粉煤灰对盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的影响分析_王琢珺.pdf

粉煤灰对盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的影响分析王琢王君（朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000）摘 要本文通过室内试验的方式，探讨了粉煤灰对盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的影响。试验结果显示，掺加15.00%的粉煤灰可以有效提升衬砌混凝土的整体性能，但对于盐类侵蚀比较严重的工程，并不建议掺加粉煤灰来提高混凝土的抗侵蚀性能和耐久性。关键词粉煤灰；盐渍区；衬砌混凝土；劣化性能中图分类号 TV431文献标识码A文章编号 10020624（2023）030046030 引言输水隧洞等水工领域的地下洞室工程往往采用衬砌结构进行围护。在工程运行过程中，衬砌混凝土需要长期接触有水环境，受到水中各种腐蚀介质的影响。在我国的东部沿海和西北部地区的盐渍区，水体中不仅含有较多的氯离子，同时也存在较多的硫酸根等腐蚀离子1。因此，上述地区的输水隧洞建设和运行，不仅需要考虑氯离子的腐蚀作用，还应该考虑氯离子和硫酸根离子的共同作用。在上述双因素的侵蚀影响下，不仅会造成衬砌混凝土的损伤，还会造成钢筋的锈蚀2。因此，研究复合盐侵蚀作用下水工混凝土结构的劣化作用，具有十分重要的意义。粉煤灰作为一种水工混凝土常用矿物掺合料，不仅可以有效减少水泥用量，减少水泥生产过程中的大气和环境污染，同时还能改善混凝土的性能3。王海彦等认为衬砌混凝土受硫酸盐侵蚀破坏的主要原因是硫酸根离子和混凝土内的氢氧化钙发生反应，生成有破坏作用的石膏或钙矾石。因此，在混凝土中掺加一定量的矿物掺合料，可以有效减少混凝土内氢氧化钙的形成，减少二次水化作用的影响，降低混凝土的硫酸盐侵蚀4。从目前的研究成果来看，该领域的大部分研究仅考虑单一盐类的影响，而粉煤灰在硫酸盐和氯盐复合作用下的性能尚不明确。基于此，本文通过室内试验的方式，研究粉煤灰对盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的影响，以便为相关工程设计和建设提供有益的支持和借鉴。1 试验材料与方法1.1 试验材料试验中使用丹东振东建材有限公司的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其密度为2 790 kg/m3，初凝和终凝 时 间 为 158 min 和 238 min，标 准 用 水 量 为27.20%，28 d抗压强度和抗折强度分别为7.3 MPa和 48.5 MPa。粉煤灰选择本溪电厂一级粉煤灰，其结构以球形为主，大小不一，表面光滑，其筛余量为4.80%，需水量为92.00%，密度为2.1 g/cm3，含水率为 0.04%。试验用砂为普通河沙，含水率为2.40%，含泥量小于1.50%，泥块含量小于0.50%，其细度模数为2.63，为中砂。试验用石子为人工石灰东北水利水电水利科研2023年第3期 46DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.03.014岩碎石，其粒径范围为5.031.5 mm，颗粒级配良好，压碎率小于12.50%，表观密度为2 863 kg/m3，含泥量为0.47%。试验用水为普通自来水，减水剂为聚羟酸高效减水剂，其形态为液态，固含量为65.00%，减水率超过30.00%。1.2 试件方案试验中选择水工隧洞衬砌施工常用的C30混凝土进行配合比设计，其材料的每立方米用量分别为水泥380.0 kg、水152.0 kg、砂747.0 kg、石子1 101.0 kg、减水剂1.5 kg。在上述配比的基础上，掺加一定量的粉煤灰替代水泥，掺加比例按照水泥用量的0%，15.00%，30.00%确定试验方案。1.3 试验方法试验中，首先按照试验方案确定的配合比称量好各种材料用量，并进行混凝土的配制，将制作好的混凝土倒入150.0 mm150.0 mm150.0 mm的立方体试模，人工插捣密实后，再放到振动台上振动30 s成型5。