水工混凝土渗透溶蚀试验研究.pdf

第1 0 卷 第1 期 中国水利水 电科学研究 院学报 v 。 1 1 0 N o 1 2 O 1 2年 3月 J o u r na l o f Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r Re s e a r c h Ma r c h, 2 01 2 文章编 号： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 6 3 0 6 水 工混凝土渗透溶蚀试 验研究 孔祥芝， 纪国晋， 刘艳霞，刘晨霞 ( 中国水利水电科学研究 院 结构材料研究所 ，北京1 0 0 0 3 8 ) 摘 要：对水工混凝土 的压力渗 水规 律 ，渗透水样钙离子浓度 、p H值变化 以及渗透溶蚀作用下混凝 土性 能衰减规 律进行 了试验研究 。结果表 明：振捣密实、养护充分 的水工混凝土具有很高 的抗渗透溶蚀 能力 ，有 白愈特性 ；溶 蚀早期 ，钙 溶出量与渗水 量呈线性关系 ，渗透水钙离子浓度 、p H值和 电导率稳定 于某一 范围 ；混 凝土性能衰减 与 氢氧化 钙溶 出率可进 行线性 拟合 ，氢氧化 钙溶 出 5 1 3 ，抗压强 度 、劈拉 强度 和弹性模 量分别 下降 2 2 4 、 7 9 5 和4 1 0 ，其 中，劈拉强度下 降最 明显 。 关键词 ：水工混凝 土；渗透溶蚀 ；性 能衰减 ；渗水规律 ；自愈 中图分类号 ：T V 4 3 1 文献标识码 ：A 1 研究背景 溶蚀 ，也称溶出性侵蚀，是指当混凝土受到环境水的不断溶淋作用，特别是压力水的渗透性溶淋 作用时，混凝土内的氢氧化钙将随水陆续流失，当液相石灰浓度低于其极限浓度时，晶体氢氧化钙将溶 解并随水流失，溶液中的石灰浓度继续不断降低时，则水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙中的钙 也将相继溶解流失 ，最终导致混凝土结构破坏的过程。文献 2 引用 A A 贝克夫的观点，“ 这种破坏是 由 波特兰水泥的本质所决定的，破坏过程从水泥制品刚浸入水中就立即开始” 。实地调查表明 ，渗漏 、 溶蚀是水工混凝土建筑物最为普遍 的病害之一 ，2 0 世纪 8 0 年代全 国水工混凝土耐久性及病害调查表 明，在调查的3 2 座大坝中，每座大坝均存在不同程度的渗漏 ，并引起溶蚀病害。 有关溶蚀作用下混凝土性能的衰减规律 ，此前主要针对水泥净浆 、砂浆孔结构 、混凝土抗压强 度、抗拉强度和吸水率等性能开展试验研究 一 ，弹性模量作为混凝土性能评价与结构计算的重要参 数 ，并没有相关试验数据。有关溶蚀作用下钙离子溶出规律的研究 ，对于接触溶蚀 ，研究者基于不同 理论提 出一些建立在扩散或溶解一 扩散双重控制基础之上的数值模型 ，并采用加速试验进行验证 ； 对于渗透溶蚀 ，文献 2 提出了理论模型，指出软水在压力作用下对混凝土的浸析过程，即石灰的溶解 和析 出过程 ，可以分为3 个阶段 ：钙溶出量受渗水量控制阶段 ，溶蚀逐渐受氢氧化钙扩散系数控制阶 段 ，最终完全由氢氧化钙扩散系数控制阶段。由于渗透溶蚀进程非常缓慢 ，试验模拟十分 困难 ，上述 模 型缺乏 相关 试验数 据 。 本文利用大比尺混凝土 自动控制抗渗试验仪 ，针对水工混凝土大水胶 比、低胶凝材料用量的特 点 ，进行大尺寸试件渗透溶蚀试验 ，测定受溶蚀作用混凝土的抗压强度 、劈拉强度和弹性模量 。另 外 ，通过混凝土配合 比设计 、渗透溶蚀系统防碳化保护 、合理选择溶蚀介质和选用大尺寸试件等措 施 ，能够避免以往采用小试件时 ，由于混凝土自愈和后期强度增长致使渗透溶蚀 自动终止的现象 “ 。 2 试验设计 2 1 技术路线 利用大比尺混凝土 自动控制抗渗试验仪 ，采用逐级加压法对大尺寸试件进行渗透溶 收稿 日期 ：2 0 1 I - 0 3 0 2 基金项 目：水利公益性行业科研专项经费项 目( 2 0 0 7 0 1 0 4 1 ) 作者简介 ：孔祥芝( 1 9 8 0 - ) ，男 ，山西 大宁人 ，工程师 ，主要从事水工混凝土材料耐久性研究 。E - m a i l ：k o n g x z i w h r c 0 一 63 水工混凝 土渗透溶蚀试验研究孔祥芝 纪国晋刘艳霞刘晨霞 蚀。溶蚀介质选用去离子水 ，同时在试验系统进 出水 口设置保护 ，防止水样碳化。溶蚀初期 ，混凝 土主要是氢氧化钙溶 出，其它产物 中的钙溶 出很少 ，因此 ，试验 中钙溶 出率用氢氧化钙溶 出率表 示 ，溶蚀前混凝土 中氢氧化钙含量利用同配比相同养护制度下净浆热分解失重( T G) tJ 定结果进行计 算。试验测定渗透水样的钙离子浓度、p H值和电导率。对大尺寸试件进行钻芯，检测不同氢氧化钙 溶出率时混凝土芯样的抗压强度、劈拉强度和弹性模量。 