鹵水侵蝕下高延性混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)及強(qiáng)度衰減模型研究*

寇佳亮， 楊 順， 趙嘉偉， 王 棟， 張 晶， 周 恒

(1 西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 西安 710048； 2 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710048； 3 陜西省西咸新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站， 西安 712000; 4 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710065)

0 引言

對(duì)建筑物而言，其正常使用壽命周期主要取決于混凝土和鋼筋的性能，而混凝土材料的性能決定了混凝土內(nèi)部鋼筋的工作環(huán)境進(jìn)而影響建筑物的正常工作性能，氯鹽對(duì)鋼筋的銹蝕作用、硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前失效的主要原因。

Shekarchi M等[1]在海洋環(huán)境中進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的鋼筋混凝土試件暴露試驗(yàn)，研究在海潮區(qū)混凝土氯離子擴(kuò)散規(guī)律、鋼筋銹蝕規(guī)律以及混凝土強(qiáng)度損失等。Cheewaket等[2]進(jìn)行了硅灰混凝土在潮汐區(qū)的試驗(yàn)研究，測(cè)試氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得出當(dāng)硅灰摻量為7.5%時(shí)，可有效降低混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。在國(guó)內(nèi)，金祖權(quán)等[3-4]通過(guò)研究混凝土在硫酸鹽-氯鹽環(huán)境下的損傷失效，得出復(fù)合溶液中的氯鹽的存在顯著減緩了硫酸鹽侵蝕破壞的程度和速度，并建立了考慮氯鹽、硫酸鹽濃度的混凝土損傷演化方程。梁詠寧等[5]測(cè)試了不同腐蝕環(huán)境中混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律，得出結(jié)論，氯鹽存在可延緩混凝土硫酸鹽損傷進(jìn)程。姜磊等[6]建立了硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)作用下混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程，并得到了損傷層混凝土應(yīng)力-應(yīng)變方程的確定方法。杜修力等[7]總結(jié)了荷載對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響。陳達(dá)等[8]研究硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了硫酸鹽侵蝕水泥基材料的彈塑性-化學(xué)損傷本構(gòu)模型。肖前慧等[9]通過(guò)分析不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度，建立了混凝土抗壓強(qiáng)度指數(shù)衰減規(guī)律和壽命預(yù)測(cè)模型。談亞文等[10]以不同摻量聚乙烯纖維的硫酸鹽長(zhǎng)期浸泡和干濕循環(huán)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了腐蝕前后的彎曲韌性和最佳纖維摻量的問(wèn)題。

目前針對(duì)HDC試件在氯鹽和硫酸鹽復(fù)合侵蝕環(huán)境中耐久性研究尚屬空白。為進(jìn)一步研究長(zhǎng)期處于鹵水環(huán)境中HDC試件的耐久性能，本課題組通過(guò)不同濃度鹵水-長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)，研究不同濃度鹵水溶液下長(zhǎng)期浸泡對(duì)HDC試件的影響，包括表觀特征及其基本力學(xué)性能，為實(shí)際工程中HDC的使用提供工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

鹵水浸泡-長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)所用水泥選用銅川某公司生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為最大粒徑1.18mm的灞河精細(xì)河砂，粉煤灰為大唐某發(fā)電廠一級(jí)粉煤灰，減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為22%。PVA型號(hào)為日本KURARAYK-II，體積摻量2.0%。配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶纖維∶減水劑=1∶1∶0.72∶0.58∶0.043∶0.03。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)所用試件72組，共216塊，每組3塊，試件尺寸為40×40×160，采用三聯(lián)模制作，見(jiàn)圖1。同時(shí)選用該抗折試件尺寸測(cè)得抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

圖1 HDC試件

1.3 試驗(yàn)方案

本次鹵水侵蝕-長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)采用6種不同濃度的Cl-，SO42-侵蝕溶液，溶液中主要侵蝕性離子為Cl-，SO42-。各溶液中含有的主要離子含量見(jiàn)表1。試塊制作完成并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)90d后，進(jìn)行長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)。在試塊浸泡至預(yù)定齡期(28，60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360d)后，進(jìn)行表觀現(xiàn)象觀察，稱重，測(cè)試其抗折、抗壓強(qiáng)度。

