鹵水長(zhǎng)期浸泡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，李勇杰，張亞茹，張嘉瑋，周 恒

（1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 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，陜西 西安 710048；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

引言

鹵水離子廣泛存在于海水、地下水、酸雨等環(huán)境中，鹵水中大量SO42-和Cl-進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，加劇體積膨脹，使混凝土的開(kāi)裂越來(lái)越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞［1］。尤其是西北鹽湖地區(qū)，鹵水侵蝕成為影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一。

單一硫酸鹽或者氯鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)研究已有許多成果［2］，美國(guó)學(xué)者［3-5］通過(guò)在鹽溶液中長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)來(lái)測(cè)試混凝土氯離子的擴(kuò)散程度，到不同擴(kuò)散深度處的氯離子含量。S.U.-Dulaijan 等［6］研究了硫酸鹽濃度增加，混凝土強(qiáng)度降低明顯。高潤(rùn)東等［7］研究了硫酸根離子在混凝土內(nèi)的分散和傳輸規(guī)律。牛荻濤等［8］研究了鹽湖鹵水侵蝕抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。金祖權(quán)等［9］得出硫酸鹽的存在會(huì)降低混凝土中氯離子的結(jié)合能力，且硫酸鹽濃度越高，氯離子的結(jié)合能力越低，摻加一定量的礦物摻合料可以改善氯離子的結(jié)合能力。張茂花等［10］將納米SiO2和納米CaCO3摻入到普通基礎(chǔ)混凝土中，提高了基礎(chǔ)混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。梁詠寧等［11］對(duì)氯鹽對(duì)受硫酸鹽腐蝕混凝土性能得出氯鹽濃度越高延緩效果越好。彭建新等［12］對(duì)氯鹽侵蝕下鋼筋混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)得出氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的提高而提高，滲透速度則隨著滲透深度的增加而減慢?？芗蚜恋龋?3］得出活性粉末混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，隨著干濕循環(huán)時(shí)間的增加，活性粉末混凝土的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度損失率均呈現(xiàn)先緩慢增長(zhǎng)后緩慢降低的趨勢(shì)。

針對(duì)鹽湖地區(qū)鹵水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕，課題組以美國(guó)Li V.C 教授［14］提出的Engineering Cementitious Composites（ECC）理論為基礎(chǔ)，結(jié)合陜西地方材料，配制出具有良好裂縫控制能力、高強(qiáng)度和韌性的高延性混凝土（High Ductile Concrete，簡(jiǎn)稱HDC）。

為了研究鹵水環(huán)境下HDC 的強(qiáng)度變化規(guī)律，進(jìn)一步探究鹵水濃度等因素對(duì)HDC 強(qiáng)度的影響程度。課題組通過(guò)鹵水長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)，對(duì)不同濃度鹵水下HDC受力性能隨著浸泡時(shí)間不同進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，測(cè)定4種不同環(huán)境（Cl-+SO42-復(fù)合環(huán)境）中HDC的強(qiáng)度變化規(guī)律。通過(guò)清水與不同濃度（Cl-+SO42-）抗壓強(qiáng)度的對(duì)比得到其不同濃度下強(qiáng)度劣化模型，并且HDC在長(zhǎng)期浸泡的作用下，其內(nèi)部和表面都會(huì)受到損傷破壞，在此基礎(chǔ)上，研究其抗壓強(qiáng)度衰減模型和損傷破壞準(zhǔn)則，對(duì)工程應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

HDC 是一種高延性精細(xì)混凝土，所以只選用細(xì)骨料，文中選取了灞河精細(xì)河砂，最大粒徑為1.18 mm。選用銅川某公司生產(chǎn)的P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，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。其中PVA纖維型號(hào)為日本KURARAYK-II纖維。

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)采用的HDC 具有較高的強(qiáng)度和延性，其配合比為m水泥：m粉煤灰：m砂：m水：m纖維：m減水劑=1：1：0.72：0.58：0.043：0.03，纖維體積摻量為2.0%，指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PVA纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Properties of PVA fiber