2 2 原材料及混凝土配合比 试验采用 4 2 5中热硅酸盐水泥 ，I 级粉煤灰 ，化学成分分析结果列于 表 1 。骨料采用天然卵石粗骨料 ，人工砂 ，最大骨料粒径 4 0 m m，砂细度模数2 8 1 。外加剂采用萘系 缓凝高效减水剂 和松香类引气剂。溶蚀水满足 电子级水 ( G B T 1 1 4 4 6 1 1 9 9 7 ) 中E W I I I 级水技术要 求。试验混凝土水泥用量 1 2 3 5 k g m ，1 8 o d 期抗压强度2 3 3 M P a ，混凝土配合 比见表2 。 表 1 水 泥、粉煤灰化学成分 分析 ( ) 3 试验结果与分析 成型圆柱体、棱柱体大试件各 3 块 ，每种规格取一块作为基准 ，其余进行渗透溶蚀 ，试验结果列 于表 3 。经 4 4 9至7 9 8 d 不等的加压渗透溶蚀 ，试 件累计渗水量 1 5 2 7 6 L ，收集渗透水样 1 2 8 个 ，渗 透水钙离子浓度 1 1 0 6 3 1 3 m g L ，p H值 1 1 5 1 2 7 。与试验混凝土同配 比相同养护制度 的净浆热分解 失重( T G ) 测试 结果 如图 1 所示 ，根据浆体失重 1 2 6 ，计算得氢氧化钙含量为浆体 中水 泥质量 的 1 2 4 。试验 昆 凝土氢氧化钙溶出率计算结果见表 3 。 1 0 0 9 5 堡9 0 1 垂 l1 8 5 8 0 O8 0 6一 蛊 ； 0 4 蕞 0 2 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 温度， 图 1 净浆热分解失重测试结果 3 1 压 力水渗透规律 图2为每块试样 的压力水渗透参数 随时间变化 曲线 ，图中横坐标为渗水历 时 ，第一、二 、三纵坐标分别为水压力 、累计渗水量和渗水流量。由图 2 可知 ，随着渗透历时的增 长 ，逐步提高水压力 ，渗水流量不断减小。 依据 水工混凝土试验规程) ( S L 3 5 2 2 0 0 6 ) 计算 2 试件渗透系数 ，结果见表4 。混凝土渗透系数由 0 8 1 1 0 。 m s 降至 0 0 9 x 1 0 。 m s 。 以上试验结果表明 ，渗透溶蚀过程中混凝土渗水流量和渗透系数明显减小 ，分析认 为主要与混 凝土 自愈特性有关 ，另外 ，溶蚀水压力增大可能会导致混凝土内部结构密实，抗 渗性提高。由于试 验最 大 水 压力 约 为混 凝 土抗 压 强度 的 2 0 ，再加 试 验 混凝 土具 有 一定 的刚度 ，试 件 与模 套 间 的密封 6 4 - 水工混凝土渗透溶蚀试验研究孔祥芝 纪国晋刘艳霞刘晨霞 表 3试验结果 注 ：根据渗水量和钙离子浓度计算每份水样的钙离子含量 ，累加求得每块试件 的钙离子溶出量 ，折算为氢氧化钙溶 出量 。 重 畲 篙 渗水历时 d ( a ) 2 渗水历时 d ( c ) 5 咖 蔷 略 O 8 O6 04 O 2 O O 1 2 O 1 0 0 0 8 o 0 6 蒌 0 4 0 0 2 O 5 0 4 0 3 0 R 翼 z o l O 善 - R 出 篙 O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 0 渗水历时， d ( b ) 3 4 6 嘴 图2 压力水渗透参数变化 表 4 2 试件渗透系数 渗水历时 d ( d ) 6 O 6 0 4 鲫 媚 螽 O 0 1 0 0 O 8 0 0 6 0 0 4 O 0 2 0 材料对混凝土泊松比引起 的横向微应变具有一定 的释放作用 ，因此 ，水压力增大对混凝土渗透性能 的影 响非 常有 限 。 此前也有大量试验数据和工程实例证实混凝土具有 自愈能力 ，并提出一些 自愈机理 。针对 试验混凝土 ，发生上述 自愈 现象可能有 以下原因 ：( 1 ) 试验时胶凝材料水化仍在进行 ，尤其是粉煤 一 6 5 一 一 p ) 鼹篙 一 p 1 ) 阚 一篙 5 4 3 2 l B d R坦 ； 淼 胶 凝 材 料 颗 粒 重 罢 渗 透 水 样 的 3 2 齿 钙 离 嚣 誓 耋 受 磊 焉 薹 控 耋 学 茎 詈 茎 羹 享 磊 置 吴 体 竺 耋 票 耄 较 蓑 器 日寸 尝 季 翟 茎 薹 蓄 翠 王 醌 氢氧化钙的溶解作用控制 ，与渗透水的运动速度 ，渗径等 累 天。 邑 越 燃 褪 球 渗水历时 d 图 3 渗透水样钙离子浓度变化 曲线 混凝土累计渗水量， ( L m ) 图 5 渗透水样p H值变化 曲线 累计渗水量 ( L m ) 图 4 钙离子溶出量 与渗水量关 系曲线 3 茹 _ _ - - _ _ 2 6 团 要 l l 褥 r l： l 曲 l r z l 2 o 单方混凝土累计渗水量 ( L m ) 图6 渗透水样电导率变化曲线 一 6 6 一 图 7 钙溶出率一 抗 压强度关 系 图8 钙溶 出率一 劈拉强度关 系 水工混凝土渗透溶蚀试验研究孔祥芝 纪国晋刘艳霞刘晨霞 委 鬈 图9 钙溶 出率一 弹性模量关 系 强度 、劈拉强度 和弹性模量均在降低 。