礦井環(huán)境中混凝土材料腐蝕損傷演化與機(jī)理分析

趙　力，劉娟紅，周衛(wèi)金，紀(jì)洪廣

(1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京　100083;2．淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮北　235000)

?

礦井環(huán)境中混凝土材料腐蝕損傷演化與機(jī)理分析

趙力1，劉娟紅1，周衛(wèi)金2，紀(jì)洪廣1

(1．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2．淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮北235000)

摘要:通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M地下復(fù)雜環(huán)境中混凝土在硫酸鹽腐蝕和干濕循環(huán)耦合作用下混凝土受力特點(diǎn)和損傷演化，測(cè)試和分析了不同腐蝕時(shí)期混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、質(zhì)量和超聲波速的變化及加載受荷過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線變化，運(yùn)用損傷力學(xué)，對(duì)腐蝕損傷進(jìn)行多指標(biāo)全面評(píng)價(jià)。分析受荷過(guò)程中腐蝕損傷對(duì)混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響。結(jié)合腐蝕時(shí)間和應(yīng)變對(duì)混凝土損傷擴(kuò)展的影響，建立受蝕混凝土的受荷損傷模型。采用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)和X射線衍射(XRD)分析受蝕混凝土的微觀結(jié)構(gòu)演化。試驗(yàn)結(jié)果表明:①混凝土受到硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)先增大后減小，其中劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度對(duì)侵蝕引起的損傷更加敏感，劣化更加明顯。通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得到以各性能指標(biāo)為損傷變量的混凝土腐蝕損傷演化方程，得到不同損傷因子之間的線性函數(shù)關(guān)系;② 隨著腐蝕環(huán)境的長(zhǎng)期作用，腐蝕損傷混凝土試件峰值應(yīng)力減小，峰值應(yīng)變?cè)黾?，彈性模量和峰值變形模量均有所降低。通過(guò)數(shù)學(xué)模型將腐蝕損傷和受荷損傷統(tǒng)一起來(lái)，表征混凝土受到的環(huán)境腐蝕、荷載及損傷之間的作用關(guān)系;③腐蝕產(chǎn)物鈣礬石和石膏的膨脹作用和硫酸鈉的結(jié)晶壓在試件內(nèi)部形成微破裂，隨著腐蝕的加劇，微破裂逐漸增多和擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞:地下環(huán)境;硫酸鹽侵蝕;干濕循環(huán);微觀結(jié)構(gòu);損傷演化模型

趙力，劉娟紅，周衛(wèi)金，等．礦井環(huán)境中混凝土材料腐蝕損傷演化與機(jī)理分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(6):1422－1428．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1311

Zhao Li，Liu Juanhong，Zhou Weijin，et al．Damage evolution and mechanism of concrete erosion at sulfate environment in underground mine［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1422－1428．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1311

礦山井筒、巷道等地下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性取決于其所處環(huán)境條件，一是地下水中富含的可溶性鹽如硫酸鹽對(duì)混凝土產(chǎn)生的化學(xué)侵蝕，二是水位變動(dòng)使混凝土受到干濕交替的加速破壞，此外，混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間也在承受荷載作用［1－3］。因此，礦井井筒等地下混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)常受到化學(xué)過(guò)程和力學(xué)過(guò)程的雙重破壞作用［4］，服役狀態(tài)和性能出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。因此，對(duì)混凝土在干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕的損傷劣化過(guò)程以及侵蝕受荷損傷模型進(jìn)行研究，有助于評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)和預(yù)測(cè)其使用壽命。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土宏觀力學(xué)性能變化規(guī)律和侵蝕機(jī)理方面進(jìn)行了不少研究，主要集中在:混凝土硫酸鹽侵蝕力學(xué)特性及抗硫酸鹽侵蝕措施［5－8］;混凝土硫酸鹽侵蝕破壞機(jī)制［9－14］;硫酸鹽侵蝕等多因素耦合作用下影響混凝土力學(xué)性能的因素［15－18］，但大多以抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度作為單一評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量混凝土的劣化作用，且對(duì)受到硫酸鹽腐蝕后的混凝土受荷特征和損傷評(píng)價(jià)研究較少［19］。