1.3 試件準(zhǔn)備

試件制作，先將粉煤灰、水泥、細(xì)砂精確稱量，放入攪拌機(jī)攪拌1～2 min，一段時(shí)間后加水和減水劑，繼續(xù)攪拌5 min，最后均勻撒入PVA 纖維，攪拌3 min。將攪拌好的膠凝材料裝入模具中振搗成型，置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)60 s，最后將表面抹平并用塑料薄膜覆蓋。置于室溫下2 d后拆模，并放入水箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度（20℃±2℃），試件澆筑完成28 d后結(jié)束養(yǎng)護(hù)，放于室內(nèi)環(huán)境中放置90 d，并保持環(huán)境干燥通風(fēng)。

1.4 試驗(yàn)環(huán)境

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種鹵水濃度，詳見(jiàn)表2所示。

表2 鹵水濃度Table 2 Brine density

2 試驗(yàn)測(cè)定方法

HDC 受壓試驗(yàn)均采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，試件共144個(gè)，放置在3種不同的鹵水溶液中外加一組清水對(duì)照組。部分試件見(jiàn)圖1 所示，浸泡時(shí)間至360 d，每30 d 測(cè)量一次質(zhì)量和強(qiáng)度。強(qiáng)度測(cè)量采用單軸受壓靜載試驗(yàn)在WAW1 000萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示。

圖1 抗壓試件Fig.1 Compressive specimen

圖2 WAW-1000C萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 WAW-1000C electro hydraulic servo universal machine

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 HDC質(zhì)量測(cè)定和分析

試驗(yàn)使用感量為0.1 g 的電子天平測(cè)量混凝土在不同侵蝕時(shí)間的質(zhì)量變化。參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）中試驗(yàn)方法［15］。

HDC在4種溶液中隨著浸泡時(shí)間的不同，質(zhì)量的變化及損失率見(jiàn)表3、表4及圖3所示。

HDC在不同濃度的Cl-+SO42-溶液中的質(zhì)量及損失變化如表3、表4和圖3所示。可以看出，HDC在溶液1 中從0 至180 d，質(zhì)量一直處于減少的狀態(tài)，在浸泡150 d 時(shí)質(zhì)量損失最大達(dá)到0.8%，總體上在清水中的質(zhì)量為先減少后增加，而后繼續(xù)減少直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 不同鹵水中HDC質(zhì)量損失率Fig.3 Quality loss rate of HDC in different brine

表3 不同鹵水長(zhǎng)期浸泡下HDC質(zhì)量Table 3 The medium and long-term soak quality of different brines

表4 不同鹵水中HDC質(zhì)量損失率Table 4 The quality loss rate of HDC in different brines %

溶液2（5%Cl-+5%SO42-）濃度作用下的混凝土質(zhì)量損失率剛開(kāi)始出現(xiàn)一個(gè)升高階段，在90 d 時(shí)質(zhì)量損失率從最初-0.2%增加到0.4%，增加幅度比較明顯，當(dāng)浸泡至360 d結(jié)束時(shí)，質(zhì)量損失率為0.2%。

溶液3（5%Cl-+10%SO42-）濃度下0至180 d的質(zhì)量損失率0.2%到0.3%之間，幾乎質(zhì)量一直處于下降的階段，從240 d 至浸泡結(jié)束，HDC 試塊的質(zhì)量出現(xiàn)增加，最大損失率達(dá)致-0.6%。

溶液4（10%Cl-+5%SO42-）濃度下HDC總體質(zhì)量損失率幾乎各個(gè)階段一直處于小于零的狀態(tài)，即質(zhì)量整體上處于增加的。最大的質(zhì)量損失率達(dá)至-1.1%。

HDC質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象是因?yàn)槿芤和ㄟ^(guò)HDC裂縫滲入內(nèi)部，并在試塊內(nèi)部和表面形成結(jié)晶體，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)晶體的面積和裂縫深度就越大，質(zhì)量損失率出現(xiàn)正值現(xiàn)象是因?yàn)槿芤焊g導(dǎo)致HDC表面產(chǎn)生脫落掉皮現(xiàn)象。2種情況均會(huì)導(dǎo)致HDC強(qiáng)度損失。

