溶蝕作用下混凝土層面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王少偉,徐應(yīng)莉,朱平華,劉 惠,呂奇峰

(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

混凝土結(jié)構(gòu)的施工澆筑層面以及裂縫等薄弱區(qū)直接影響其抗溶蝕耐久性，尤其是觸水混凝土結(jié)構(gòu)，在濃度梯度差作用下，混凝土層、縫面兩側(cè)鈣離子不斷向滲透水流中擴(kuò)散，致使混凝土層、縫面處溶蝕速度明顯快于其他部位。部分混凝土壩層面結(jié)合質(zhì)量較差，形成“千層餅”狀滲水通道，壩體廊道和下游面“流白漿”現(xiàn)象也屢見不鮮[1]。

混凝土澆筑層面的結(jié)合質(zhì)量直接影響層面的抗?jié)B性和黏結(jié)性能，而研究表明層間間歇時(shí)間以及層面處理方式是控制混凝土澆筑層面質(zhì)量的重要因素[2]，如錢鵬等[3]發(fā)現(xiàn)層面滲透系數(shù)隨層間間歇時(shí)間的延長而增大，間歇15 h(終凝后)試件的滲透系數(shù)約為無層面試件的370多倍；覃茜等[4]研究發(fā)現(xiàn)初凝前層間間歇時(shí)間對層面黏結(jié)性能的影響不大，超過初凝時(shí)間后，黏結(jié)性能隨層間間歇時(shí)間的增大而明顯減弱；丁祖德等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)隨著結(jié)合面粗糙度的增大，結(jié)合面滲透系數(shù)減小，抗剪強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度增大。因此，間歇時(shí)間將引起混凝土澆筑層面黏結(jié)性能的衰退，對于高水壓力運(yùn)行環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，其面臨的水力劈裂問題將進(jìn)一步加劇[7]。在混凝土溶蝕方面，目前主要是通過加速溶蝕試驗(yàn)來研究溶蝕過程中混凝土的物理力學(xué)性能演變規(guī)律[8-10]，總體表現(xiàn)為：隨著溶蝕時(shí)間的延長，水泥基材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)均趨于變差，劈裂抗拉強(qiáng)度對溶蝕最為敏感，其次是彈性模量和抗壓強(qiáng)度，然而由于試驗(yàn)條件、方法等方面的差異，目前尚無較為統(tǒng)一的衰減模型。對于遭受溶蝕作用的帶縫混凝土，孔祥芝等[11]研究發(fā)現(xiàn)溶蝕沿縫面的法向逐漸向兩側(cè)混凝土的內(nèi)部延伸，縫兩側(cè)混凝土的孔隙率增大，縫面摩擦因數(shù)、黏聚力及抗剪強(qiáng)度均下降；方永浩等[12]對裂縫寬度為0.1～0.4 mm的圓柱體混凝土試件進(jìn)行了高壓滲透試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲透速率隨裂縫寬度的增大而增大，由此表明溶蝕作用下縫面對混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、滲透性和力學(xué)性能均有重大影響。

綜上可知，現(xiàn)有研究成果多是針對混凝土澆筑層面的滲透性和黏結(jié)性能，以及無層面混凝土在溶蝕作用下的性能退化，而對澆筑層面的抗溶蝕性及其影響因素的試驗(yàn)研究較少。為此，本文采用濃度為0.5 mol/L的稀硝酸溶液，對不同澆筑層間間歇時(shí)間和有無鑿毛處理的含層面混凝土試件進(jìn)行加速溶蝕試驗(yàn)，研究層面溶蝕評價(jià)指標(biāo)的時(shí)變規(guī)律，并建立層面劈裂抗拉強(qiáng)度的預(yù)測模型，以期用于現(xiàn)場環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能評估。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，化學(xué)組分見表1?；炷僚浜媳戎?，水灰比為0.50，水、水泥、砂子、石子的用量分別為230 kg/m3、460 kg/m3、605 kg/m3、1 075 kg/m3，其中粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑為10 mm，級配良好；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.46，屬于中砂；拌和水為普通自來水。

