海水腐蝕條件下噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律研究

宋宇，王建強(qiáng)，黃翔，甘小卉，李輝，張銘致，薛明明，陳學(xué)軍*

(1.桂林理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西桂林541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林541004)

0 引言

到目前為止，許多專家和學(xué)者對(duì)噴射混凝土耐久性進(jìn)行了大量的研究，也取得很多突破性的研究成果，甚至有些成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)中。王家濱等[6-7]采用宏觀和微觀試驗(yàn)結(jié)合手段研究了噴射混凝土的力學(xué)性能、耐久性和滲透性；Lee 等[8]采用碳化試驗(yàn)研究了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中碳化后的高性能?chē)娚浠炷聊途眯宰兓慌］稘萚9]研究了在硫酸鹽侵蝕作用下噴射混凝土的力學(xué)性能劣化規(guī)律；孫琦等[10]針對(duì)煤矸石噴射混凝土的特殊性，采用質(zhì)量損失測(cè)試和單軸抗壓試驗(yàn)研究了煤矸石噴射混凝土的抗凍性；高志華等[11]研究了摻有磨細(xì)礦物摻合料后的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、回彈率、黏結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B透性能；張勝?gòu)?qiáng)等[12]對(duì)摻石渣粉混凝土的抗?jié)B性等性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；汪在芹等[13]研究了噴射混凝土的力學(xué)抗裂及施工性能變化規(guī)律；鄧通發(fā)等[14]研究了硫酸銨腐蝕混凝土的損傷劣化規(guī)律；使用補(bǔ)充膠凝材料 (SCM)替代噴射混凝土混合料中的水泥熟料可以降低混凝土對(duì)環(huán)境的污染，Marlene 等[15]研究了這種替換引起噴射混凝土耐久性降低的機(jī)理。Hamid 等[16]研究了不同摻量的納米二氧化硅和納米黏土替代水泥后，對(duì)噴射混凝土的力學(xué)性能和抗凍性的影響；王柳[17]研究煤矸石噴射混凝土在凍融、腐蝕和凍融腐蝕復(fù)合作用這3種環(huán)境下質(zhì)量、動(dòng)彈性模量與單軸抗壓強(qiáng)度的演化規(guī)律，建立了3種環(huán)境下煤矸石噴射混凝土性能演化的數(shù)學(xué)模型。這些研究對(duì)混凝土的耐久性研究深入具體，但對(duì)于在濱海環(huán)境下噴射混凝土的耐久性研究較少，且研究不太深入，有必要進(jìn)行進(jìn)一步探索。

本文以深圳地鐵11號(hào)線工程穿越填海區(qū)為工程背景，采用室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法研究地鐵施工中所用的噴射混凝土受到濱海環(huán)境中化學(xué)腐蝕作用后的力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律，探索噴射混凝土的力學(xué)性質(zhì)演化機(jī)理，提出適合濱海環(huán)境的噴射混凝土配合比，為相關(guān)工程實(shí)踐提供研究性指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

①水泥：采用由福建水泥有限公司制造的建福牌P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

②粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，產(chǎn)地為廣東隧磐建材有限公司。

③碎石：粒徑為5～10 mm的天然碎石，級(jí)配類型為連續(xù)級(jí)配。

④砂：細(xì)度模數(shù)為2.8的天然河砂。

⑤速凝劑：采用低堿速凝劑，產(chǎn)地為廣州工師化工材料有限公司。

⑥減水劑：采用聚羧酸系高性能減水劑，產(chǎn)地為廣州市愛(ài)川化工有限公司。

⑦拌和用水：自來(lái)水。

⑧人工海水：腐蝕試驗(yàn)采用人工海水進(jìn)行，人工海水濃度為天然海水濃度的5倍。

本試驗(yàn)選用的水泥、粉煤灰和速凝劑的化學(xué)組成見(jiàn)表1。人工海水的成分配制參考文獻(xiàn)[18]，其配方見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)組成Tab.1 Chemical composition of test materials %

表2 人工海水的控制成分Tab.2 Composition of artificial seawater

1.2 配合比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定強(qiáng)度等級(jí)為C20的噴射混凝土基本配合比見(jiàn)表3，然后在基本配合比的基礎(chǔ)上通過(guò)單因素試驗(yàn)研究水泥用量、水灰比、砂率、速凝劑摻量和粉煤灰摻量對(duì)海水腐蝕條件下噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響。

