干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下水工混凝土損傷研究

王逸然， 楊 杰， 趙春發(fā)， 高懿偉， 孫建偉

(1.江寧區(qū)水務(wù)局， 江蘇 南京 211100； 2.江寧區(qū)谷里街道水務(wù)管理服務(wù)站， 江蘇 南京 211164；3.江寧區(qū)水利工程質(zhì)量監(jiān)督站， 江蘇 南京 211100； 4.河海大學(xué) 水利水電工程學(xué)院， 江蘇 南京 210024；5.江寧區(qū)趙村水庫(kù)管理所， 江蘇 南京 211155)

本文主要從試驗(yàn)視角模擬江淮地區(qū)在服役的水工建筑物，以南京市浦口區(qū)象山水庫(kù)為研究對(duì)象，依據(jù)實(shí)際工程試配混凝土配合比，采用超聲波平測(cè)法對(duì)干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土試件進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)獲取混凝土損傷層超聲波波速、未損傷層超聲波波速等指標(biāo)，進(jìn)而推求出損傷層厚度的變化規(guī)律并采用回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，從混凝土抗壓強(qiáng)度視角分析研究干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土的損傷規(guī)律，以期為服役在干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土建筑物設(shè)計(jì)與研究提供一些參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

水泥采用南京大連山水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5標(biāo)號(hào)水泥。粉煤灰采用南京江海粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。粗骨料采用湖北石灰?guī)r碎石，粒徑5～16 mm連續(xù)級(jí)配、無(wú)針片狀顆粒、質(zhì)地堅(jiān)硬且表面粗糙。細(xì)骨料采用河沙，細(xì)度模數(shù)為2.68。引氣劑采用上海馨揚(yáng)有限公司的JDU-1高性能混凝土引氣劑。水采用南京市自來(lái)水，PH為6.7。實(shí)驗(yàn)采用的混凝土配合比見(jiàn)表1。

1.2 試件制作與試驗(yàn)方法

混凝土澆筑24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)，所有混凝土試件均采用同一配合比。試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能及耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082—2009)[2]。為了模擬水庫(kù)大壩運(yùn)行環(huán)境，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，本文采用自然浸泡-加熱烘干來(lái)模擬干濕交替，具體的實(shí)驗(yàn)方案為：將試件放入水流流速為0.05 m/s的水槽中加壓浸泡5 min，浸泡完畢后放入烘干機(jī)中干燥5 min，此為一個(gè)干濕循環(huán)，每1 d實(shí)施6 h，共36個(gè)循環(huán)，每1 d為一個(gè)測(cè)試周期，根據(jù)水文資料，一個(gè)干濕循環(huán)平均6 d完成，可得每一個(gè)測(cè)試周期模擬188 d，考慮到高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的加速破壞作用，本次實(shí)驗(yàn)一個(gè)測(cè)試周期模擬實(shí)際180 d，實(shí)驗(yàn)持續(xù)20 d，混凝土試件干濕循環(huán)總次數(shù)為720次，模擬實(shí)際3 600 d。

本試驗(yàn)重點(diǎn)研究干濕循環(huán)條件下不同濃度、種類(lèi)鹽溶液對(duì)水利工程混凝土表層損傷層、混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，設(shè)置0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液，0.03%NaCl溶液、 0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液共計(jì)5組，其中0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液組包含3塊尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件及12塊尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方體試件，0.03%NaCl溶液、0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液僅包含3塊尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。在干濕循環(huán)進(jìn)行到第120、240、360、480、720次時(shí)采用NM-4B型非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)棱柱體試件混凝土損傷層Vu、Vd進(jìn)行測(cè)量，并采用珀瑞克YD225C機(jī)械回彈儀、1%的酒精酚酞溶液測(cè)算混凝土抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取各組混凝土試件數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 損傷層厚度檢測(cè)原理及方法

超聲波平測(cè)法是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如圖1所示，通常，混凝土未損傷層與損傷層之間有較為明顯的分界線(xiàn)，依據(jù)超聲波在損傷層與未損傷層中傳播速度的不同來(lái)測(cè)量損傷層厚度。試驗(yàn)方法依據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》中的單面平測(cè)法，對(duì)棱柱體的1個(gè)100 mm×400 mm平整側(cè)面進(jìn)行檢測(cè)，換能器布置如圖2，發(fā)射換能器T布置于距棱柱體邊緣50 mm處，接收換能器R沿混凝土面按一定測(cè)距進(jìn)行排查，讀取不同位置的聲時(shí)值，測(cè)距依次為50、75、100、150、200、250 mm，采用凡士林為耦合劑。