表1 水泥的化學(xué)組分

混凝土浸泡加速溶蝕試驗(yàn)中，濃度梯度會隨溶蝕深度的增大而減小，后期溶蝕進(jìn)程非常緩慢，而當(dāng)溶蝕深度較淺時(shí)，可獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較少。為此，本文選用邊長為50 mm的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件，以期最終溶蝕面積比超過50%。先澆筑試件底部1/2，達(dá)到設(shè)計(jì)層間間歇時(shí)間后再澆筑上部1/2。本文中混凝土的初凝時(shí)間為4.2 h，終凝時(shí)間為10.2 h，層間間歇時(shí)間分別設(shè)置為0 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h，并對6 h、12 h和24 h的澆筑層面進(jìn)行有無鑿毛處理的對比試驗(yàn)(鑿毛方法為用硬毛刷掃毛和鐵刷打磨，并控制層面粗糙度基本一致)，試件編號分別為C0、C3、C6、CP6、C9、C12、CP12、C24、CP24，其中CP6、CP12、CP24為進(jìn)行鑿毛處理的對比試件。待試件成型24 h后脫模，再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d。為確保溶蝕僅發(fā)生在試件四周，取出試件陰干后，在平行于層面的試件上下表面涂抹乙烯基樹脂涂層，繼續(xù)陰干不少于24 h，之后進(jìn)行溶蝕試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

溶蝕介質(zhì)選用濃度為0.5 mol/L的稀硝酸溶液，浸泡溶液按固、液體積比1∶6設(shè)計(jì)。溶液的初始pH值為0.3，試驗(yàn)過程中定期測試浸泡液的pH值，并及時(shí)補(bǔ)充硝酸，以確保濃度固定。劈裂抗拉強(qiáng)度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，由YNS 300型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)沿層面進(jìn)行測量。溶蝕深度分層面和本體兩種，平行于層面方向分別沿層面和1/4高度處切開試件后，在切開面噴涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的酚酞指示劑，未溶蝕區(qū)顏色變紅后，測量試件邊緣到變色分界線的距離。利用EDTA絡(luò)合滴定法測試浸泡溶液中的鈣離子濃度，結(jié)合浸泡溶液體積和試件初始鈣離子濃度，計(jì)算鈣離子累計(jì)相對溶蝕量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泥基材料在接觸溶蝕過程中，鈣離子的擴(kuò)散現(xiàn)象滿足Fick第二定律，因此溶蝕評價(jià)指標(biāo)與溶蝕時(shí)間平方根之間存在如下線性關(guān)系[9]：

(1)

式中：d、d0分別為溶蝕評價(jià)指標(biāo)的當(dāng)前值和初始值；t為溶蝕時(shí)間；a為溶蝕程度發(fā)展系數(shù)。

2.1 層面劈裂抗拉強(qiáng)度

圖1為層面未鑿毛混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律。從圖1(a)可以看出，隨著溶蝕齡期的延長，層面劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，初期下降速度較快，其中0～9 d內(nèi)的平均下降速率為0.13 MPa/d，遠(yuǎn)大于9～60 d內(nèi)的平均下降速率0.05 MPa/d，表明劈裂抗拉強(qiáng)度對溶蝕具有一定的敏感性；溶蝕60 d時(shí)，間歇時(shí)間0 h、3 h、6 h、9 h、12 h和24 h情況下，層面劈裂抗拉強(qiáng)度降幅分別為69.6%、70.6%、73.9%、74.6%、78.9%和78.8%。圖1(b)表明，不同溶蝕齡期下，層間間歇時(shí)間對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致，均是隨層間間歇時(shí)間的增大而減小，且12 h以內(nèi)的強(qiáng)度衰減速率較快，而大于12 h后劈裂抗拉強(qiáng)度的變化相對較小，其中未溶蝕試件的強(qiáng)度初值在12 h內(nèi)由5.27 MPa降至4.50 MPa，降幅為14.6%，可用擬合方程表示為

圖1 層面劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律

fst0=0.001 9τ2-0.089 8τ+5.303 5

(R2=0.990)

(2)

fst=fst0-0.45t0.5(R2=0.94 9)

(3)

式中：fst0、fst分別為溶蝕前和一定溶蝕程度后的層面劈裂抗拉強(qiáng)度；τ為層面間歇時(shí)間；R2為擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)。

整體而言，層面劈裂抗拉強(qiáng)度與溶蝕時(shí)間平方根之間具有較好的線性關(guān)系，可忽略層間間歇時(shí)間對強(qiáng)度下降速率的影響。