混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一段時(shí)間硫酸鹽腐蝕作用后，微缺陷不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕損傷，混凝土結(jié)構(gòu)在腐蝕條件下的受荷損傷模型，如果將腐蝕作用看做一種膨脹力，就可以等效為混凝土結(jié)構(gòu)在2種加載下的損傷。為加快腐蝕，本文配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸鹽溶液，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M混凝土受硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用，測(cè)試和分析了不同侵蝕時(shí)期混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗折等強(qiáng)度變化、質(zhì)量和超聲波速變化及加載過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線變化，全面描述腐蝕損傷對(duì)混凝土的性能影響，運(yùn)用損傷力學(xué)，對(duì)腐蝕損傷進(jìn)行多指標(biāo)全面評(píng)價(jià);通過(guò)探索材料內(nèi)部的損傷演化過(guò)程，研究了受荷過(guò)程中腐蝕損傷對(duì)混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的影響，考慮腐蝕與荷載的疊加作用，探討腐蝕時(shí)間和應(yīng)變對(duì)混凝土損傷擴(kuò)展的影響，建立腐蝕受荷混凝土的損傷模型。

1　試驗(yàn)方案

1.1原材料和試件制作

試驗(yàn)采用P.O 42.5金隅牌普通硅酸鹽水泥，摻合料選用Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)磨細(xì)礦渣，水泥主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.8;粗骨料連續(xù)級(jí)配，粒徑范圍5～20 mm;減水劑為西卡聚羧酸型減水劑;拌合水為自來(lái)水。無(wú)水硫酸鈉采用國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的AR級(jí)分析純?cè)噭?/p>

表1　水泥的主要性能Table 1　Performance indicators of cement

試驗(yàn)用混凝土配合比為強(qiáng)度等級(jí)C30，水泥220 kg/m3，粉煤灰90 kg/m3，磨細(xì)礦渣60 kg/m3，石1 017 kg/m3，砂833 kg/m3，水170 kg/m3，減水劑2.59 kg/m3，水膠比0.46。根據(jù)試驗(yàn)需要，試件采用2種尺寸，分別為 100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。試件成型后自然養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，移入溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，為加速試驗(yàn)進(jìn)程，腐蝕溶液采用配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸鈉溶液，其他步驟按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕，干濕循環(huán)周期為24 h，其中浸泡16 h，烘干冷卻8 h。在混凝土試件侵蝕20，40，60，80 d后取出進(jìn)行質(zhì)量、超聲波傳播速度、宏觀力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展等測(cè)試，并用環(huán)境掃描電鏡ESEM分析混凝土侵蝕損傷后的微觀結(jié)構(gòu)。硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備為NELD－LSC全自動(dòng)硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，超聲檢測(cè)設(shè)備為康科瑞NM－4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀。

1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

測(cè)試性能主要為質(zhì)量、超聲波傳播速度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

定義相對(duì)質(zhì)量S，表達(dá)式為

式中，S為相對(duì)質(zhì)量;m0，mt分別為混凝土腐蝕前質(zhì)量和腐蝕到t齡期時(shí)的質(zhì)量。

定義相對(duì)波速Vr，表達(dá)式為

式中，Vr為相對(duì)波速;V0，Vt分別為混凝土腐蝕前超聲波傳播速度和腐蝕到t齡期時(shí)的波速。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1硫酸鹽腐蝕和干濕循環(huán)耦合作用下混凝土損傷

