陳建國(guó)，梁錦程，杜威蓮，程嘉明，朱玉靈，鄭修寶

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

藤壺是沿海港和海灣的主要污損生物[1]，對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，主要在潮間帶至潮下帶范圍分布[2]，通過(guò)分泌粘性強(qiáng)、能夠在水下交聯(lián)聚合的膠粘物，附著在水下物體表面。藤壺的附著會(huì)對(duì)橋梁、水閘等造成腐蝕，如圖1所示，降低建筑物使用耐久性[3-5]?；炷两Y(jié)構(gòu)防腐已成為全世界普遍關(guān)注的問(wèn)題。

圖1 藤壺附著水閘工程

目前，對(duì)防止混凝土因宏觀生物腐蝕而劣化采取的防護(hù)措施已有研究[6-8]，常見的防護(hù)方法有機(jī)械鏟除以及涂料防護(hù)。機(jī)械鏟除可以采用高壓水槍或者剮刀清除附著在混凝土表面的污損生物，但是，機(jī)械鏟除混凝土表面附著物往往對(duì)混凝土表面產(chǎn)生一定的危害，且不能完全鏟除藻類和動(dòng)物在混凝土表面產(chǎn)生的粘膜。Maury-Ramirez等[6]的研究表明，二氧化鈦涂料能夠顯著降低藻類在混凝土表面的覆蓋率。但是這些有機(jī)錫化合物不僅污染海洋環(huán)境，甚至?xí)绊懞Ｑ笊鷳B(tài)平衡[7]。也曾把重金屬銅和鋅作為涂料的成分，但是這些金屬會(huì)擴(kuò)散于海水之中，在抑制藻類或者動(dòng)物類生長(zhǎng)的同時(shí)也破壞了周圍的環(huán)境和其他生物的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致其它生物死亡[9]。因此，如何克服機(jī)械鏟除及涂料防護(hù)帶來(lái)的混凝土結(jié)構(gòu)破壞與環(huán)境污染等問(wèn)題，是解決藤壺腐蝕混凝土的技術(shù)難題。

Negishi等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鎢酸鈉對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖有很好的抑制作用，隨其摻量的增加，抑制效果增強(qiáng)。Kong等[11]研究了抗菌劑種類和含量對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，抗菌劑在一定程度上可以防止混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。然而鎢酸鈉對(duì)大型污損生物藤壺附著混凝土抑制效果及性能研究較少。本文分析了鎢酸鈉對(duì)藤壺抑制效果的影響，通過(guò)測(cè)試投放在潮差區(qū)摻鎢酸鈉混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗氯離子滲透性，研究鎢酸鈉對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐久性能的影響。研究結(jié)果為海洋環(huán)境下混凝土耐久性設(shè)計(jì)提供了參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，密度3.11 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量24.2%，比表面積315 m2/kg，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為53.2、8.5 MPa；粗骨料：20～40 mm白云巖塊石，飽和面干表觀密度2720 kg/m3，飽和面干吸水率0.64%，堅(jiān)固性指標(biāo)3%，硫酸鹽及硫化物含量為0.31%；細(xì)骨料：硅質(zhì)巖人工砂，細(xì)度模數(shù)3.6，飽和面干表觀密度2700 kg/m3，飽和面干吸水率1.0%，堅(jiān)固性指標(biāo)5%，堆積密度1510 kg/m3，空隙率44%；鎢酸鈉：西隴科學(xué)股份有限公司產(chǎn)，相對(duì)分子質(zhì)量329.85，主要化學(xué)組成見表1。

表1 鎢酸鈉的化學(xué)組成 %

1.2 試樣制備

混凝土基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=270∶861∶1041∶162，制備鎢酸鈉摻量（等質(zhì)量取代水泥）分別為0、1%、2%的3組混凝土，研究鎢酸鈉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與抗氯離子滲透性的影響。

將稱好的粗骨料、水泥、細(xì)骨料依次倒入攪拌機(jī)，加蓋后開機(jī)先干拌10～20 s，再加水（含溶入水的鎢酸鈉）后繼續(xù)攪拌2～3min。將拌好的混凝土拌合物卸在鋼板上，并刮干凈粘附在攪拌機(jī)內(nèi)壁上或殘留的拌合物。將出機(jī)拌合物人工翻拌2～3次，使之均勻，然后按每層為試?？傮w積的1/3分3次裝模，由邊緣向內(nèi)部插搗15次，每層插搗完畢后再進(jìn)行下一層裝模。最后人工對(duì)試件進(jìn)行加壓，并將試件表面修平整。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）藤壺附著數(shù)量。采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，對(duì)3組混凝土（每組3個(gè)試件）選取藤壺附著最多的一面進(jìn)行藤壺?cái)?shù)量統(tǒng)計(jì)。

（2）抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度。依據(jù)SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，采用數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)3組混凝土（每組3個(gè)試件）進(jìn)行抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，抗壓強(qiáng)度測(cè)試加載速度為0.5～0.8 MPa/s，劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試加載速度為0.02～0.05 MPa/s。

（3）抗氯離子滲透性。依據(jù)SL/T 352—2020，采用電通量表征試件的抗氯離子滲透性。從150 mm×150 mm×150 mm立方體試件中間切取Φ100 mm×50 mm試件，每組3個(gè)試件，采用DTL-1型液晶屏顯電通量智能測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，施加電壓為60 V。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土表面藤壺附著數(shù)量