表3 基本配合比Tab.3 Basic mix ratio

1.3 試驗(yàn)方案

①試件制備與加工

噴射混凝土試件采用現(xiàn)場(chǎng)噴大板方式進(jìn)行制備，噴射完成后3 h拆去模板，放置入地鐵隧道內(nèi)在實(shí)際條件下養(yǎng)護(hù)7 d之后進(jìn)行切割，切割成為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件再放置入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)直至28 d。試件制作和切割過(guò)程如圖1(a) 和圖1(b) 所示。

②干濕循環(huán)人工海水腐蝕試驗(yàn)

人工海水腐蝕試驗(yàn)采用干濕循環(huán)方式進(jìn)行。首先將試件放入人工海水中浸泡48 h，浸泡完成后擦掉表面水分并靜置2 h，然后放置到烘箱并在80 ℃條件下烘干20 h，最后再將試件冷卻2 h，一次腐蝕共持續(xù)72 h。試件腐蝕處理和養(yǎng)護(hù)如圖1(c)和圖1(d)所示。

③力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)

首先對(duì)不同配合比的噴射混凝土試件進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)預(yù)處理，腐蝕試驗(yàn)的時(shí)間分別為0、3、6、9、12、15、30、45、60、75、90 d，然后對(duì)腐蝕處理后的試件開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)和動(dòng)彈性模量測(cè)試。其中，采用伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(如圖2所示)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采用DT—12W型動(dòng)彈性模量測(cè)定儀測(cè)定動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)方案采用每組試驗(yàn)3塊平行試件的方式進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于誤差超過(guò)平均值15%的數(shù)據(jù)予以剔除，其他數(shù)據(jù)取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。噴射混凝土試件試驗(yàn)過(guò)程和試樣試驗(yàn)結(jié)果如圖1(e) 和圖1(f)所示。

(a) 噴射大板

(d) 試件養(yǎng)護(hù)

圖2 伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Servo universal testing machine

④單因素試驗(yàn)水平設(shè)置

本試驗(yàn)設(shè)置的單因素水平值見(jiàn)表4。

表4 單因素水平值Tab.4 List of single factor level values

⑤最佳配合比確定與驗(yàn)證

首先分析噴射混凝土在各種單因素條件下的力學(xué)性質(zhì)變化，其次結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本、施工和易性等外界因素考慮來(lái)確定最佳配合比，最后對(duì)其最佳配合比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 影響因素分析

2.1 水泥用量影響分析

水泥用量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響如圖3所示。從圖中可看出，隨著海水腐蝕時(shí)間的增加，噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量分為上升和下降兩個(gè)階段，水泥用量為300、400、450、500 kg/m3的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度分別在腐蝕時(shí)間為6、9、12、12 d時(shí)達(dá)到最高值而后不斷下降，動(dòng)彈性模量分別在9、9、12、12 d時(shí)達(dá)到最高值而后不斷下降。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)變化

在海水腐蝕初期，噴射混凝土表面全部與海水接觸，噴射混凝土與海水反應(yīng)劇烈，腐蝕反應(yīng)生成大量新的生成物并在毛細(xì)孔中不斷堆積，內(nèi)部原有孔隙和毛細(xì)孔不斷減少，使其內(nèi)部密實(shí)度不斷增加，宏觀表現(xiàn)為噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量不斷增大；隨著海水腐蝕的進(jìn)行，噴射混凝土毛細(xì)孔中堆積的生成物越多，最終量變引起體積增加，充滿了毛細(xì)孔或孔隙，導(dǎo)致原本的毛細(xì)孔或孔隙位置膨脹，造成噴射混凝土腐蝕部分產(chǎn)生更多微裂縫，試件表面砂漿開(kāi)始剝落，使更多的海水侵蝕入其深部，宏觀表現(xiàn)為噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量不斷降低。