分析

在硫酸鹽腐蝕和干濕循環(huán)耦合作用下不同侵蝕時(shí)期混凝土抗壓強(qiáng)度σc的變化規(guī)律如圖1(a)所示?？梢钥闯?，隨著硫酸鹽腐蝕的進(jìn)行，混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的變化規(guī)律，腐蝕20 d時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.8 MPa，較腐蝕前增加8.68%，腐蝕40 d后混凝土強(qiáng)度逐漸下降，而腐蝕80 d時(shí)的剩余強(qiáng)度為32.8 MPa，僅為腐蝕前的0.81倍。圖1(b)，(c)分別示出了混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度σt和抗折強(qiáng)度σf的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，可見(jiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)期的變化規(guī)律和抗壓強(qiáng)度基本一致，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均在腐蝕20 d時(shí)達(dá)到峰值，分別較腐蝕前增加10.27%和8.62%，腐蝕80 d時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為腐蝕前的0.76倍和0.77倍，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度對(duì)硫酸鹽侵蝕損傷較敏感，原因在于受硫酸鹽腐蝕的混凝土結(jié)構(gòu)層由于侵蝕產(chǎn)物和鹽結(jié)晶的膨脹作用對(duì)未蝕結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力又與劈拉荷載產(chǎn)生疊加，使得受蝕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度明顯降低［12］。

圖1　抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間的變化Fig.1　Changes of strength with time

由圖2可以看出，混凝土試件的質(zhì)量變化因子和相對(duì)波速隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小。腐蝕初期，硫酸鈉溶液與試件反應(yīng)生成鈣礬石、石膏等侵蝕產(chǎn)物，加之部分侵入試件的鹽溶液結(jié)晶，這些物質(zhì)填充了試件內(nèi)部的初始微孔洞，試件較腐蝕前質(zhì)量增加，更加密實(shí)。隨著侵蝕的繼續(xù)和生成物的不斷累積膨脹，試件內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微孔隙和微裂縫，且隨著侵蝕的加劇而擴(kuò)展延伸，并伴有表皮的部分脫落，試件質(zhì)量和傳播波速開(kāi)始逐漸減小?？梢钥闯?，質(zhì)量的變化滯后于波速和強(qiáng)度變化，在侵蝕20 d后，質(zhì)量仍然有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度減小，原因可能是填充效應(yīng)和開(kāi)裂脫落效應(yīng)共存的影響，侵蝕40 d后質(zhì)量開(kāi)始逐漸減小。波速變化反映了試件內(nèi)部密實(shí)程度的變化，隨著腐蝕引起的微裂縫增多，試件內(nèi)部密實(shí)性變差，波速變小，而隨著密實(shí)性變差，鹽溶液更容易侵入試件內(nèi)部，使得腐蝕加劇。

圖2　相對(duì)質(zhì)量和相對(duì)波速隨腐蝕時(shí)間的變化Fig.2　Change of relative mass and wave velocity with time

由硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)可知，隨著腐蝕時(shí)間的增加，地下復(fù)雜環(huán)境下混凝土的力學(xué)性能趨向降低，而宏觀物理性能的變化能夠反映材料內(nèi)部的劣化程度。為了定量反映腐蝕環(huán)境下混凝土材料力學(xué)性能的變化規(guī)律，且較全面評(píng)價(jià)材料狀態(tài)，本文運(yùn)用損傷力學(xué)的理論，分別選取抗壓強(qiáng)度σc、劈拉強(qiáng)度σt、抗折強(qiáng)度σf、超聲波速v作為損傷變量，因此硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)耦合作用引起的損傷為

式中，Dc，Dt，Df，Dv分別為抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和波速對(duì)應(yīng)的腐蝕損傷因子;σc0，σt0，σf0，v0分別為試件腐蝕前所對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值及波速。

混凝土在腐蝕環(huán)境存在2階段變化，第1階段由于腐蝕產(chǎn)物的填充密實(shí)，強(qiáng)度有所增加，而損失發(fā)生在第2階段，因此這里我們重點(diǎn)研究第2階段混凝土隨時(shí)間的損傷演化過(guò)程，即侵蝕40 d后的情況。則由式(3)計(jì)算出各性能指標(biāo)的腐蝕損傷因子，如圖3所示。