2.2 溶蝕深度

圖2(a)為層面溶蝕深度與本體溶蝕深度的差值。層面的溶蝕深度均大于本體溶蝕深度，后者與層間間歇時(shí)間無關(guān)，溶蝕9 d、28 d和60 d后，本體溶蝕深度分別為3.5 mm、6.9 mm和9.0 mm。從圖2(a)可以看出：相同溶蝕時(shí)間下，層面與本體之間的溶蝕深度差隨著層間間歇時(shí)間的延長而增大，而鑿毛處理能在一定程度上減小溶蝕深度差；溶蝕時(shí)間越長，相同層間間歇時(shí)間下的溶蝕深度差越大，如間歇24 h、溶蝕60 d時(shí)層面相對本體的溶蝕深度增幅為20.4%。原因主要是層間間歇時(shí)間越長，層面黏結(jié)質(zhì)量越差，層面附近的微裂縫越多、寬度越大，且微裂縫的優(yōu)勢方向逐漸趨于順澆筑層面方向，進(jìn)而導(dǎo)致浸泡溶液和鈣離子的擴(kuò)散速率越快；隨著溶蝕時(shí)間的延長，層面的劣化程度將明顯嚴(yán)重于遠(yuǎn)離層面處的本體混凝土。從圖2(b)可以看出，層面溶蝕深度均隨溶蝕時(shí)間呈上升趨勢，與溶蝕時(shí)間的平方根呈線性正比關(guān)系；隨著層間間歇時(shí)間的延長，層面溶蝕深度逐漸增大，溶蝕9 d、28 d和60 d時(shí)，層間間歇時(shí)間增至24 h將導(dǎo)致層面溶蝕深度分別增加15.0%、13.1%和14.0%。

圖2 不同試件不同溶蝕時(shí)間的層面溶蝕深度

2.3 鈣離子累計(jì)相對溶蝕量

圖3為混凝土試件鈣離子累計(jì)相對溶蝕量ΔCa2+的變化規(guī)律。從圖3(a)可看出：鈣離子累計(jì)相對溶蝕量隨溶蝕時(shí)間的延長而增大，溶蝕初期增長速率最快，之后趨于緩慢，其與溶蝕時(shí)間平方根之間具有良好的線性關(guān)系，可表示為：ΔCa2+=0.052 9t0.5(R2=0.992)，此結(jié)果與鈣離子溶蝕擴(kuò)散過程滿足Fick第二定律的通用試驗(yàn)結(jié)果一致，也驗(yàn)證了本次試驗(yàn)過程的合理性。圖3(b)表明層間間歇時(shí)間對鈣離子累計(jì)相對溶蝕量略有影響，層間間歇時(shí)間越長，相同溶蝕齡期下的鈣離子累計(jì)溶蝕量越大，溶蝕齡期分別為9 d、28 d和60 d時(shí)，層間間歇時(shí)間由0 h增至24 h所引起的鈣離子累計(jì)相對溶蝕量增幅分別為4.9%、5.4%和9.1%，表明溶蝕60 d時(shí)的增幅明顯增大，原因是澆筑層面為混凝土抗溶蝕的薄弱部位，溶蝕齡期較長時(shí)，澆筑層面將發(fā)展為溶蝕通道，大量鈣離子將由此擴(kuò)散。

圖3 鈣離子累計(jì)相對溶蝕量的變化規(guī)律

圖4為溶蝕過程中鈣離子累計(jì)相對溶蝕量ΔCa2+與溶蝕面積比ΔA之間的關(guān)系，試件配合比見文獻(xiàn)[13]。無層面凈漿、砂漿和混凝土試件所用材料與有層面混凝土試件完全相同，試件均為邊長50 mm的立方體。從圖4可以看出：無層面情況下，ΔCa2+與ΔA之間均具有良好的線性關(guān)系，并且與水泥基材料種類和水灰比基本無關(guān)，擬合曲線斜率為0.56，表明溶蝕區(qū)鈣離子的平均溶蝕程度為56%；有層面混凝土試件在溶蝕齡期28 d之前，ΔCa2+與ΔA之間也呈線性關(guān)系，斜率為0.57，而溶蝕齡期60 d時(shí)的ΔCa2+與ΔA擬合曲線斜率為0.65，明顯超過此線性關(guān)系對應(yīng)值，表明此時(shí)應(yīng)有大量的鈣離子沿澆筑層面擴(kuò)散出來。對比分析結(jié)果表明：隨著溶蝕齡期的延長，層面的抗溶蝕薄弱程度進(jìn)一步加劇，與本體溶蝕程度的差異性將更加明顯，因此在進(jìn)行溶蝕作用下混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能評價(jià)時(shí)，應(yīng)更多地關(guān)注施工層面及裂縫等局部區(qū)域。