按配合比成型混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后投放到相應(yīng)海域，將試件放置在北部灣青山頭水閘附近同一水平線，避免不同位置環(huán)境因素影響而引起的誤差。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，藤壺最適宜生存的區(qū)域?yàn)槌辈顓^(qū)，該區(qū)域內(nèi)藤壺附著密度最大，此外開放環(huán)境下海水因退潮漲潮流動(dòng)性較大，可能會(huì)導(dǎo)致試件丟失且不方便取樣，因此放置區(qū)域選在潮差區(qū)。

藤壺附著一般始于腺介幼蟲階段，附著后發(fā)育成成年藤壺一般需要30 d左右。為了藤壺能更密集地附著，試件放置時(shí)間定為90d。3組混凝土表面藤壺附著統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2 3組混凝土表面藤壺附著統(tǒng)計(jì)

由圖2統(tǒng)計(jì)可知，未摻鎢酸鈉的空白組表面附著212個(gè)藤壺，摻1%、2%鎢酸鈉組表面分別附著58、28個(gè)藤壺，較空白組分別減少了72.6%、86.8%。由此可知，鎢酸鈉對(duì)藤壺附著有一定的抑制作用，且鎢酸鈉摻量增加時(shí)抑制效果提高。鎢酸鈉造成抗菌效果明顯提高的主要原因可能是鎢酸鈉具有水溶性，溶液中離子濃度高，使藤壺內(nèi)部細(xì)胞成分溢出，干擾細(xì)胞代謝及酶蛋白的作用，導(dǎo)致藤壺生長(zhǎng)細(xì)胞的死亡。

2.2 鎢酸鈉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3組混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后放置于北部灣青山頭水閘潮差區(qū)，90 d后取回，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 鎢酸鈉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可見，摻1%鎢酸鈉的混凝土放置潮差區(qū)90d后抗壓強(qiáng)度相較于空白組幾乎不變；摻2%鎢酸鈉的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到34.0MPa，較空白組提高了1.2%。這可能是因?yàn)檫m量鎢酸鈉對(duì)藤壺附著的抑制作用大，試件表面只零零散散地附著了少許藤壺，混凝土試件表面的微生物沒(méi)有了藤壺分泌膜體的保護(hù)作用，其活性下降，且鎢酸鈉本身的抗菌作用也阻礙了噬酸菌等微生物的繁殖，大大削弱了微生物腐蝕對(duì)試件的不利影響。

2.3 鎢酸鈉對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3組混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后放置于北部灣青山頭水閘潮差區(qū)，90d后取回，進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3鎢酸鈉對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

?

由表3可見，空白組的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.24 MPa，摻1%、2%鎢酸鈉組的劈裂抗拉強(qiáng)度略有提高，較空白組分別提高了0.4%、1.3%。這主要是因?yàn)殒u酸鈉試劑對(duì)微生物的繁殖有明顯有抑制作用，噬酸菌等微生物在其試塊表面活性較低，幾乎不產(chǎn)生生物酸，保證了水泥水化作用所需要的堿性環(huán)境，此外鎢酸鈉抑制了混凝土表面促進(jìn)藤壺附著的細(xì)菌的活性，使得試件表面只附著少量藤壺。藤壺分泌物及其死亡后的腐蝕作用很小，保證了混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。

GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)t與立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的換算關(guān)系為：

式中：ɑ、b——擬合參數(shù)。

根據(jù)本試驗(yàn)所得的90d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)式（1）擬合后的換算關(guān)系見式（2）：

式（2）中的參數(shù)a=0.06888、b=0.99003，與文獻(xiàn)[12-14]擬合曲線的參數(shù)相差不大，說(shuō)明式（2）可以準(zhǔn)確地反映摻鎢酸鈉混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系。

2.4 鎢酸鈉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響

海洋環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)除了受到微生物腐蝕、海洋附著生物腐蝕外，海洋氯鹽腐蝕亦是不可忽略的問(wèn)題，抗氯離子滲透性可極大程度地反映混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能。3組混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后放置于北部灣青山頭水閘潮差區(qū)，90d后取回，進(jìn)行電通量測(cè)試，結(jié)果見表4。

表4 鎢酸鈉對(duì)混凝土電通量的影響

由表4可見，空白組的電通量為2616 C，摻1%、2%鎢酸鈉組的電通量較空白組分別減小了4.9%、13.4%。結(jié)果證實(shí)，藤壺的附著提高了混凝土的抗氯離子滲透性。Chlayon等[15-16]也得出了類似的結(jié)果，其研究還表明，藤壺的附著可以密封混凝土表面的微裂縫。

3 結(jié)論

（1）鎢酸鈉對(duì)藤壺附著有一定的抑制作用，且隨鎢酸鈉摻量的增加抑制效果提高。摻2%鎢酸鈉時(shí)抑制藤壺附著最明顯，藤壺?cái)?shù)量較空白組減少了86.8%。

（2）隨鎢酸鈉摻量的增加，試件的抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度提高，摻2%鎢酸鈉的混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)最高，較空白組分別提高了1.2%、1.3%。鎢酸鈉的高效抗菌作用降低了微生物的腐蝕與藤壺附著所引起的腐蝕作用，提高了混凝土抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度。

（3）研究了鎢酸鈉摻入對(duì)混凝土內(nèi)部電通量的影響，單摻2%鎢酸鈉的試塊電通量較空白組減小了13.4%，鎢酸鈉摻入減小了混凝土的電通量，說(shuō)明藤壺的附著提高了混凝土抗氯離子滲透性能。