圖3　損傷因子計(jì)算及回歸曲線Fig.3　Damage factors calculated and regression curves

由圖3可見(jiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的損傷演化都快于抗壓強(qiáng)度的損傷演化，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，各性能指標(biāo)的腐蝕損傷演化均表現(xiàn)出較明顯的函數(shù)關(guān)系，其總的擬合函數(shù)形式為

式中，t為腐蝕時(shí)間;a1，b1，c1為與所選取強(qiáng)度指標(biāo)相關(guān)的參數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2　回歸方程的系數(shù)和平方差Table 2　Regression coefficient and square error

由表3可知各腐蝕損傷因子擬合公式平方差都在0.99以上，能夠較好的擬合硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)腐蝕復(fù)雜環(huán)境下試件隨時(shí)間的損傷演化規(guī)律。

腐蝕損傷加速度?Dt/?t=2a1t+b1，可見(jiàn)隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)呈加速腐蝕，直至結(jié)構(gòu)失效。

考慮到實(shí)際工程中常使用抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)混凝土力學(xué)性能的指標(biāo)，因此嘗試建立腐蝕損傷因子Dt，Df和Dc之間的關(guān)系。

式中，a2，b2與所選取強(qiáng)度指標(biāo)相關(guān)，如圖4(a)，(b)所示。

圖4　損傷因子關(guān)系和回歸曲線Fig.4　Relations between damage factors and regression curve equations

而抗壓強(qiáng)度的損傷因子Dc與無(wú)損檢測(cè)的超聲波速損傷因子Dv也存在較好的線性相關(guān)關(guān)系，如圖4(c)所示，從而可以用無(wú)損檢測(cè)的波速指標(biāo)表征預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能。

2.2腐蝕受荷過(guò)程混凝土的損傷演化分析

圖5為不同腐蝕時(shí)期(分別腐蝕0，20，40，60和80 d)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出，隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土峰值應(yīng)力fc經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過(guò)程。受腐蝕混凝土的彈性模量Ee取實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線上σ=0.4fc與相應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)诺谋戎担逯蹈罹€變形模量EP取實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線上峰值應(yīng)力fc與峰值應(yīng)變?chǔ)與的比值。Ee和EP也是經(jīng)歷一個(gè)先增后減的過(guò)程，腐蝕20 d時(shí)，彈性模量和峰值變形模量較腐蝕前分別增加16.3%和15.3%，腐蝕80 d，彈性模量和峰值變形模量分別是未腐蝕時(shí)的0.74倍和0.64倍，峰值應(yīng)變?chǔ)與在腐蝕初期有所下降，但降低幅度不大，隨著腐蝕的進(jìn)行，峰值應(yīng)變逐漸增大，腐蝕80 d時(shí)增加26.7%。

圖5　不同腐蝕齡期的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5　Stress-strain curves after different corrosion time

混凝土類材料的破壞是一種累積損傷的過(guò)程，將混凝土材料在加載過(guò)程中的損傷看作一個(gè)連續(xù)過(guò)程，材料內(nèi)部細(xì)觀缺陷的分布具有一定的隨機(jī)性，在受到外力作用后，其內(nèi)部的微缺陷不斷變化，在部分區(qū)域出現(xiàn)貫通，進(jìn)而形成宏觀裂縫導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。因此受荷損傷因子D與混凝土微元破壞的統(tǒng)計(jì)分布密度之間存在關(guān)系:dD/dε=φ(ε)，φ(ε)為加載過(guò)程中微元損傷率的一種度量，假定混凝土微元強(qiáng)度服從Weibull分布，則受荷混凝土的損傷演化方程［20］為

式中，εc為應(yīng)力峰值σc對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值;m為表征材料損傷演化特征的材料參數(shù);E0為混凝土腐蝕前的初始彈性模量。

將硫酸鹽干濕循環(huán)引起的腐蝕損傷后的狀態(tài)作為第1種損傷狀態(tài)，腐蝕受荷引起的總損傷狀態(tài)作為第2種損傷狀態(tài)，應(yīng)用由Lemaitre應(yīng)變等價(jià)原理推廣后的應(yīng)變等價(jià)［20］，可得材料內(nèi)部腐蝕受荷損傷本構(gòu)關(guān)系為