圖1 混凝土損傷截面示意圖

圖2 非金屬超聲檢測(cè)儀換能器布置圖

當(dāng)T、R換能器距離較近時(shí)，超聲波在損傷層中的傳播時(shí)間較短，首先到達(dá)接收換能器，此時(shí)接受換能器讀取的聲時(shí)值為損傷層中的傳播波速Vd；當(dāng)T、R換能器距離較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波透過(guò)損傷層在未損傷層混凝土中的傳播時(shí)間較短，此時(shí)接受換能器讀取的聲時(shí)值為未損傷混凝土中的傳播波速Vu，當(dāng)T、R間距為某一測(cè)距l(xiāng)0時(shí)，超聲波在損傷層中傳播到達(dá)R的時(shí)間和2次透過(guò)損傷層在未損傷混凝土傳播到達(dá)R的時(shí)間相等，此時(shí)有式(1)：

表1 混凝土配合比特征值

(1)

由式(1)可得混凝土損傷層厚度hf：

(2)

式中：hf為損傷層厚度，mm；l0為聲速突變處T、R的測(cè)距，mm；Vu為未損傷層混凝土中超聲波波速，km/s；Vd為損傷層混凝土中超聲波波速，km/s；x為超聲波穿過(guò)損傷層中的水平投影，mm。

按超聲波平測(cè)法原理進(jìn)行檢測(cè)，可繪制出時(shí)-距關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 超聲波傳播時(shí)間-換能器測(cè)距關(guān)系曲線(xiàn)

由圖3可得聲速改變點(diǎn)l0，l0點(diǎn)前為混凝土損傷層l與t關(guān)系曲線(xiàn)，l0點(diǎn)后為混凝土未損傷層l與t關(guān)系曲線(xiàn)，用線(xiàn)性回歸法求出混凝土損傷、未損傷l與t的回歸直線(xiàn)方程：

ld=Ad+Vdtd

(3)

lu=Au+Vutu

(4)

式中：ld為l0點(diǎn)前各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距，mm；td為對(duì)應(yīng)于ld的聲時(shí)，μs，如l1與t1；lu為l0點(diǎn)后各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距，mm；tu為對(duì)應(yīng)于lu的聲時(shí)，μs，如l4與t4；Vd、Ad、Vu、Au為回歸系數(shù)，即圖3中損傷層混凝土和未損傷層混凝土回歸直線(xiàn)方程的斜率和截距。聲時(shí)突變處l0可用式(5)求得，即，

(5)

將l0帶入式(2)即可求得混凝土損傷層厚度hf[3]。

1.4 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)原理及方法

根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23—2011)，采用回彈法檢測(cè)混凝土現(xiàn)有抗壓強(qiáng)度?；貜椃ㄊ歉鶕?jù)回彈儀中運(yùn)動(dòng)的重錘以一定沖擊動(dòng)能撞擊頂在混凝土表面的沖擊桿后，重錘回彈并帶動(dòng)一指針滑塊，得到反映重錘回彈高度的回彈值，以回彈值推算混凝土強(qiáng)度。

本次實(shí)驗(yàn)在尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方體試件中，選取沒(méi)有疏松層和蜂窩麻面的原狀混凝土面，抽樣布置回彈測(cè)區(qū)(面積200 mm×200 mm)若干。在每一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)用回彈儀彈擊16個(gè)測(cè)點(diǎn)并讀取回彈測(cè)值(N)，剔除其中3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，將剩余的10個(gè)測(cè)值的平均值作為該測(cè)區(qū)的回彈值(N)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)混凝土上用電錘打一小孔，滴入1%的酒精酚酞溶液，測(cè)量未變紅色的混凝土厚度即碳化深度值(H)。根據(jù)回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強(qiáng)度(f)的關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算得到測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度平均值。

(6)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲波平測(cè)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 時(shí)-距關(guān)系曲線(xiàn)

采用超聲波平測(cè)法檢測(cè)混凝土損傷層，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液為例，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，得到不同侵蝕時(shí)期混凝土的時(shí)-距關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖4 0.03%Na2SO4溶液不同侵蝕時(shí)期混凝土?xí)r-距關(guān)系曲線(xiàn)