将成型的试件在室内环境下静置24h拆模编号，然后放入标准养护室养护至28 d龄期备用。在试件制作过程中，每种试验方案制作4个试件，其中3个试件用于试验，1个试件备用。将3个试件试验结果的均值作为最终试验结果。在试验设计过程中，结合盐渍区水利工程的运行实际，分别考虑盐类侵蚀、干湿循环及冻融循环 3 个主要因素对混凝土耐久性的影响6。鉴于目前还没有盐侵、冻融、干湿因素作用下的试验标准，因此，试验中主要依据 GB/T 50082-2009 普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准 中的相关要求，展开盐类侵蚀作用下的耐久性试验。侵蚀溶液分别选择清水、5.00%硫酸钠溶液及5.00%的硫酸钠和氯化钠复合溶液7。在试验过程中先进行6次冻融循环，每循环在-15 条件下冻结2 h，然后在6 条件下融化2 h；再进行6次干湿循环，在80 条件下烘干12 h后冷却1 h，然后再浸泡11 h，作为一次完整的大循环。试验中，选择质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量作为劣化的判断指标8。其中，试件质量利用电子秤测量，抗压强度利用YAW-2000型压力机进行测试，相对动弹模量使用动弹性模量仪进行测定。2 试验结果与分析2.1 清水试验利用清水侵蚀试验条件下获得的试验数据，整理计算出不同方案和不同大循环次数下试件的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量，结果如表1所示。由试验结果可以看出，随着循环试验次数的增加，混凝土的质量损失率呈现出先增加后减小，再逐渐增大的变化趋势。究其原因，主要是随着试验中水分的侵入，混凝土的整体性能受到影响，造成质量损失率增加，而水分的不断侵入并填充混凝土内部孔隙，质量损失率有所减小，之后混凝土出现明显的损伤，因此质量损失率逐渐增加。从不同粉煤灰掺量水平来看，大循环试验后期15.00%掺量水平的质量损失率最小，而掺加量为30.00%时的质量损失率反而大于未掺加粉煤灰的方案。从抗压强度损失率和相对动弹模量的试验结果来看，粉煤灰掺量为15.00%时的抗压强度值最小，而相对动弹模量最大。表1 清水侵蚀试验结果2.2 5.00%硫酸钠溶液试验利用 5.00%硫酸钠溶液侵蚀试验条件下获得的试验数据，整理计算出不同方案和不同大循环次数下试件的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量，结果如表2所示。由试验结果可以看出，在5.00%硫酸钠溶液的侵蚀作用下，混凝土的质量损失率呈现出先减小后增大直至破坏的变化特征。究其原因，主要是随着盐离子渗入混凝土大循环次数012345678质量损失率/%0%00.450.040.270.931.392.493.013.7215.00%00.34-0.24-0.140.781.082.142.493.0530.00%00.620.290.621.442.203.103.814.46抗压强度损失率/%0%0-11.78-19.33-8.742.005.1314.4519.5138.6515.00%0-11.44-15.51-19.16-7.98-2.192.238.8424.0530.00%0-8.86-11.70-2.197.5114.8624.0933.6961.96相对动弹模量0%1.000.820.780.750.730.720.700.680.6415.00%1.000.860.800.780.760.760.750.740.7130.00%1.000.820.750.710.680.660.640.610.592023年第3期水利科研东北水利水电 47收稿日期 2022-06-14内部，并发生一系列的物理化学变化填充内部孔隙，造成质量损失率减小，而随着盐离子的不断渗入，加上干湿交替及冻融变化的影响，混凝土劣化逐渐明显，质量损失率迅速增加。试验中的抗压强度和动弹模量变化与清水中的规律基本一致，但是变化幅度更大，且随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度损失越大，相对动弹模量越小。