其中，D為受荷損傷因子;Et為腐蝕一段時(shí)間的彈性模量。用腐蝕和受荷總損傷變量Dm表示的混凝土腐蝕受荷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

其中

式中，Dt為腐蝕引起的損傷因子;D為受荷加載引起的損傷因子;DtD為耦合項(xiàng)。

隨著腐蝕時(shí)間的增加，混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能逐漸降低，為了能夠反映材料內(nèi)部的劣化程度，選取便于測(cè)量的彈性模量作為損傷變量，定義硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕引起的損傷

由式(6)，(10)和(11)可得到混凝土腐蝕受荷的總損傷演化方程為

當(dāng)僅考慮腐蝕損傷時(shí)，受荷應(yīng)變?chǔ)?0，此時(shí)Dm= Dt;當(dāng)僅考慮受荷損傷時(shí)，Et=E0，此時(shí)Dm=D。

圖6為利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式(12)計(jì)算得到的混凝土材料腐蝕受荷損傷模型演化曲線。

圖6　混凝土腐蝕受荷損傷模型演化曲線Fig.6　Damage model evolution curves of concrete

從圖6可以看出，在硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕環(huán)境下，長(zhǎng)期來(lái)看，混凝土材料的腐蝕損傷劣化程度隨著腐蝕時(shí)間的增加而加劇，腐蝕生成的鈣礬石、石膏等侵蝕產(chǎn)物和鹽結(jié)晶的膨脹作用，引起混凝土材料內(nèi)部初始損傷的形成和劣化;腐蝕環(huán)境下，混凝土材料的損傷劣化程度和普通混凝土一樣，都隨著應(yīng)變的增加而增大，在受荷初期，材料微孔隙、缺陷被“壓實(shí)”，表現(xiàn)為壓密階段，之后隨著應(yīng)變的逐漸增大，材料內(nèi)部微孔隙、微裂縫不斷發(fā)展演化，損傷加速，直到出現(xiàn)宏觀裂縫，試件強(qiáng)度達(dá)到峰值，產(chǎn)生破壞。

3　混凝土的微觀結(jié)構(gòu)演化

混凝土材料的性能劣化過(guò)程，既體現(xiàn)為宏觀缺陷產(chǎn)生擴(kuò)展的發(fā)展過(guò)程，也體現(xiàn)為微觀結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程。

本文采用ESEM觀察了硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)作用下不同時(shí)期的材料微觀結(jié)構(gòu)。圖7(a)顯示出了未侵蝕試件的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，可以看出，腐蝕前材料內(nèi)部賦存著大量的水化產(chǎn)物C－S－H凝膠，內(nèi)部較完整密實(shí)。經(jīng)過(guò)40 d的侵蝕，當(dāng)膨脹性的侵蝕產(chǎn)物所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，開(kāi)始有少量新的微裂縫產(chǎn)生(圖7(b))。之后隨著侵蝕的繼續(xù)，試件內(nèi)部微裂縫逐漸增多、擴(kuò)展，侵蝕速度加快。圖7(d)示出了腐蝕環(huán)境中80 d后混凝土試件的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)特征，此時(shí)試件內(nèi)部存在大量的微裂縫，且相互連通。

圖7　混凝土不同侵蝕時(shí)期微裂縫的發(fā)展Fig.7　Micro-crack expansion of concrete at different corrosion ages

圖8能夠看到，針棒狀的鈣礬石和薄片狀石膏在微裂縫和孔隙內(nèi)部不斷生成聚集，搭接成網(wǎng)狀，逐漸對(duì)孔隙內(nèi)壁產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致試件內(nèi)部微破裂的形成和擴(kuò)展，且隨著腐蝕加劇，微破裂逐漸增多和擴(kuò)展。