圖4 鈣離子累計(jì)相對溶蝕量與溶蝕面積比之間的關(guān)系

2.4 鑿毛處理對層面抗溶蝕性能的影響

圖5為層面有無鑿毛處理情況下溶蝕評價(jià)指標(biāo)隨溶蝕時(shí)間的變化規(guī)律，圖6為層面鑿毛處理后溶蝕評價(jià)指標(biāo)的變化百分比?？傮w上看，相同層間間歇時(shí)間下，鑿毛處理后的層面劈裂抗拉強(qiáng)度略微提升，溶蝕深度和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量減小，表明鑿毛處理能在一定程度上提高澆筑層面的力學(xué)性能和抗溶蝕性；層間間歇時(shí)間越長，鑿毛處理所能達(dá)到的提升效果越弱，層間間歇時(shí)間在6 h以內(nèi)時(shí)，層面鑿毛處理所能達(dá)到的效果最好。此外，層面是否鑿毛處理對溶蝕過程中劈裂抗拉強(qiáng)度衰減速度的影響較小，鑿毛處理試件的層面劈裂抗拉強(qiáng)度與溶蝕時(shí)間平方根之間的關(guān)系為fst=fst0-0.44t0.5(R2=0.962)。

圖5 層面有無鑿毛處理下的評價(jià)指標(biāo)

圖6 鑿毛處理后溶蝕評價(jià)指標(biāo)的變化百分比

層間間歇時(shí)間和鑿毛處理對混凝土澆筑層面力學(xué)性能和滲透性的影響主要由層面黏結(jié)質(zhì)量決定[2-3]。對比各試件劈裂面可發(fā)現(xiàn)：由于澆筑層面的存在，劈裂面粗糙度相對較小，兩側(cè)幾乎沒有石子相互嵌入；未鑿毛處理情況下，試件完全沿層面劈裂開，劈裂面平滑、多孔且有大量浮漿，進(jìn)而導(dǎo)致黏結(jié)性能較差，由表及里溶蝕過程中形成的溶蝕鋒較為平順，完全不受骨料的影響；鑿毛處理后層面附近的劈裂面凹凸不平，溶蝕鋒受骨料影響較明顯，呈不規(guī)則狀態(tài)，表明鑿毛處理能提升澆筑層面的黏結(jié)質(zhì)量。

3 混凝土澆筑層面劈裂抗拉強(qiáng)度預(yù)測模型

鈣含量的變化能有效地反映水泥基材料的物理力學(xué)性能演變[8-10]。圖7為層面相對劈裂抗拉強(qiáng)度frst(溶蝕后強(qiáng)度值與未溶蝕時(shí)強(qiáng)度值之比)與溶蝕時(shí)間平方根和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量之間的關(guān)系?？梢钥闯?，層面劈裂抗拉強(qiáng)度隨溶蝕時(shí)間平方根和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量的增大而線性下降，層間間歇時(shí)間以及鑿毛處理主要影響的是強(qiáng)度初值，而對下降速率的影響較小。

圖7 層面相對劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律

溶蝕深度在實(shí)際工程中不易測量，且僅出現(xiàn)在接觸溶蝕中，不適用于滲透溶蝕，而鈣離子溶蝕量可根據(jù)監(jiān)測得到的滲流量及滲透水中的鈣離子濃度進(jìn)行計(jì)算。對此，本文以溶蝕時(shí)間和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量作為自變量，建立基于溶蝕時(shí)間和基于鈣離子累計(jì)相對溶蝕量的預(yù)測模型分別如下：

(4)

fst=fst0(1-1.729 9ΔCa2+)

(5)

計(jì)算結(jié)果表明，基于溶蝕時(shí)間和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量所建預(yù)測模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.979 9和0.977 1，除個(gè)別數(shù)據(jù)外相對誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程精度分析要求。

由于去離子水溶蝕環(huán)境最接近工程實(shí)際環(huán)境，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中混凝土試件的配合比以及鈣離子溶蝕質(zhì)量，計(jì)算得到去離子水溶蝕環(huán)境下鈣離子累計(jì)相對溶蝕量與溶蝕時(shí)間平方根之間的系數(shù)為3.75×10-4，而第2.3節(jié)中該系數(shù)為0.052 9，則濃度為0.5 mol/L硝酸溶液中的加速溶蝕倍率為