2.1.2 溶液濃度對(duì)混凝土損傷層厚度的影響

根據(jù)式(1)～(5)，繪制超聲波傳播時(shí)間-換能器測(cè)距關(guān)系曲線(xiàn)，計(jì)算出干濕循環(huán)作用下不同濃度的硫酸鈉溶液中混凝土損傷層特征值，制得表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，Na2SO4溶液濃度相同的條件下，隨著混凝土干濕循環(huán)的周期數(shù)增加，混凝土未損傷層的超聲波波速Vu呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，波速上升速度隨著時(shí)間的推移逐漸下降，其原因在于隨著時(shí)間推移，混凝土水化導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度不斷增加，水化速度逐漸降低?；炷翐p傷層的超聲波波速Vd呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，下降速度明顯快于未損傷層中超聲波波速的上升速度?；炷粮蓾裱h(huán)的周期數(shù)相同的條件下，隨著硫酸鹽溶液濃度的提高，侵蝕程度越來(lái)越高，侵蝕速度逐漸加快。經(jīng)過(guò)3 600 d，侵蝕程度達(dá)到最高，在10%Na2SO4濃度下，混凝土損傷層厚度達(dá)到19.38 mm。

表2 干濕循環(huán)作用下不同濃度的Na2SO4溶液中的混凝土損傷層特征值

2.1.3 溶液種類(lèi)對(duì)混凝土損傷層厚度的影響

根據(jù)式(1)～(5)，繪制超聲波傳播時(shí)間-換能器測(cè)距關(guān)系曲線(xiàn)，計(jì)算出干濕循環(huán)作用下不同溶液中混凝土損傷層特征值，制得表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，溶液中的混凝土損傷層的厚度hf大小關(guān)系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，且混凝土損傷層中超聲波波速Vd下降速度的大小關(guān)系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，這說(shuō)明了氯鹽的存在減緩了混凝土損傷的速率。

表3 干濕循環(huán)作用下不同溶液中的混凝土損傷層特征值

2.2 回彈法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液為例，得到不同侵蝕時(shí)期混凝土的回彈值、碳化深度、抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5。

圖5 0.03%Na2SO4溶液不同侵蝕時(shí)期混凝土的回彈值、碳化深度、抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

2.2.1 溶液濃度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均回彈值、碳化深度和式(6)計(jì)算出干濕循環(huán)作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強(qiáng)度特征值，查閱回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強(qiáng)度(f)的關(guān)系曲線(xiàn)制得表4。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)的周期數(shù)增加，混凝土平均回彈值近似線(xiàn)性上升，混凝土碳化深度H不斷增加，增速不斷增大，與此同時(shí)，混凝土強(qiáng)度平均值加速減小，原因在于隨著空氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成的CaCO3加速了碳化反應(yīng)。溶液中的混凝土碳化深度H大小關(guān)系為0.1%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.03%Na2SO4，抗壓強(qiáng)度的大小關(guān)系為0.03%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.1%Na2SO4，干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到720次時(shí)，0.1%Na2SO4溶液中混凝土試件碳化深度達(dá)到6 mm，抗壓強(qiáng)度平均值下降至36.1 MPa。

表4 干濕循環(huán)作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強(qiáng)度特征值

2.2.2 溶液種類(lèi)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均回彈值、碳化深度和式(6)計(jì)算出干濕循環(huán)作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強(qiáng)度特征值，查閱回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強(qiáng)度(f)的關(guān)系曲線(xiàn)制得表5。從表5中可以發(fā)現(xiàn)，各溶液中混凝土平均回彈值均近似線(xiàn)性下降，混凝土碳化深度H增速均呈逐漸增大趨勢(shì)。溶液中的混凝土碳化深度H大小關(guān)系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，抗壓強(qiáng)度的大小關(guān)系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，0.03%NaCl的加入顯著降低了混凝土碳化深度，混凝土平均抗壓強(qiáng)度顯著提高。

3 結(jié) 論

(1)在干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，在前期的1年多時(shí)間里，混凝土的損傷層厚度增加至10年期的約50%。隨后，隨著時(shí)間的推移，混凝土的損傷層厚度的增速緩慢下降。經(jīng)過(guò)3 600 d，混凝土損傷層的厚度基本達(dá)到鋼筋保護(hù)層厚度的50%～90%。

表5 干濕循環(huán)作用下不同溶液中的混凝土抗壓強(qiáng)度特征值

(2)在干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，混凝土碳化深度逐漸增加，增速不斷提高。早期混凝土抗壓強(qiáng)度下降速度較慢，隨著時(shí)間的推移，增速逐漸加大。在耦合作用后期，容易產(chǎn)生縫寬0.3≤δ<0.4 mm，縫深100≤h<200 cm，且大于結(jié)構(gòu)厚度1/4的深層裂縫，局部甚至能產(chǎn)生縫寬δ≥0.4 mm，縫深h≥200 cm或大于2/3結(jié)構(gòu)厚度的貫穿性裂縫，對(duì)水工結(jié)構(gòu)安全造成一定的危害。

(3)NaCl溶液能顯著減少混凝土損傷層厚、減小混凝土表層碳化深度，有效提高混凝土耐久性。