圖8　混凝土內(nèi)部膨脹產(chǎn)物的生成積聚Fig.8　Growth and aggregation of expansion products

圖9為不同腐蝕階段(分別腐蝕0，20，40，80 d)試件的XRD測(cè)試結(jié)果，可以看出，腐蝕前，主要為水化反應(yīng)產(chǎn)物C－S－H，腐蝕20 d時(shí)，除了水化產(chǎn)物，還可清晰觀察到鈣礬石的衍射峰，此時(shí)鈣礬石生成量有限，對(duì)試件微孔隙起到填充作用，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu);隨著腐蝕的進(jìn)行，鈣礬石和石膏逐漸增多，腐蝕到80 d時(shí)，可以看到，隨著試件孔隙溶液Ca(OH)2的不斷消耗，堿度的下降，試件內(nèi)部存在大量的石膏晶體，腐蝕程度加重，大量的鈣礬石和石膏在試件內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力大于內(nèi)部抗拉應(yīng)力，就會(huì)形成微裂縫，破壞內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。

4　結(jié)　　論

(1)混凝土受到硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕作用，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)先增大后減小，其中劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度對(duì)侵蝕引起的損傷更加敏感，劣化更加明顯;混凝土的質(zhì)量和超聲波速變化也有類似先增后減規(guī)律，但質(zhì)量變化相對(duì)有所滯后。為了多維度綜合評(píng)價(jià)腐蝕損傷程度，分別將抗壓、劈裂抗拉、抗折等強(qiáng)度值和波速變化作為損傷變量，用各性能指標(biāo)損傷因子來(lái)評(píng)價(jià)混凝土性能變化，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得到基于各損傷變量的混凝土腐蝕損傷演化方程，并建立起不同損傷因子之間的線性函數(shù)關(guān)系。

(2)硫酸鹽干濕循環(huán)作用后的受荷過(guò)程使混凝土總損傷加劇，硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生的膨脹力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)局部損傷，而隨著受荷加載過(guò)程的進(jìn)行，混凝土局部損傷應(yīng)力提高，微裂縫開(kāi)始擴(kuò)展、匯合和貫通。隨著腐蝕環(huán)境的長(zhǎng)期作用，腐蝕損傷混凝土試件峰值應(yīng)力減小，峰值應(yīng)變?cè)黾?，彈性模量和峰值變形模量均有所降低?/p>

(3)硫酸鹽干濕循環(huán)環(huán)境下受荷的混凝土結(jié)構(gòu)，受到化學(xué)過(guò)程和力學(xué)過(guò)程的雙重或多重破壞，在經(jīng)歷一段時(shí)間腐蝕作用后，鈣礬石和石膏等侵蝕產(chǎn)物及鹽結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹力等效于先進(jìn)行了一級(jí)加載，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了腐蝕損傷;混凝土結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境條件下的受荷損傷，就可以等效為在二級(jí)加載下的損傷，損傷的演化經(jīng)歷了從內(nèi)部局部的細(xì)觀微損傷到整體的宏觀損傷的跨尺度非線性發(fā)展過(guò)程，運(yùn)用損傷力學(xué)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型將腐蝕損傷和受荷損傷統(tǒng)一起來(lái)，表征混凝土中環(huán)境腐蝕、荷載及損傷之間的作用關(guān)系，為更好地評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)和預(yù)測(cè)使用壽命提供理論指導(dǎo)。

(4)礦井腐蝕環(huán)境下，地下水中的硫酸根與混凝土水化產(chǎn)物反應(yīng)生成膨脹性晶體鈣礬石和石膏，隨著腐蝕產(chǎn)物增多，膨脹壓增大，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微破裂和損傷，并且不斷加劇，而干濕循環(huán)引起的結(jié)晶析出又加速了這種破壞，微觀結(jié)構(gòu)的劣化使混凝土的宏觀性能降低。

參考文獻(xiàn):

［1］Leemann A，Loser R．Analysis of concrete in a vertical ventilationshaft exposed to sulfate-containing groundwater for 45 years［J］．Cement and Concrete Composites，2011，33(1):74－83．