混凝土性能与氢氧化钙溶出率之 间可以进行一元线性拟合 ， 根据拟合方程 ，氢氧化钙溶出5 1 3 ( 试验最大溶出率) ，混凝土抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量 分别下降2 2 4 、7 9 5 和 4 1 0 。相 比之下 ，劈拉强度对渗透溶蚀作用最为敏感 ，其次是弹性模量 和抗压 强度 。 4 结论 ( 1 ) 试验混凝土水胶比0 6 8 ，粉煤灰掺量 3 0 ， 过程中仍有较强的 自愈特性 ，渗透系数明显减小 ， 有很高的抗渗透溶蚀能力。 1 8 0 d 龄期抗压强度 2 3 3 MP a ，在压力水渗透溶蚀 由此 可 见 ，振 捣密 实 ，养 护充 分 的水 工混 凝 土具 ( 2 ) 经 4 4 9 7 9 8 d 不等的加压渗透溶蚀 ，氢氧化钙累计溶出 5 1 3 ，渗透水 p H值仍在 1 2 5以上 ， 电导率在 2 5 3 3 2 3 s m之间，钙离子浓度基本稳定在 4 3 5 7 6 3 1 3 m g L 之间 ，钙离子溶 出量受渗水量 控制 ，证实了 B M 莫斯克文的理论模型中有关渗透溶蚀作用下钙离子溶出第一阶段的特征。需要说 明的是 ，渗透水钙离子浓度和溶出速率主要受混凝土 中游离态和晶体氢氧化钙的溶解作用控制 ，与 渗透水运动速度 、渗径等因素有关。 ( 3 ) 文 中利用热重分析测试结果 ，较准确的计算出基准混凝土中的氢氧化钙含量 ，为氢氧化钙溶 出率的确定提供 了计算基准。经渗透溶蚀作用的混凝土芯样试验结果表明，氢氧化钙溶出5 1 3 ，混 凝土抗压强度、劈拉强度和弹性模量分别下降 2 2 4 、7 9 5 和 4 1 0 ，弹性模量降低速率介于劈拉 强度和抗压强度之间。由此可见 ，遭渗透溶蚀作用的混凝土 ，各性能之间的关系会发生改变 ，混凝 土趋于变脆 ，刚度降低 。 参 考 文 献： 水利水 电科学研究院结构材料研究所 大体积混凝土 M 北京 ： 水利电力 出版社 ， 1 9 9 0 ： 1 9 8 1 9 9 莫斯克文 B M， 等 混凝 土和钢筋混凝土 的腐蚀及其防护方法 M 倪继 淼 ， 等 ， 译 北京 ： 化学工业 出版 社 ，1 9 8 8 ： 8 4 1 1 5 李金玉 ， 曹建国 水工混凝土耐久性 的研究和应用 M 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 4 ： 1 6 8 2 1 8 邢林生 ， 聂广明 混凝土坝坝体溶蚀病 害及治理 J 水力发电， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 6 0 6 3 Ch fis t o p he Ca r de，Ra o u l Fr a nc oi sMo d e l l i n g t he l o s s o f s t r e ng t h a n d po r o s i t y i nc r e a s e d u e t o t he l e a c h i n g o f e e me n t p a s t e s 【 J J C e me n t C o n c r e t e Co mp o s i t e s ，1 9 9 9， 21 ：1 8 1 1 8 8 杨虎 ， 蒋林 华 ， 等 基 于溶蚀 过程 的混凝 土化 学损 伤研 究综 述 J 水 利水 电科技 进展 ， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 1 ) ： 8 3 -89 Ka z u ko Ha g a，S hu nk i c h i S u t o u，e t a 1Ef f e c t s o f p or os i t y o n l e a c hi ng o f Ca f r o m ha r d e n e d o r di na r y Po r t l a nd c e me n t p a s t e 【 J JCe me n t a n d Co n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 5， 3 5 ：1 7 6 4 1 7 7 5 方坤河 ， 阮燕 ， 等 混凝土允许渗透坡 降的研究 J 水利发电学报 ， 2 0 0 0 ( 6 9 ) ： 8 - 1 6 一 6 7 1i 1 i 1J 1J 1 2 3 4 5 6 7 8 rr rL rL 水工混凝土渗透溶蚀试验研究孔祥芝 纪 