溶液中離子含量 表1

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)所用容器為6個(gè)40L塑料收納箱，配置溶液時(shí)先向箱中倒入15L水，再倒入對(duì)應(yīng)的試劑，充分?jǐn)嚢枋谷軇┤芙夂?，靜置1d，確定溶液中無(wú)結(jié)晶現(xiàn)象后，將養(yǎng)護(hù)到期的試件立向置于溶液中，見(jiàn)圖2。為了保持溶液濃度不變，每隔2d測(cè)定溶液濃度，及時(shí)補(bǔ)充試劑，而且每隔1個(gè)月將溶液徹底更換1次。在12個(gè)測(cè)試周期，采用圖3所示W(wǎng)AW-1000C萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行觀察并記錄。

圖2 浸泡階段

圖3 WAW-1000C萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

HDC試件在溶液1～6中浸泡360d后分別見(jiàn)圖4。本次浸泡所采用的侵蝕溶液前三種為氯鹽侵蝕，后三種為鹵水侵蝕。兩類溶液的侵蝕效果具有較明顯的差異，其中在濃度為5%氯鹽侵蝕條件下，試件表面基本無(wú)明顯變化，見(jiàn)圖4(a)；在濃度為10%，15%氯鹽侵蝕條件下，試件結(jié)晶現(xiàn)象明顯，且結(jié)晶物質(zhì)多為顆粒狀，但除結(jié)晶外無(wú)其他侵蝕特征，見(jiàn)圖4(b)，(c)；不同于氯鹽下的侵蝕，鹵水侵蝕下試件在本次試驗(yàn)的三種濃度溶液下均表現(xiàn)出了明顯的侵蝕特征，見(jiàn)圖4(d)～(f)，表面結(jié)晶明顯且呈塊狀形態(tài)，但試件表面及邊角仍無(wú)基體脫落現(xiàn)象，達(dá)到360d的浸泡周期時(shí)，仍具有良好的完整性，說(shuō)明HDC試件在鹵水溶液的浸泡侵蝕作用下具有一定的抵抗能力。

圖4 HDC試件侵蝕后狀態(tài)

綜合6種溶液侵蝕下的表觀特征進(jìn)行觀察分析，當(dāng)溶液中Cl-濃度大于10%時(shí)，表面的侵蝕特征才較為明顯。當(dāng)溶液中SO42-濃度較高時(shí)，試件表面的結(jié)晶物質(zhì)主要為片狀鈣礬石，試件在浸泡180d后棱角部位出現(xiàn)微裂縫，同時(shí)由于鈣礬石附著在試件表面，減緩了試件的整體損傷程度。當(dāng)溶液中Cl-濃度高時(shí)，試件表面的結(jié)晶主要為針狀的透明結(jié)晶物質(zhì)。

綜上所述，在長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中，硫酸鹽對(duì)HDC的侵蝕效果要比氯鹽侵蝕嚴(yán)重，當(dāng)溶液中SO42-濃度一定時(shí)，隨著溶液中Cl-濃度的增加，表面侵蝕特征越不明顯。

2.1 質(zhì)量變化分析

對(duì)6種溶液下的試件在達(dá)到預(yù)定浸泡周期(28，60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360d)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)齡期的質(zhì)量稱重、強(qiáng)度測(cè)試及觀察表觀現(xiàn)象，抗折試件(40×40×160)質(zhì)量結(jié)果詳見(jiàn)表2～4，表中m0為試件試驗(yàn)前質(zhì)量，m1為試件達(dá)到預(yù)定浸泡周期時(shí)的質(zhì)量，質(zhì)量變化率曲線見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，在6種溶液下進(jìn)行長(zhǎng)期浸泡的試件在浸泡30d后質(zhì)量均減小，隨著浸泡周期的延長(zhǎng)，試件在溶液4、溶液6中質(zhì)量呈先下降后上升的趨勢(shì)，而試件在溶液1、溶液2、溶液3、溶液5中，質(zhì)量均保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。試件在溶液1～3中質(zhì)量分別增長(zhǎng)了2.77%，2.86%，2.9%。質(zhì)量增長(zhǎng)為溶液3>溶液2>溶液1。溶液1、溶液2、溶液3均為單一氯鹽溶液。由此看出，氯鹽濃度越高，試件后期的質(zhì)量增長(zhǎng)越大。分析其原因，溶液中離子濃度越高，與混凝土內(nèi)部的濃度差越大，加速了氯離子的滲透作用；大量的氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部與水化產(chǎn)物生產(chǎn)南極石(六水氯化鈣H12CaCl2O6)，填充了內(nèi)部的孔隙，相應(yīng)地增加了試件的密實(shí)性，同時(shí)減少了混凝土材料脫落的路徑，因此導(dǎo)致試件質(zhì)量上的增加。試件在溶液4～6中質(zhì)量分別增長(zhǎng)了3.35%，3.33%，3.34%。溶液4～6中同時(shí)存在氯鹽和硫酸鹽，對(duì)比溶液4與溶液5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cl-濃度一定時(shí)，SO42-濃度越高，對(duì)試件侵蝕后的質(zhì)量變化率影響越大。對(duì)比溶液4和溶液6，發(fā)現(xiàn)在300d浸泡周期內(nèi)，溶液4中試件質(zhì)量增長(zhǎng)比溶液6要高，說(shuō)明氯鹽對(duì)硫酸鹽侵蝕具有抑制作用。