隨著水泥用量的增加，噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量在海水腐蝕下均明顯增加，達(dá)到峰值的時(shí)間呈現(xiàn)兩個(gè)階段，即增加階段和穩(wěn)定階段。在化學(xué)腐蝕作用下，其單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量損失率隨水泥用量的增加而減小，這是由于水泥用量的增加使得噴射混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水化產(chǎn)物增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)物質(zhì)增加，混凝土內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)作用增強(qiáng)，因而海水更難滲透入噴射混凝土內(nèi)部，宏觀表現(xiàn)為噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量隨水泥用量的增加而增加，同時(shí)達(dá)到各峰值的時(shí)間在增加，其耐腐蝕性也在增強(qiáng)。

2.2 水灰比影響分析

水灰比對(duì)噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，不同水灰比配制的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，即先增長(zhǎng)后下降。原因是海水腐蝕噴射混凝土的生成物填充于毛細(xì)孔中導(dǎo)致混凝土密實(shí)度不斷增加，而后其局部毛細(xì)孔的填充物不斷堆積超過(guò)毛細(xì)孔本身體積引起體積膨脹，產(chǎn)生微裂隙，密實(shí)度降低。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)規(guī)律

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)規(guī)律

從圖4中也可看出，隨著水灰比的增加，噴射混凝土在海水腐蝕條件的單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量均明顯降低，其達(dá)到峰值的時(shí)間有所不同，水灰比為0.42、0.45、0.48和0.50的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度在腐蝕時(shí)間為12、12、9、16 d時(shí)達(dá)到最高值，動(dòng)彈性模量達(dá)到最高值的時(shí)間分別為12、9、9、9 d。這是由于隨著水灰比的增加，噴射混凝土試件內(nèi)部生成的孔隙增加，空隙率增大，而混凝土的密實(shí)度下降導(dǎo)致其單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量逐漸降低。同時(shí)隨著噴射混凝土的水灰增加，孔隙率增加，抗?jié)B性變差，海水侵蝕速度增大，從開(kāi)始侵入到其完全侵蝕噴射混凝土的時(shí)間縮短，導(dǎo)致混凝土與海水腐蝕反應(yīng)的時(shí)間越久，從而使得腐蝕反應(yīng)生成物填充滿其內(nèi)部毛細(xì)孔甚至孔隙的時(shí)間提前，因此宏觀表現(xiàn)為噴射混凝土的強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量達(dá)到峰值的時(shí)間縮短。

2.3 砂率影響分析

砂率對(duì)噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響如圖5所示。從圖中可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的增加，由不同砂率配制形成的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，其強(qiáng)度損失率和動(dòng)彈性模量損失率均先減小而后增大。原因是海水腐蝕噴射混凝土的生成物填充于毛細(xì)孔中導(dǎo)致混凝土密實(shí)度不斷增加，而后局部毛細(xì)孔中的填充物堆積引起體積膨脹，產(chǎn)生微裂隙，最終導(dǎo)致其力學(xué)性能變差。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)規(guī)律

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)規(guī)律

隨著砂率的變大，人工海水腐蝕前后的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；其達(dá)到峰值的時(shí)間有所不同，砂率為45%、50%、55%和60%的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量在腐蝕時(shí)間為12、9、6、6 d時(shí)達(dá)到最高值。這是由于噴射混凝土需要使用較大的砂率來(lái)控制回彈率，但是增大砂率不能起到充滿粗集料之間空隙的作用，反而減少了粗集料的用量而導(dǎo)致噴射混凝土強(qiáng)度下降和抗?jié)B性能下降，其耐久性也因此而下降。

2.4 速凝劑摻量影響分析

速凝劑比對(duì)噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響如圖6所示。從圖中可以看出，不同速凝劑摻量下的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量隨這腐蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。隨著速凝劑摻量的增加，不同腐蝕時(shí)間下的噴射混凝土試件的力學(xué)性能變差，且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，其力學(xué)性能減弱更為明顯；其達(dá)到峰值的時(shí)間有所不同，速凝劑摻量為2%、3%、4%和5%的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度在腐蝕時(shí)間為12、9、6、6 d時(shí)達(dá)到最高值，動(dòng)彈性模量在腐蝕時(shí)間為12、9、9、9 d時(shí)達(dá)到最高值。速凝劑可以加速混凝土成分間的化學(xué)反應(yīng)，加快凝固速度，縮短其硬化時(shí)間，因此速凝劑摻量的增加使噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量達(dá)到峰值的時(shí)間變短，但是更多的速凝劑會(huì)使各成分間的反應(yīng)不充分，使其內(nèi)部各成分間的膠結(jié)物質(zhì)減少，降低了顆粒間的膠結(jié)作用，引起混凝土整體強(qiáng)度衰減。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)規(guī)律