国晋刘艳霞刘晨霞 方永浩 ， 安普斌 ， 等 含裂缝水泥基材料 的渗透溶蚀及其 自愈 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 5 1 4 5 6 李新宇 ， 方坤河 水工碾压混凝土接触溶蚀特性研究 J 混凝 土， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 1 2 1 7 李新宇 ， 方坤河 水工碾压混凝土渗透溶蚀特性研究 J 长江科学 院院报 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 3 ) ： 2 7 3 1 碾 压混凝 土筑坝推 广领 导小组 碾压混 凝土筑 坝 设 计与施 工 M 北京 ： 电子工 业 出版社 ，1 9 9 0 1 58 -1 59 Re s e a r c h o n l e a ka g e di s s o l ut i o n o f hy dr a ul i c c o nc r e t e K O N G X i a n g - z h i ，J I G u o - j i n ，L I U Y a n x i a ，L I U C h e n x i a ( D e p a r t m e n t o f S t r u c t u r e s a n d Ma t e r i a l s ，I W H R，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 。C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e c h a ng e s o f c o n c r e t e pe r me a b i l i t y a n d t he me c h a ni c a l pr o pe r t i e s o f h y d r a ul i c c o nc r e t e d ue t o l e a k a g e d i s s o l u t i o n， a s we l l a s t h e Ca 2 c o n c e n t r a t i o n a n d p H v a l u e c h a ng e s o f t h e l e a ka g e wa t e r a r e s t ud i e d i n t h i s p a pe r The r e s u l t s s h o w t h a t hy dr a u l i c c o n c r e t e wi t h go o d v i b r a t i o n a nd c u r i n g h a s a h i g h r e s i s t a n c e t o l e a k ag e di s s o l ut i o n a n d t h e s e l f -h e a l i ng pr o pe yI n t h e e a r l y l e a ka g e pe r i o d，t h e r e i s a l i ne a r r e l a t i o n s hi p b e t we e n l e ac hi ng a mo u nt o f Ca “ a n d t he a mo u nt o f s e e p a g e wa t e r a n d a l s o t he Ca “ c o nc e nt r a t i o n， p H v a l u e a n d e l e c t r i c c o n du c t i v i t y o f s e e pa g e wa t e r a r e c ha n g i n g i n a s t a b l e r an g e Li ne a r f i t t i n g c a n b e p e rfo r me d b e t we e n t h e p e rfo r ma n c e d e g r a d a t i o n o f h y d r a u l i c c o n c r e t e a n d Ca ( OH) 2 l e a c h i n g p e r c e n t a g e Wi t h t he c a l c i u m h y dr o x i d e l e a c h i n g a mo un t o f 5 1 3 ， t he c o mpr e s s i v e s t r e n g t h， s pl i t t i ng t e ns i l e s t r e n g t h a nd e