溶液1、溶液2中HDC試件質(zhì)量/g 表2

溶液3、溶液4中HDC試件質(zhì)量/g 表3

圖5 質(zhì)量變化率

溶液5、溶液6中HDC試件質(zhì)量/g 表4

綜上所述，在長(zhǎng)期浸泡過(guò)程中，硫酸鹽對(duì)HDC的侵蝕效果要比氯鹽侵蝕嚴(yán)重，當(dāng)溶液中SO42-濃度一定時(shí)，隨著氯鹽含量的增加，表面侵蝕特征越明顯。

2.2 強(qiáng)度變化分析

在6種溶液浸泡下的HDC試件在達(dá)到預(yù)定浸泡周期時(shí)，對(duì)其進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。試件在6種溶液下試件的抗折、抗壓強(qiáng)度隨浸泡周期的耐蝕系數(shù)變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖6，7。由圖表可知，試件在6種不同侵蝕離子濃度溶液下經(jīng)過(guò)浸泡后，隨著浸泡周期的增長(zhǎng)，其抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化趨勢(shì)基本相似，在浸泡初期有小幅增長(zhǎng)，隨后出現(xiàn)大幅降低。

2.2.1 抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

由圖6可知，溶液1～3和溶液4～6中的試件在浸泡初期變化趨勢(shì)相反：溶液1～3中試件的抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)出現(xiàn)小幅增大，且在浸泡90d時(shí)，抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)基本大于1，說(shuō)明在浸泡前期，HDC試件的強(qiáng)度仍在繼續(xù)增長(zhǎng)；在浸泡240d內(nèi)時(shí)，溶液2中試件的強(qiáng)度要高于溶液1中的試件，說(shuō)明離子濃度在一定范圍內(nèi)，其抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)與離子濃度成正比；當(dāng)浸泡超過(guò)240d時(shí)，溶液1中試件的抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)開始大于溶液2中的試件。溶液3中試件的抗折強(qiáng)度要小于溶液1、溶液2中的試件，說(shuō)明當(dāng)Cl-離子濃度超過(guò)10%時(shí)，其抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)隨浸泡周期逐漸降低；當(dāng)浸泡至360d時(shí)，溶液1～3的抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)分別為0.880，0.849，0.826；溶液4～6在浸泡至90d時(shí)才開始出先下降，隨后

圖6 抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

溶液1～6中HDC試件抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)強(qiáng)度值 表5

抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)大幅度下降，通過(guò)將溶液4與溶液5、溶液4與溶液6中的試件的抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)侵蝕介質(zhì)中同時(shí)存在Cl-，SO42-復(fù)合作用時(shí)，SO42-濃度高的溶液比Cl-濃度高的溶液對(duì)試件強(qiáng)度影響大。從整體分析，HDC試件在不同溶液下經(jīng)過(guò)360d浸泡后，溶液5對(duì)試件影響最大，其抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)下降18.8%，溶液2對(duì)試件影響最小，其抗折強(qiáng)度耐蝕系數(shù)下降13.7%。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

從圖7中可看出，試件在6種溶液中浸泡前180d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)較集中，變化趨勢(shì)也基本相似，前90d抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng)，隨后逐漸降低，當(dāng)浸泡超過(guò)180d時(shí)，各溶液中的試件抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)開始有明顯的區(qū)別，該系數(shù)降低程度為：溶液6>溶液5>溶液4>溶液3>溶液2>溶液1。分析原因，試件內(nèi)部與溶液存在濃度差，溶液濃度越大，滲透進(jìn)入試件內(nèi)部的侵蝕性離子越多，一方面在試件空隙中結(jié)晶，另一方面在試件內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶性的南極石和鈣礬石，對(duì)試件內(nèi)部空隙產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，但由于高延性纖維混凝土含有纖維，能抵抗部分由于結(jié)晶和化學(xué)產(chǎn)物產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，因此，試件的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)降低較少。