比較HDC 在4 種溶液中浸泡至360 d 時(shí)質(zhì)量損失率的變化情況，可以得出溶液對(duì)其質(zhì)量損失率即影響程度上：溶液4＞溶液3＞溶液1＞溶液2。

針對(duì)4種溶液中HDC質(zhì)量的變化情況，可以得出：Cl-和SO42-的存在均在一定程度上填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部微小的孔隙。對(duì)比溶液2 和溶液4：Cl-濃度越高質(zhì)量總體上在一直增加，原因是濃度越高，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)部生產(chǎn)南極石（六水氯化鈣），填充了內(nèi)部的孔隙，同時(shí)減少了混凝土材料脫落的路徑。

比較溶液2 和溶液3：當(dāng)Cl-濃度一定時(shí)，硫酸根離子濃度越大，對(duì)侵蝕后試件的質(zhì)量變化率影響越大。由于硫酸鹽的存在，造成試件表面的結(jié)晶物質(zhì)主要為片狀鈣礬石，并且由于鈣礬石覆蓋在試件表面，削弱了試件的整體損傷程度。因此溶液3中后期的質(zhì)量相比于溶液2是增加的。

3.2 HDC強(qiáng)度測(cè)定和分析

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB500081-2002）［16］測(cè)試HDC試塊的抗壓強(qiáng)度。參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）［15］，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到75%為失效。

3.2.1 強(qiáng)度分析

HDC在4種溶液中隨著浸泡時(shí)間的不同，抗壓強(qiáng)度的變化及損失率見(jiàn)表5、圖4和圖5所示。

圖4 不同鹵水中HDC抗壓強(qiáng)度Fig.4 The compressive strength of HDC in the different brines

圖5 不同鹵水中HDC抗壓強(qiáng)度損失率Fig.5 The compressive strength loss rate of HDC in different brines

表5 HDC在不同鹵水溶液中的抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度損失率Table 5 Compressive strength and strength loss rate of HDC in different brine solutions

由表5 和圖4 可以看出在4 種不同的溶液中HDC 總體強(qiáng)度在65 MPa 到85 MPa 之間波動(dòng)。溶液1 中HDC的強(qiáng)度總體上大于其它3種溶液。浸泡時(shí)間從最開(kāi)始到120 d時(shí)，浸泡在溶液1和溶液4中的HDC強(qiáng)度呈現(xiàn)一種增高的趨勢(shì)，在溶液2 和溶液3 中的HDC 強(qiáng)度則一直處于逐漸降低的情況。當(dāng)浸泡150 d 到270 d時(shí)，4 種溶液中HDC 強(qiáng)度的變化均處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)浸泡270 d 到360 d 時(shí)，各個(gè)溶液中的HDC 強(qiáng)度之間趨于穩(wěn)定，最終，溶液中HDC強(qiáng)度表現(xiàn)為：溶液1＞溶液2＞溶液3＞溶液4。

3.2.2 HDC強(qiáng)度擬合公式

由表3 和圖3 可見(jiàn)，HDC 在清水中隨著浸泡時(shí)間的變化，強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后降低最后穩(wěn)定在79 MPa 左右，可以得出清水浸泡對(duì)HDC也有一定的影響，總體上使其強(qiáng)度降低。

溶液2（5%Cl-+5%SO42-）HDC 隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律大致分為3 個(gè)階段：第1 階段在30 d 至120 d 時(shí)，HDC強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；強(qiáng)度從最初的79.66 MPa下降了14.6%。第2階段從150 d至270 dHDC強(qiáng)度出現(xiàn)忽高忽低呈現(xiàn)出波動(dòng)變化；第3階段浸泡時(shí)間從300 d結(jié)束到360 d HDC強(qiáng)度在73 MPa左右趨于穩(wěn)定狀態(tài)?？傮w上HDC強(qiáng)度從最開(kāi)始至結(jié)束強(qiáng)度下降了7.7%。

將HDC 強(qiáng)度下降段和穩(wěn)定段抗壓強(qiáng)度和浸泡時(shí)間之間進(jìn)行擬合得到如下關(guān)系式1，并將擬合得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比比較見(jiàn)表6所示。

表6 比較溶液2中擬合計(jì)算值和實(shí)際值Table 6 Comparing calculated and actual values in solution 2