l a s t i c mo d ul u s d e c r e a s e b y 2 2 4 ， 7 9 4a nd 4 1 0 ， r e s pe c t i v e l y， o f wh i c h t h e s pl i t t i n g t e n s i l e s t r e ng t h i s t h e mo s t s e n s i t i v e pr o pe rty Ke y wor ds ： h yd r a u l i c c o nc r e t e； l e a ka g e d i s s o l u t i o n； p e rfo r ma n c e de g r a d a t i o n； pe r me a b i l i t y； s e l f -he a l i n g ( 责任编辑 ：王冰伟) ( 上接 第6 2 页 ) Ap p l i c a t i o n o f Xi n a n j i a n g Mo d e l o n f o r e c a s t i n g o f s o i l mo i s t u r e c o n t e n t DE NG Ha i y i n g 。 ，Z HANG J i a n l i ，L I J i r e n ( 1 G u a n g x i H y d r a u l i c a n d E l e c t r ic P o l y t e c h n i c ，N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ，C h i n a ； 2 C h i n aI n s t i t u t e o fW a te r R e s o u r c e s a n dH y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Dr o u g h t ha s i n f l u e n c e d t he ba l a nc e o f n a t u r e a nd s us t ai na bl e d e v e l o pme n t o f hu ma n s o c i e t y i n r e c e n t ye a r s So i l mo i s t ur e c o nt e n t f o r e c a s t i n g i s a n i mpo rta n t p a rt f o r d r o ug h t ma n a g e me n t Xi na n j i a n g mo d e l i s i n t r o d u c e d t o s o i l mo i s t u r e f o r e c a s t i n g a f t e r t h e a n a l y s i s o f c u r r e n t mo d e 1 Xi n a n j i a n g mo d e l i s c o n s t r u c t e d b a s e d o n wa t e r b a l a n c e T h e mo d e l i s a p p l i e d t o He l o n g j i n a g p r o v i n c e T h e r e s u l t s s h o w t h a t f o r e c a s t i n g v a l u e s a r e i n a g r e e me n t wi t h t h e o b s e r v e d v a l u e s B e c a u s e t h e s t r u c t u r e o f Xi n a n j i a n g mo d e l i s s i mp l e， p h y s i c a l me a n i n g i s c l e a r a n d p a r a me t e r s a r e e a s y t o a d j u s t ，i t i s f e a s i b l e t o a p p l y t h e mo d e l t o f o r e c a s t i n g s o i l mo i s t u r e c o n t e n t Ke y w o r d s ：X i n a n j i a n g m o d e l ；s o i l mo i s t u r e c o n t e n t ；d r o u g h t f o r e c a s t i n g 一 6 8 一 ( 责任编辑 ：韩昆) ；1 J 9 m n rl rL