P·MH 42.5级中热硅酸盐水泥，矿物掺合料选用绥中电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，粗、细骨料选用粒径5～20mm和20～40mm两种级配碎石及灰岩人工砂，石粉含量可忽略不计，外加剂利用海韵BT-4012型高效引起减水剂，经检测各原材料性能均符合现行标准要求，以自来水作为拌合水和养护水。

1)基准组：设计基准混凝土水胶比0.40，含气量4.5%，坍落度60mm，砂率32%，标号等级C30W6F200，基准混凝土配合比，见表1。

2)单掺组：轻烧氧化镁掺量3%，束状单丝聚丙烯纤维掺量1kg/m3，纤维长度10～20mm。

3)双掺组：以基准组为原则双掺1kg/m3聚丙烯纤维和3%轻烧氧化镁。

表1 基准混凝土配合比

2 试验方法

2.1 制备试件

干湿-冻融循环交替耦合试验统一选用标准抗冻试件，试件制备与养护流程为：①按照设计配合比依次称量所取原材料，然后遵循先粗、细骨料，再凝胶材料、掺合料，最后外加剂与水混合液的顺序向搅拌机内投料；②设定搅拌时间180s，搅拌均匀后倒出拌合物，分层装入预先准备好的模具，机械振捣密实后室内静置24h；③成型后脱模，将试件放入标养环境中(湿度≥95%、温度20℃±2℃)养护至规定龄期28d。

试验过程中，先从标养室取出试件并放入烘箱烘至恒重，设定烘箱温度80±5℃，然后取出自然冷却至恒温，采用环氧树脂密封5个表面(除成型面)，以防外界的氯离子、水分与其它表面发生交换，确保氯离子沿单一成型面向混凝土内部渗透。

2.2 干湿-冻融耦合作用

考虑到现行规范尚未统一规定干湿-冻融循环交替耦合试验方法，所以按照先冻融循环、再干湿循环的方式进行试验。目前，主要有确定一定连续次数的干湿-冻融为一个大的耦合循环(方法一)、单次干湿-冻融循环耦合(方法二)两种[4-5]。对于自然完整年，在夏季和秋季混凝土仅受干湿循环作用，而在春季和冬季混凝土仅受冻融循环作用。所以，为更加真实地模拟自然环境下水工构筑物的服役状态，选择一定连续次数的干湿-冻融循环为一个大的耦合循环更加接近实际情况。除特殊说明，文章均利用“方法一”测试干湿-冻融循环试验数据。

现场和室内环境下，混凝土经受的单次冻融循环明显不同，现场环境一年中经历的冻融循环次数选择年均等效冻融循环次数neq，具体表达式为[6]：

neq=K×nact/S

(1)

式中：K为混凝土受冻融循环时的饱含水时间比例系数；S为室内外冻融条件下冻融损伤比例系数；nact为年均现场冻融循环次数。

北方地区现场环境累积年均正负温交替次数利用中国气象局统计的历史气象数据确定，即(80～100)次/a。由于负温天气持续时间较长，将现场年冻融循环次数进行修正调整后取nact=(100～120)次/a，考虑试验目的取最大值nact=120次/a。此外，饱含水比例系数K、室内外冻融损伤比例系数S取1和8.25～15.10，代入数据，经计算室内等效现场年冻融循环次数neq为(7.95～14.55)次/a，故取最大值14.55次/a，取整数15次/a。所以，一次干湿-冻融循环交替耦合试验为先15次连续冻融(2.5d)再15个连续干湿循环(30d)。

2.3 测定氯离子含量

对于不同深度处的自由氯离子含量考虑利用化学滴定的方式进行测试，并用质量百分比代表自由氯离子含量[7-10]。依据JTST 236-2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》有关要求，深度>10mm时，每隔5mm测试一次；深度≤10mm时，每隔2mm测试一次。

2.4 测定孔隙率

水工混凝土是一种由多种材料复合而成的多孔结构，其抗氯离子侵蚀和抗冻性能主要取决于孔隙率的分布及其大小[11]。对于混凝土孔隙率φ考虑利用浸泡法进行测试，计算公式为：

(2)