(6)

式中：aHNO3、aH2O分別為浸泡在濃度為0.5 mol/L硝酸溶液和去離子水溶液中試件的鈣離子累計(jì)相對溶蝕量與溶蝕時(shí)間平方根之間的線性斜率值；β為加速溶蝕倍率。

式(6)計(jì)算結(jié)果表明：濃度為0.5 mol/L硝酸溶液環(huán)境下混凝土溶蝕的加速倍率約為2萬倍。混凝土抗溶蝕耐久性尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中設(shè)計(jì)使用年限100 a時(shí)寒冷地區(qū)混凝土抗凍耐久性指數(shù)不低于60%的規(guī)定，層間間歇時(shí)間為0 h情況下，基于劈裂抗拉強(qiáng)度確定的澆筑層面耐溶蝕年限為1 212 a(根據(jù)式(3)計(jì)算強(qiáng)度衰減至層面無間歇試件強(qiáng)度初值的60%時(shí)所需的加速試驗(yàn)時(shí)間，然后按照式(6)中的加速溶蝕倍率進(jìn)行轉(zhuǎn)換)；如果層間間歇時(shí)間增至12 h，此時(shí)耐溶蝕年限將縮減至467 a，縮幅達(dá)61%，表明澆筑層面的存在將嚴(yán)重制約觸水混凝土的耐溶蝕年限。上述耐溶蝕年限是根據(jù)混凝土的接觸溶蝕環(huán)境推算的，相比滲透溶蝕，接觸溶蝕發(fā)展過程非常緩慢，因此得到的耐溶蝕年限較長。如國內(nèi)某溶蝕較嚴(yán)重的碾壓混凝土壩，1993年下閘蓄水，根據(jù)2003年監(jiān)測的總滲流量和溶蝕區(qū)總含鈣量，估算得到該壩運(yùn)行10 a后的平均鈣溶蝕程度為4.3%[14]，而根據(jù)2.3節(jié)計(jì)算規(guī)律，可得接觸溶蝕情況下達(dá)到此溶蝕程度則需要49 a，按此轉(zhuǎn)換規(guī)律和該壩當(dāng)前滲漏溶蝕狀況，澆筑層面的存在將導(dǎo)致其耐溶蝕年限由247 a縮減至95 a。實(shí)際上，混凝土壩滲透溶蝕劣化具有非常強(qiáng)的空間變異性，主要溶蝕區(qū)是壩體上游側(cè)[15]，因此上游面附近壩體混凝土的溶蝕程度應(yīng)遠(yuǎn)大于4.3%，實(shí)際耐溶蝕年限會更短。

4 結(jié) 論

a.混凝土層面劈裂抗拉強(qiáng)度與溶蝕時(shí)間平方根和鈣離子累計(jì)相對溶蝕量之間具有良好的線性反比關(guān)系，層間間歇時(shí)間和鑿毛處理主要影響強(qiáng)度初值，而對溶蝕過程中層面劈裂抗拉強(qiáng)度下降速率的影響較小。

b.層面劈裂抗拉強(qiáng)度隨澆筑層間間歇時(shí)間的延長而減小，間歇12 h以內(nèi)呈線性下降趨勢，12 h的強(qiáng)度降幅為14.6%，由此將導(dǎo)致混凝土澆筑層面的耐溶蝕年限縮減61%；溶蝕60 d，層間間歇時(shí)間由0 h增至12 h，層面劈裂抗拉強(qiáng)度降幅由69.6%增至78.9%；鑿毛處理能在一定程度上提升層面的力學(xué)性能和抗溶蝕性，以6 h內(nèi)的鑿毛處理效果最佳。

c.間歇時(shí)間越長，層面溶蝕程度越大，間歇24 h時(shí)，層面溶蝕深度增加15%；層面溶蝕程度明顯大于本體，且溶蝕時(shí)間越長，相差越大，間歇24 h、溶蝕60 d后，層面相對本體的溶蝕深度增幅為20.4%，因此在進(jìn)行溶蝕作用下混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能評估時(shí)，應(yīng)更多地關(guān)注施工層面及裂縫等局部區(qū)域。

d.濃度為0.5 mol/L硝酸溶液環(huán)境下混凝土溶蝕的加速倍率約為2萬倍；此溶蝕環(huán)境下，無層面凈漿、砂漿和混凝土的溶蝕區(qū)鈣離子平均溶蝕程度均為56%。