冻融与溶蚀交互作用下水工混凝土的劣化规律及原位监测

寒冷地区的水工混凝土结构，长期处于冻融和溶蚀环境交互作用下，从而引起混凝土材料物理、化学形态和细观结构的劣化，对结构耐久性不利。本项目针对这种特殊环境下不同用途(普通水工混凝土、碾压混凝土及面板混凝土)的水工混凝土劣化规律进行系统研究，通过研究适合水工混凝土结构服役状态原位监测的电阻率传感器的封装与测试技术，考虑冻融循环、溶蚀程度对不同配合比的混凝土耐久性劣化的影响，从微观结构、物相组成和物理化学理论等方面揭示其发生机理和危害程度；建立电阻率值与混凝土各耐久性参数的对应关系，分析基于电阻率传感器获得的交流阻抗图谱，确定水工混凝土劣化水平的评价指标，从而为优化水工混凝土耐久性设计和对实际结构的服役状况进行综合评价提供科学方法和理论依据。本研究的开展对于保证和提高我国寒冷及严寒地区此类特殊环境下水工混凝土工程的耐久性和安全性具有重要理论和实际意义。

水工混凝土的工作环境长期与水接触，因此混凝土的溶蚀及问题不可忽视。.第一部分主要研究了水胶比和膨润土、粘土掺量的变化对塑性混凝土工作性及力学性能的影响；同时通过采用电化学加速溶蚀的方法，对塑性混凝土在溶蚀过程中变化规律进行了研究，主要结果包括：（1）在进行单因素分析时，水胶比增大，塑性混凝土的抗压强度和弹性模量下降，相对渗透系数增大；随着膨润土和粘土掺入量的增加，塑性混凝土的抗压强度、弹性模量下降，相对渗透系数随之增大。（2）对不同水胶比、不同膨润土和粘土掺量的塑性混凝土进行电化学加速溶蚀试验，结果表明在溶蚀过程中阳极一侧溶液pH值呈现酸性，阴极一侧溶液则为碱性；溶蚀后塑性混凝土质量略有下降，超声波传播时间增大，电阻率下降，表明溶蚀后塑性混凝土内部结构密实性下降，孔隙率增大。溶蚀后的试件在经过25次冻融循环后内部结构破坏程度较未溶蚀试件破坏严重，说明溶蚀加速了塑性混凝土的冻融破坏。（3）通过扫描电镜和能谱测试对溶蚀和未溶蚀的塑性混凝土进行微观分析研究，结果表明：电化学加速溶蚀后，塑性混凝土内部结构中Ca(OH)2减少，钙含量有所降低，密实性下降，内部孔隙率增大。.第二部分主要研究了普通及碾压水工混凝土的溶蚀行为，主要包括：（1）溶蚀后的混凝土试件水化水泥石的孔隙率均有所增加，在多个部位观察到水化产物溶出后留下的蜂窝状骨架。与对照组相比，掺加20%粉煤灰的试件溶蚀后水泥石的孔隙孔径较小，而且尚有晶型完整的Ca(OH)2晶体没有发生溶解破坏。相对而言，在5F0试件中可以发现大面积溶蚀蜂窝群的存在，放大该部位发现孔洞尺寸较大。因此，掺加水泥质量分数20%的粉煤灰可以在一定程度上阻止水化产物的溶蚀分解。（2）水灰比对溶蚀的影响更明显，0.6水灰比呈现出排布密集的大孔，内部水化产物明显腐蚀，多数为层次不齐的短柱状水化产物。0.5水灰比的样品电镜下尚能观察到晶型基本完整的氢氧化钙，相同倍数下的孔隙数量和尺寸要比前者小得多。长期溶蚀过程中发现只有在阴极室液面上漂浮着一层白色“硬壳”物质，经过多次收集、研磨处理进行XRD分析可知该物质晶型大多为六方晶系的碳酸钙。（3）电阻率能够有效的评价混凝土在溶蚀及冻融甚至两者交互作用下的损伤发展情况。