式中：ρc为试件饱水后的密度；ρw为常温下水的密度，g/cm3；mc、m0为试件的饱水质量和干燥质量，g。

3 结果与分析

3.1 混凝土孔隙率

将水工混凝土试样依照设计流程进行干湿-冻融循环交替耦合试验，干湿-冻融循环达到预定次数后取出，并利用钢锯将试件切割两部分，分别用于试样孔隙率和不同深度处氯离子含量的测定[12]。在达到干湿-冻融循环预定次数后，计算测得混凝土吸水率和孔隙率，方法一测试的混凝土孔隙率，见表2。此外，为进一步比较“方法一”和“方法二”的区别，文章利用“方法二”测试30次干湿-冻融耦合作用的混凝土孔隙率，方法二测试的混凝土孔隙率，见表3。

表2 方法一测试的混凝土孔隙率

表3 方法二测试的混凝土孔隙率

由表2～3可知，对于一定连续次数的干湿-冻融为一个大的耦合循环试验，随着循环次数的增加所有试件的吸水率均表现出上升趋势。采用“方法一”测试基准混凝土的孔隙率，耦合循环1次、2次、3次、4次时的孔隙率较前次分别增大了0.64%、1.04%、1.11%、1.25%，主要规律如下：

1)从低到高混凝土孔隙率变化速率为：双掺组<单掺聚丙烯纤维组<单掺轻烧氧化镁组<基准组，随循环次数增加混凝土孔隙率均呈不断增大趋势。

2)轻烧氧化镁组与基准组的孔隙率相差不大，而聚丙烯纤维组与双掺组孔隙率变化相差不大，并且聚丙烯纤维组和双掺组的孔隙率增大速率整体小于轻烧氧化镁组、基准组的增大速率。由于混凝土孔隙率受短时间干湿循环的影响较小，故混凝土受冻融损伤产生的微裂缝是引起孔隙率变化的关键原因[13-14]。此外，掺轻烧氧化镁组和基准组的抗冻性能要小于掺聚丙烯鲜味足及双掺组，混凝土抗冻性能受外掺轻烧氧化镁的影响较低。

3)对比“方法一”和“方法二”测定的历经15冻融、30次干湿循环孔隙率发现，采用“方法一”测定的双掺组、掺聚丙烯纤维组、掺轻烧氧化镁组、基准组的孔隙率0.53%、0.57%、0.63%、0.64%。而利用“方法二”测定的孔隙率分别增加0.95%、1.05%、1.14%、2.32%；对于历经30次冻融、30次干湿循环的混凝土孔隙率，利用两种方法测试的结果也具有明显差异。因此，在冻融循环与循环次数相同的情况下，按“方法一”产生的混凝土损伤远小于“方法二”。所以，对于干湿-冻融循环下混凝土的抗氯离子性能，利用“方法二”测试结果要低于实际情况。

3.2 自由氯离子含量

干湿-冻融循环交替耦合作用下四种混凝土试件的氯离子浓度检测结果，氯离子含量分布图，见图1。研究表明，水工混凝土中的自由氯离子含量峰值，在经历一个耦合循环作用时向内延伸了一个测量距离。由于受耦合作用，冻融循环引起的混凝土损伤是促使氯离子向内侵蚀的决定因素，内部微观孔隙结构发生明显改变，裂缝开始贯通，从而加速了氯离子的渗透和扩散。

(a)基准组 (b)轻烧氧化镁组

在经历一次耦合循环后轻烧氧化镁组和基准组的自由氯离子峰值会深入一个测量距离，在经历3次耦合循环后聚丙烯鲜味足的自由氯离子峰值才向内延伸一个测量距离，双掺组经历4次耦合循环时的峰值深度仍未发生改变，只是氯离子含量峰值逐渐增加。可见，受干湿-冻融耦合作用时四种混凝土的抗氯离子侵蚀能力，从低到高排序依次为基准组<轻烧氧化镁组<聚丙烯纤维组<双掺组。

4 结 语

水工混凝土受干湿-冻融循环交替耦合作用时，其孔隙率变化速率与抗氯离子侵蚀性能直接相关，其抗侵蚀能力从低到高排序为基准组<轻烧氧化镁组<聚丙烯纤维组<双掺组。由于受耦合作用，冻融循环引起的混凝土损伤是促使氯离子向内侵蚀的决定因素，内部微观孔隙结构发生明显改变，裂缝开始贯通，从而加速了氯离子的渗透和扩散。

此外，采用不同方法测定的试验结果有所差异，对于干湿-冻融循环下混凝土的抗氯离子性能，利用“方法二”测试结果要低于实际情况。因此，复杂条件下必须选用合适的试验方法，才能保证混凝土耐久性试验结果精准度。