式中，x表示浸泡時(shí)間，y表示抗壓強(qiáng)度計(jì)算值。

由表6 可以看出通過(guò)公式（1）擬合出得出的計(jì)算值和實(shí)際值之間的差值在4.50 MPa 之間，差值率在0.07%～5.9%之間，剛開(kāi)始差值率還是比較小的，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，差值率逐漸增大，達(dá)至5.9%。但差值率還是在可以接受的范圍。

溶液3（5%Cl-+10%SO42-）HDC 隨浸泡時(shí)間的變化大致也分為3 個(gè)階段：第1 階段30 d～60 d HDC 強(qiáng)度降低，強(qiáng)度從最初的78.77 MPa 下降至67.86 MPa，下降比較明顯；第2 階段從60 d～180 d 強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)，強(qiáng)度從69.19 MPa 增長(zhǎng)至74.45 MPa；第3 階段從210 d～360 d HDC 整體強(qiáng)度變化范圍在68 MPa 至72 MPa之間，強(qiáng)度來(lái)回波動(dòng)但相比于前2個(gè)階段強(qiáng)度變化范圍比較穩(wěn)定。但總體上HDC強(qiáng)度從最開(kāi)始至結(jié)束強(qiáng)度下降了8.5%。

將HDC 強(qiáng)度下降段和增長(zhǎng)段抗壓強(qiáng)度和浸泡時(shí)間之間進(jìn)行擬合得到如關(guān)系式（2），并將擬合得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比比較見(jiàn)表7所示。

表7 比較溶液3擬合計(jì)算值和實(shí)際值Table 7 Comparing calculated and actual values in solution 3

由表7 可以看出通過(guò)公式（2）擬合得出的計(jì)算值和實(shí)際值之間的差值在1.70 MPa 之間，差值率在0%～2.2%之間，在浸泡時(shí)間30 d、60 d 和150 d 時(shí)差值率可以為0，說(shuō)明計(jì)算值和實(shí)際值之間十分吻合，也進(jìn)而說(shuō)明此擬合公式完全適用。

溶液4（10%Cl-+5%SO42-）HDC抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間變化依然呈現(xiàn)為3個(gè)階段。第1階段從30 d～150 d強(qiáng)度出現(xiàn)增加，從71.20 MPa 增加至77.27 MPa；第2 階段從150 d～240 d HDC 強(qiáng)度逐漸下降，強(qiáng)度降低了12.4%；第3階段從270 d至結(jié)束，強(qiáng)度基本穩(wěn)定于69.00 MPa左右。

將HDC強(qiáng)度下降段、增長(zhǎng)段和穩(wěn)定段抗壓強(qiáng)度和浸泡時(shí)間之間進(jìn)行擬合得到如下關(guān)系式（3），并將擬合得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表8所示。

表8 比較溶液4中擬合計(jì)算值和實(shí)際值Table 8 Comparing calculated and actual values in solution 4

由表8可以看出通過(guò)式（3）擬合得出的計(jì)算值和實(shí)際值之間的差值在3.80 MPa之間，整體上差值并不算很大，差值率在浸泡90 d時(shí)甚至只有0.1%，整體差值率在5%左右波動(dòng)，說(shuō)明3個(gè)階段的擬合公式可以適用。

3.2.3 強(qiáng)度變化原因分析

通過(guò)觀察HDC 在4種不同溶液中的強(qiáng)度變化，可以發(fā)現(xiàn)溶液1 浸泡至360 d 時(shí)，總體強(qiáng)度下降的最少。其它3種溶液HDC 強(qiáng)度下降程度均大于溶液1，這是因?yàn)槠渌?種溶液中有Cl-和SO42-存在，由于Cl-和SO42-分別會(huì)與混凝土發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

分別生成水化氯鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O）和鈣礬石。因此可以說(shuō)明在硫酸鹽、氯鹽共同腐蝕環(huán)境中，Cl-和SO42-會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生一定損傷。