由此可见，掺加15.00%粉煤灰的混凝土，在试验前期表现出较好的抗硫酸盐侵蚀性能，但是随着大循环次数的不断增加，其损伤劣化反而更大。显然，粉煤灰并不是水泥，用其替代水泥会使混凝土酥脆，造成混凝土的外表更容易被侵蚀。表2 5.00%硫酸钠溶液侵蚀试验结果2.3 复合盐溶液试验利用复合盐溶液侵蚀试验条件下获得的试验数据，整理计算出不同方案和不同大循环次数下试件的质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹模量，结果如表3所示。由试验结果可以看出，在复合盐溶液侵蚀作用下，混凝土的质量损失率、抗压强度损失率呈现出先减小后增大的变化趋势，相对动弹模量呈现出不断减小的变化特点。另一方面，在混凝土中掺加一定量的粉煤灰，有助于提高循环次数较少时混凝土的抗复合盐侵蚀能力，但是在循环次数较多时反而不利于混凝土抗侵蚀能力的提升。3 结 语在水工混凝土结构服役过程中，由于受到外部不利环境因素的影响而产生比较明显的性能劣化，从而影响工程安全和服役年限。粉煤灰作为重要的混凝土矿物掺合料，对改善混凝土性能和耐久性具有积极意义。此次试验研究探讨了粉煤灰对盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的影响规律，并提出了相关的工程建议。研究结论可以为相关理论研究和工程建设提供有益的支持和借鉴。当然，水工混凝土服役环境复杂多变，矿物掺合料的种类也较多。因此，今后的研究中需要进一步扩大范围，针对不同种类的矿物掺合料进行单掺和复掺对比实验，以获取改善盐渍区输水隧洞衬砌混凝土劣化性能的最优方案。参 考 文 献1刘丽梅，杜丞.复掺粉煤灰+改性硅灰高性能水工混凝土试验研究 J.中国水能及电气化，2021（8）：28-32.2陈远奇.氯盐侵蚀作用下水工粉煤灰混凝土徐变特征研究 J.水利技术监督，2021（10）：138-141.3庄华夏，蔡跃波，陈迅捷，韦华.杂散电流与硫酸盐耦合作用下混凝土氯离子扩散性能研究 J.混凝土，2020（3）：49-53.4张惠忠.夏特水电站水工混凝土抗硫酸盐侵蚀耐久性试验研究 J.西南民族大学学报（自然科学版），2020，46（4）：415-422.5郝文新.矿物掺和料水工混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究 J.四川水利，2020，41（4）：24-26.6东智锋.纳米掺合料对喷射混凝土性能影响室内试验研究 J.长江技术经济，2020，4（S2）：205-207.7孙刚锋，缑彦强.冻融循环及硫酸盐侵蚀对混凝土耐久性的影响研究 J.水利与建筑工程学报，2018，16（6）：140-144.8盛金昌，贾春兰，张羽，詹美礼，李建会.水工混凝土渗流侵蚀渗透试验研究 J.水力发电学报，2013，32（6）：216-221.大循环次数012345质量损失率/%0%0-0.16-0.610.291.243.3615.00%00.42-0.07-0.110.494.7730.00%0-0.01-0.290.862.195.45抗压强度损失率/%0%0-18.25-7.2516.4340.7450.2615.00%0-19.49-17.446.9043.9460.0530.00%0-24.09-7.5122.3652.5064.80相对动弹模量0%1.000.860.830.780.750.7115.00%1.000.860.840.820.770.6630.00%1.000.850.790.730.670.60大循环次数012345质量损失率/%0%00.390.070.331.452.8215.00%00.41-0.260.951.225.4630.00%0-0.48-0.34-0.470.926.18抗压强度损失率/%0%0-8.25-5.3217.2930.5044.1015.00%0-19.2916.2018.6728.5652.5930.00%0-14.823.7124.0944.1863.73相对动弹模量0%1.000.860.810.780.750.7015.00%1.000.860.830.790.760.6730.00%1.000.850.780.720.680.62表3 复合盐溶液侵蚀试验结果东北水利水电水利科研2023年第3期 48