圖7 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)

3 混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度衰減模型

3.1 抗折強(qiáng)度衰減模型

混凝土的抗折強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的變化大致符合二次多項(xiàng)式規(guī)律，則混凝土抗折強(qiáng)度f(wàn)zct與侵蝕時(shí)間t的關(guān)系可以表示為：

fzct=kfzc0(c+bt+at2)

(1)

式中：c，b，a，k為待定系數(shù)；t為混凝土經(jīng)歷的侵蝕時(shí)間；fzct為鹵水侵蝕t天后HDC試件抗折強(qiáng)度；fzc0為沒(méi)有鹵水侵蝕時(shí)HDC試件的抗折強(qiáng)度。

本文以溶液4(5%NaCl+5%Na2SO4)的試驗(yàn)條件作為標(biāo)準(zhǔn)，采用最小二乘法對(duì)鹵水侵蝕和長(zhǎng)期浸泡共同作用360d內(nèi)混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果回歸分析得出：

fzct=kfzc0(0.974-5.932×10-5t-1.228×10-6t2)

(2)

設(shè)Kc為不同鹵水溶液濃度C的抗折強(qiáng)度修正系數(shù)，則相對(duì)抗壓強(qiáng)度比f(wàn)zct/fzc0與鹵水侵蝕時(shí)間t的關(guān)系為：

fzct/fzc0=Kc(0.974-5.932×10-5t-1.228×10-6t2)

(3)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同濃度鹵水溶液下混凝土相對(duì)抗折強(qiáng)度分別進(jìn)行以溶液4(5%NaCl+5%Na2SO4)的混凝土為標(biāo)準(zhǔn)做歸一化處理，此時(shí)C1=0.05,C2=0.05(C1為Cl-濃度，C2為SO42-濃度)，經(jīng)回歸計(jì)算得出修正系數(shù)Kc與溶液濃度的關(guān)系為：

Kc=-0.032C1+0.074C2+0.999 7

(4)

根據(jù)式(2)～(4)可得出不同濃度鹵水溶液長(zhǎng)期浸泡下HDC試件的抗折強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型如下：

(5)

HDC試件在12個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的抗折強(qiáng)度公式計(jì)算值及與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差見(jiàn)表6。由表6的各個(gè)浸泡周期的誤差計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算值比較貼合實(shí)測(cè)值，誤差均在10%以內(nèi)，說(shuō)明該抗折強(qiáng)度衰減模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)試驗(yàn)周期范圍內(nèi)的抗折強(qiáng)度。

3.2 抗壓強(qiáng)度衰減模型

混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度存在一定的比例關(guān)系，比例系數(shù)M=抗壓強(qiáng)度/抗折強(qiáng)度。由抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值，計(jì)算出比例系數(shù)的平均值M0=4.38，采用式(5)HDC抗折衰減模型，則抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

抗折強(qiáng)度計(jì)算值與誤差 表6

抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與誤差 表7

(6)

HDC試件在12個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的抗壓強(qiáng)度公式計(jì)算值及與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差見(jiàn)表7。從表7可看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明該強(qiáng)度衰減模型能較好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)周期范圍內(nèi)HDC試件的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(2)HDC試件在不同溶液下經(jīng)過(guò)360d浸泡后，其抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度均降低：5%濃度的Cl-，10%濃度的SO42-鹵水溶液對(duì)HDC試件的抗折強(qiáng)度影響最大，其值由21.29MPa降至17.48MPa，強(qiáng)度降低18.8%；10%濃度的Cl-、5%濃度的SO42-鹵水溶液對(duì)HDC試件的抗壓強(qiáng)度影響最大，其值由95.75MPa降至81.02MPa，強(qiáng)度降低15.4%。

(3)對(duì)HDC試件經(jīng)過(guò)侵蝕試驗(yàn)后的破壞狀態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)方法下侵蝕后的試件破壞形態(tài)主要為側(cè)面豎向斜裂縫的開展及出現(xiàn)多條裂縫，且保持較大的應(yīng)變，破壞后未出現(xiàn)大的貫通縫，說(shuō)明HDC試件在侵蝕后仍具有一定的抑制裂縫出現(xiàn)及裂縫發(fā)展的能力，整體性良好。

(4)建立了長(zhǎng)期浸泡作用下考慮不同溶液濃度影響的HDC試件的抗折、抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律預(yù)測(cè)模型，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差較小，表明

HDC試件的強(qiáng)度衰減模型可以為工程應(yīng)用提供可靠的計(jì)算數(shù)據(jù)。