［2］徐惠，陳占清，郭曉倩．硫酸鹽腐蝕下高性能混凝土物理力學(xué)性能及影響因素［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(2):216－220．Xu Hui，Chen Zhanqing，Guo Xiaoqian．Physical and mechanical performance and influencing factors of high performance concrete under sulfate attack［J］．Journal of China Coal Society，2012，37(2): 216－220．

［3］李定龍，周治安．井壁混凝土滲水腐蝕破壞可能性分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，1996，21(2):160－163．Li Dinglong，Zhou Zhian．The possibility of seepage corrosion damage of concrete［J］．Journal of China Coal Society，1996，21(6):160－163．

［4］劉娟紅，卞立波，何偉，等．煤礦礦井混凝土井壁腐蝕的調(diào)查與破壞機(jī)理［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(3):528－533．Liu Juanhong，Bian Libo，He Wei，et al．Investigation and destruction mechanism on corrosion of concrete shaft in coal mine［J］．Journalof China Coal Society，2015，40(3):528－533．

［5］Thidar Aye，Chiaki T Oguchi．Resistance of plain and blended cement mortars exposed to severe sulfate attacks［J］．Construction and Building Materials，2011，25(6):2988－2996．

［6］余紅發(fā)，孫偉，張?jiān)粕?，等．凍融或腐蝕環(huán)境下混凝土使用壽命預(yù)測(cè)方法I—損傷演化方程與損傷失效模式［J］．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(S1):128－135．Yu Hongfa，Sun Wei，Zhang Yunsheng，et al．Service life prediction method of concrete subjected to freezing-thawing cycles and/ or chemical attackⅠ－damage development equation and degradation mode［J］．Journal of the Chinese Ceramic Society，2008，36(S1):128－135．

［7］李士偉，王迎飛，王勝年．硫酸鹽環(huán)境下混凝土損傷預(yù)測(cè)模型［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(14):35－44．Li Shiwei，Wang Yingfei，Wang Shengnian．Research on the prediction model of the concrete damage in the sulfate aggressive environment［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2010，32 (14):35－44．

［8］左曉寶，孫偉．硫酸鹽侵蝕下的混凝土損傷破壞全過(guò)程［J］．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009，37(7):1063－1067．Zuo Xiaobao，Sun Wei．Fullprocess analysis of damage and failure of concrete subjected to external sulfate attack［J］．Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，37(7):1063－1067．

［9］Michael Steiger，Sonke Asmussen．Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials:The phase diagram Na2SO4－H2O and the generation of stress［J］．Geochimica et Cosmochimica Acta，2008，72(17):4291－4306．

［10］Pan Feng，Edward J，Garboczi，et al．Microstructural origins of cement paste degradation by external sulfate attack［J］．Construction and Building Materials，2015，96(15):391－403．

［11］A Bonakdar，B Mobasher．Multi-parameter study of external sulfate attack in blended cementmaterials［J］．Construction and Building Materials，2010，24(1):61－70．

［12］高潤(rùn)東，趙順波，李慶斌，等．干濕循環(huán)作用下混凝土硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理試驗(yàn)研究［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(2):48－53．Gao Rundong，Zhao Shunbo，Li Qingbin，et al．Experimental study of the deterioration mechanism of concrete under sulfate attack in wet-dry cycles［J］．China Civil Engineering Journal，2010，43(2): 48－53．

［13］王海龍，董宜森，孫曉燕，等．干濕交替環(huán)境下混凝土受硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)報(bào))，2012，46(7): 1255－1261．Wang Hailong，Dong Yisen，Sun Xiaoyan，et al．Damage mechanism of concrete deteriorated by sulfate attack in wet-dry cycle environment［J］．Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2012，46(7):1255－1261．

［14］Andres E Idiart，Carlos M Lopez，Ignacio Carol．Chemo-mechanical analysis of concrete cracking and degradation due to external sulfate attack:A meso-scale model［J］．Cement and Concrete Research，2011，33(3):411－423．

［15］Jin Zuquan，Sun Wei，Jiang Jinyang，et al．Damage of concrete attacked by sulfate and sustained loading［J］．Journal of Southeast University:English Edition，2008，24(1):69－73．