比較溶液2 和溶液3：Cl-濃度相同的前提下，可以發(fā)現(xiàn)HDC 在相同濃度Cl-時(shí)，隨著SO42-濃度的增大，混凝土的強(qiáng)度總體降低的較大。但溶液3 中的強(qiáng)度在第2階段出現(xiàn)增長(zhǎng)，原因在于Cl-和SO42-生成的產(chǎn)物分別為水化氯鋁酸鈣和鈣礬石，鈣礬石的膨脹性較水化氯鋁酸鈣大，由于SO42-濃度較大，則鈣礬石的生成會(huì)增多，使得溶液3 中的混凝土的密實(shí)度會(huì)比溶液2 的密實(shí)度大，在第2階段時(shí)又因未過(guò)度膨脹引起微裂縫，因此，此階段的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)上升的情況。但總體上溶液3比溶液2中HDC的強(qiáng)度降低的較多，是因?yàn)楹笃谟捎阝}礬石過(guò)大的膨脹會(huì)使硬化混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小裂縫，使混凝土強(qiáng)度又降低且降低程度大于溶液2，即強(qiáng)度損失溶液3＞溶液2。

比較溶液2和溶液4：SO42-濃度相同；溶液4中Cl-的含量是SO42-含量的兩倍，導(dǎo)致在剛開(kāi)始的階段水化氯鋁酸鈣的生成相比于溶液2 會(huì)比較多，較多的水化氯鋁酸鈣恰好會(huì)填充HDC 中微小的孔隙，從而使其變得密實(shí)，則剛開(kāi)始強(qiáng)度不會(huì)呈現(xiàn)大幅度明顯的下降。進(jìn)而達(dá)到延緩混凝土的損傷，因此剛開(kāi)始強(qiáng)度下降的也會(huì)變小。但隨著浸泡時(shí)間的增加，SO42-離子會(huì)繼續(xù)與Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成大量的鈣礬石，而鈣礬石的膨脹量遠(yuǎn)大于水化氯鋁酸鈣，過(guò)大的膨脹量會(huì)導(dǎo)致HDC微裂縫的生成。而Cl-和SO42-總的濃度大于溶液2，因此最終強(qiáng)度損失率溶液4＞溶液2。

溶液3 中HDC 強(qiáng)度剛開(kāi)始下降大于溶液4 是因?yàn)?，溶? 中Cl-的含量較少。最開(kāi)始Cl-與Ca（OH）2和C3A（3CaO·Al2O3·CaCl2·6H2O）反應(yīng)生成水化氯鋁酸鈣的量比較少，生成的量不足以致密，不能達(dá)到提高HDC 強(qiáng)度的水平。且溶液4 氯鹽濃度高，共同腐蝕環(huán)境中，氯離子的存在會(huì)起到延緩效果。但并不會(huì)阻礙HDC 的被侵蝕，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，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，最終達(dá)到的破壞程度大于溶液3，即強(qiáng)度損失溶液4＞溶液3。

4 HDC抗壓強(qiáng)度衰減模型

HDC 的相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的變化大致符合二次多項(xiàng)式規(guī)律，則混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)ct，與鹽類侵蝕時(shí)間t的關(guān)系可以表示為［17］：

式中，k、a、b為待定系數(shù)；fct、fc0分別為HDC受鹽類侵蝕后的抗壓強(qiáng)度和清水對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度；t為HDC經(jīng)歷的鹽類侵蝕時(shí)間。

以溶液2（5%Cl-+5%SO42-）溶液為例子，采用最小二乘估計(jì)法進(jìn)行線性回歸分析，

式中，YB為耐蝕系數(shù)。

對(duì)溶液2中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析得到式（7）和式（8）。

同理溶液3：

溶液4：

結(jié)合式（8）、（9）和式（10）可以發(fā)現(xiàn)方程右邊各除以1.07、0.98和0.97得出k1=1.07、k2=0.98、k3=0.97；

對(duì)k進(jìn)行擬合，取溶液2 為基本擬合方程。以溶液2、溶液3 和溶液4 為研究對(duì)象，設(shè)Cl-濃度，SO42-濃度為C1，C2：