［16］Bassuoni M T，Nehdi M L．Durability of self-consolidating concrete to sulfate attack under combined cyclic environments and flexural loading［J］．Cement and Concrete Research，2009，39(3):206－226．

［17］余振新，高建明，宋魯光，等．荷載－干濕交替－硫酸鹽耦合作用下混凝土損傷過(guò)程［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，42(3):487－491．Yu Zhenxin，Gao Jianming，Song Luguang，et al．Damage process of concrete exposed to sulfate attack under drying-wetting cycles and loading［J］．Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2012，42(3):487－491．

［18］關(guān)博文，陳拴發(fā)，熊銳，等．疲勞荷載與硫酸鹽腐蝕耦合作用下水泥混凝土應(yīng)力分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(7): 48－52．Guan Bowen，Chen Shuanfa，Xiong Rui，et al．Stress analysis of cement concrete under fatigue corrosion［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2013，35(7):48－52．

［19］梁詠寧，袁迎曙．硫酸鹽腐蝕后混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40(4):532－535．Liang Yongning，Yuan Yingshu．Constitutive relation of sulfate attacked concrete under uniaxial compression［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40(4):532－535．

［20］李新平，路亞妮，王仰君．凍融荷載耦合作用下單裂隙巖體損傷模型研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(11):2307－2315．Li Xinping，Lu Yani，Wang Yangjun．Research on damage model of single jointed rock masses under coupling action of freeze-thaw and loading［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(11):2307－2315．

中圖分類號(hào):TU528.31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1422－07

收稿日期:2015－09－07修回日期:2015－10－23責(zé)任編輯:常琛

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374036)

作者簡(jiǎn)介:趙力(1988—)，男，陜西咸陽(yáng)人，博士研究生。Tel:010－62334055，E－mail:zhaoli20071023@163．com。通訊作者:劉娟紅(1966—)，女，江蘇蘇州人，教授。Tel:010－62334055，E－mail:juanhong1966@hotmail．com

Damage evolution and mechanism of concrete erosion at sulfate environment in underground mine

ZHAO Li1，LIU Juan-hong1，ZHOU Wei-jin2，JI Hong-guang1
(1．College of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083，China;2．Huaibei Mining(Group)Co．，Ltd．，Huaibei235000，China)

Abstract:Some experiments were conducted to simulate the mechanical characteristics and deterioration of concrete under sulfate and wet-dry cycle environment．The parameters were tested and analyzed，including compressive strength，splitting tensile strength，bending strength，the variation of mass and ultrasonic velocity and stress-strain curves over attacked time．The damage development was evaluated by multi-index of attacked concrete based on damage mechanical theory．The relationship between the corrosion damage and stress-strain characteristics was analyzed．The damage model of corroded concrete was established considering the effects of the parameters such as corrosion time and strain on the damage evolution．According to the ESEM images and XRD results，the damage mechanism was obtained by analyzing the microstructures of concretes at different erosion periods．The research results show that:①Under the coupling action of sulphate attack and drying-wetting cycles，the parameters，including the compressivestrength，splitting tensile strength，bending strength and ultrasonic velocity，increase first and then decrease with erosion time，and especially the splitting tensile strength and bending strength signature are more sensitive to damage and deteriorate more seriously．According to data regression，the corrosion damage evolution equations were developed．In the equations these performance indicators were regarded as damage variables．Linear functional relationship exists among different damage factors．②In the long term，with corrosion time the peak stress decreased while peak strain increased．Elastic modulus and deformation modulus also decreased．The damage caused by corrosion and the one caused by load were unified by means of mathematical model，which revealed the relationship between and among sulphate attack，load and damage to concrete in complex underground environments．③During the erosion time，the combined expansions of ettringite，gypsum and the crystal of sodium sulfate decahydrate cause micro fractures．With the increase of corrosion time，the micro-cracks developed and their number increased．

Key words:underground environment;sulphate attack;drying-wetting cycles;microstructure;damage evolution model