將溶液2、溶液3、溶液4的數(shù)據(jù)代入

聯(lián)立求解得：

修正后：

最終HDC抗壓強(qiáng)度衰減劣化模型為：

式中，C1為Cl-濃度，C2為SO42-濃度，t為浸泡的時(shí)間。

依據(jù)公式（16）計(jì)算得到不同溶液下劣化模型計(jì)算值與實(shí)際值之間的關(guān)系見(jiàn)表9～表11所示：

表9 比較溶液2中模型計(jì)算值和實(shí)際值Table 9 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 2

表11 比較溶液4中模型計(jì)算值和實(shí)際值Table 11 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 4

由表9～表11 可以看出，劣化模型計(jì)算值和實(shí)際值之間的差值率均控制在15%以內(nèi)。表9 所表示的是在溶液2（5%Cl-+5%SO42-）下的模型值和實(shí)際值的差別，除了90 d 時(shí)差值率是13.2%，其余浸泡天數(shù)下強(qiáng)度的差值率均小于10%，在150 d 時(shí)差值率最小達(dá)到1.4%。整體上此劣化模型可以在此情況下適用。表10 所示的是在溶液3（5%Cl-+10%SO42-）下的模型值和實(shí)際值的差別，差值率最小僅為0.5%，最大的差值率是浸泡300 d 時(shí)達(dá)到了11.2%，整體上差值率在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)波動(dòng)。表11 所示的是在溶液4（10%Cl-+5%SO42-）下的模型值和實(shí)際值的差別，與其他2 種模型的計(jì)算值情況相似，都在15%范圍以內(nèi)的差值率內(nèi)波動(dòng)。最小差值率僅為0.1%。

表10 比較溶液3中模型計(jì)算值和實(shí)際值Table 10 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 3

5 HDC損傷破壞準(zhǔn)則

HDC在長(zhǎng)期浸泡的作用下，其內(nèi)部和表面都會(huì)受到損傷破壞，從混凝土損傷學(xué)的角度認(rèn)為，材料內(nèi)部損傷可完全由宏觀參量彈性模量和泊松比表示，采用4階各向同性張量D描述混凝土損傷［18］。見(jiàn)式（17）、（18）所示：

式中，E、ν分別為混凝土損傷前的彈性模量和泊松比；分別為混凝土出現(xiàn)損傷后的彈性模量和泊松比；D1、D2分別表征受損混凝土的體積損傷和畸變損傷。

基于Ottosen 準(zhǔn)則，考慮環(huán)境因素建立長(zhǎng)期浸泡作用下的強(qiáng)度準(zhǔn)則?；炷了膮?shù)破壞準(zhǔn)則模型中的Ottosen 準(zhǔn)則基于三角形函數(shù)提出，其破壞曲面的子午線為曲線，偏平面根據(jù)不同靜水壓力從光滑凸面三角形逐漸變化接近圓形，可較好反映混凝土破壞面的主要特點(diǎn)。

Ottosen四參數(shù)破壞準(zhǔn)則包含I1、J2和cos3θ，表達(dá)式見(jiàn)式（19）所示［19］：

式中，k1、k2分別表示尺寸系數(shù)和型式系數(shù)；θ為相似角；λ函數(shù)用來(lái)確定偏平面破壞圖形；fc為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度。

假定不同濃度的鹽類浸泡作用下的HDC 材料依然具有無(wú)損混凝土材料破壞面的特點(diǎn)，則Cauchy 應(yīng)力張量σ和算上張量D描寫(xiě)有效應(yīng)力張量，得式（22）所示：

其中，I表示四階張量；D的含義見(jiàn)式（18）。

在Cauchy 應(yīng)力空間中，無(wú)損傷混凝土材料破壞面方程可由應(yīng)力張量第一不變量I1，偏應(yīng)力張量第二不變量J2和第三不變量J3表示見(jiàn)式（23）所示：

因此，在不同濃度鹽類長(zhǎng)期浸泡作用下的HDC 破壞面用相應(yīng)的有效應(yīng)力不變量表示見(jiàn)式（24）所示；混凝土損傷后的應(yīng)力不變量和損傷前的應(yīng)力不變量關(guān)系見(jiàn)式（25）所示：

其中α、β為混凝土損傷參數(shù)，分別表示為的含義見(jiàn)式（18）。則變形后α和β可表示為式（26）所示：

因此不同濃度的鹵水長(zhǎng)期浸泡作用下HDC損傷破壞見(jiàn)式27所示：

綜合以上各式，混凝土Ottosen損傷破壞準(zhǔn)則可表示為式（28）和（29）：

測(cè)得HDC 在養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度為83.56 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為9.41 MPa。根據(jù)公式ft= fsp××1.369 ×fc-0.0833［20］轉(zhuǎn)化為單軸抗拉強(qiáng)度為8.91 MPa。則Ottosen 破壞準(zhǔn)則的非線性方程組可表示為式（30）所示：

求解上式四元非線性方程組，得出a=2.396 6，b=5.094 7，k1=17.521 1，k2=0.990 2。

因此Ottosen的破壞準(zhǔn)則為：

其中，

因此可得：θ=0o時(shí)，λ=17.502 0；θ=60o時(shí)，λ=9.648 2。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)青海鹽湖地區(qū)鹵水長(zhǎng)期侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)，利用HDC 良好地裂縫控制能力，達(dá)到保護(hù)構(gòu)件，避免外界不利因素進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而提高其抗鹵水侵蝕性能。因此，采用4 種不同溶液（0%Cl-+0%SO42-、5%Cl-+5%SO42-、5%Cl-+10%SO42-、10%Cl-+5%SO42-）對(duì)HDC立方體試塊進(jìn)行長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)，進(jìn)而得出在浸泡時(shí)間和鹵水濃度不同時(shí)HDC基本力學(xué)性能的變化規(guī)律。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在4種不同鹵水環(huán)境中，HDC強(qiáng)度和質(zhì)量變化規(guī)律差異較大。其中，強(qiáng)度從開(kāi)始浸泡到90 d期間，4種不同溶液中，（5%Cl-+10%SO42-）環(huán)境下HDC強(qiáng)度降低率最高達(dá)15.3%，表明SO42-濃度的提高，加快了HDC 的侵蝕。對(duì)比同一浸泡時(shí)間段HDC 在（10%Cl-+5%SO42-）溶液中的強(qiáng)度變化可以得出Cl-濃度的提高，延緩了SO42-對(duì)HDC 的侵蝕效果。在（10%Cl-+5%SO42-）溶液中HDC 強(qiáng)度損失率在360 d 時(shí)達(dá)到11.90%，最終360 d 時(shí)不同鹵水濃度強(qiáng)度損失率（10%Cl-+5%SO42-）＞（5%Cl-+10%SO42-）＞（5%Cl-+5%SO42-）。30 d 時(shí)HDC 在（5%Cl-+5%SO42-）溶液中的質(zhì)量出現(xiàn)增加，浸泡至210 d 時(shí)溶液（5%Cl-+10%SO42-）中的質(zhì)量損失率達(dá)至-0.6%，直至試驗(yàn)結(jié)束一直處于質(zhì)量增加狀態(tài)，溶液（10%Cl-+5%SO42-）中的質(zhì)量損失率在浸泡270 d 時(shí)最大達(dá)到-1.1%，且整個(gè)試驗(yàn)階段質(zhì)量幾乎一直是增加的。從HDC 浸泡至360 d時(shí)質(zhì)量損失率的變化情況，可以得出溶液對(duì)其質(zhì)量損失率的影響程度：（10%Cl-+5%SO42-）＞（5%Cl-+10%SO42-）＞（0%Cl-+0%SO42-）＞（5%Cl-+5%SO42-），說(shuō)明Cl-和SO42-的存在均在一定程度上填空了混凝土內(nèi)部微小的孔隙，使HDC的質(zhì)量呈現(xiàn)增加且Cl-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；SO42-減緩了試件的整體損傷程度。

（3）HDC 的相對(duì)抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的變化大致符合二次多項(xiàng)式規(guī)律，通過(guò)運(yùn)用最小二乘法計(jì)算抗壓強(qiáng)度衰減模型為

運(yùn)用Ottosen模型得到HDC的損傷破壞準(zhǔn)則為：

式中，θ=0o時(shí)，λ=17.502 0；θ=60o時(shí)，λ=9.6。