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)規(guī)律

2.5 粉煤灰摻量影響分析

粉煤灰摻量對(duì)噴射混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響如圖7所示。從圖中可以看出，由不同粉煤灰摻量配制的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量隨海水腐蝕時(shí)間的增加呈現(xiàn)出顯著趨勢(shì)，即先增長(zhǎng)后下降。隨著粉煤灰摻量的增加，腐蝕前后的噴射混凝土單軸抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量整體呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)；粉煤灰摻量為10%、15%、20%和25%的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度在腐蝕時(shí)間為6、12、12、9 d時(shí)達(dá)到最高值，動(dòng)彈性模量在腐蝕時(shí)間為6、9、12、9 d時(shí)達(dá)到最高值。隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量增長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間增加，之后進(jìn)入損傷階段，二者不斷降低。

這是由于粉煤灰摻入噴射混凝土后，會(huì)產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，使得其強(qiáng)度出現(xiàn)增長(zhǎng)，且由于粉煤灰摻入后，其顆粒較細(xì)，導(dǎo)致噴射混凝土更加密實(shí)，抗?jié)B性增強(qiáng)，海水滲透速度變慢，對(duì)噴射混凝土的力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)起到促進(jìn)作用，同時(shí)也使得其達(dá)到力學(xué)性質(zhì)最好的時(shí)間推遲；但如果摻入大量的粉煤灰時(shí)，噴射混凝土的力學(xué)性能將因微集料效應(yīng)的減弱和氣孔率的增加而顯著下降，抗?jié)B性降低，導(dǎo)致其達(dá)到抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量峰值時(shí)間提前。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)規(guī)律

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)規(guī)律

2.6 綜合分析與最佳配合比的確定

通過(guò)上述分析，可以得出噴射混凝土腐蝕前后的單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量變化與水泥用量正相關(guān)，與砂率、水灰比、速凝劑摻量負(fù)相關(guān)，而隨粉煤灰用量增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。

從力學(xué)性質(zhì)演化規(guī)律方面考慮，應(yīng)該選擇水泥用量500 kg/m3、水灰比0.42、砂率45%、速凝劑摻量2%、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量為0.8%的基本配合比作為最佳配合比。從經(jīng)濟(jì)成本等方面考慮，為提高其單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量可降低水灰比和速凝劑摻量，但施工和易性及混凝土噴射后的早期強(qiáng)度無(wú)法得到保證；因此水灰比選擇0.45，速凝劑摻量選擇3%。為提高噴射混凝土的力學(xué)性能而盲目地增加水泥用量，則明顯增加經(jīng)濟(jì)成本，故從噴射混凝土力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)收益方面考慮，水泥用量宜選450 kg/m3。綜合以上所有因素分析，可以確定在人工海水腐蝕作用下，噴射混凝土的最佳配合比為：水泥用量450 kg/m3、水灰比0.45、砂率45%、速凝劑摻量3%、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量為0.8%。

3 最佳配合比驗(yàn)證

為驗(yàn)證最佳配合比的力學(xué)性能和耐久性的可靠性，根據(jù)該配合比再次進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行驗(yàn)證分析，如圖8所示。

(a) 單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化

(b) 動(dòng)彈性模量經(jīng)時(shí)變化

從圖8可以看出，該配比下混凝土在人工海水腐蝕作用下的力學(xué)性能較好，且力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間的損傷較低，基本能夠滿足海水腐蝕工況下的實(shí)際應(yīng)用要求。

4 損傷演變方程的建立

通過(guò)試驗(yàn)研究，獲得了噴射混凝土在腐蝕作用下強(qiáng)度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到了噴射混凝土在腐蝕作用下的強(qiáng)度損傷演化方程，具體為

p(t)=100/(α1+α2t+α3t0.5)，

(1)

式中：p(t)為噴射混凝土的強(qiáng)度，MPa；t為時(shí)間，d；α1、α2、α3分別為擬合參數(shù)。采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)公式(1)中的參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得的擬合參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 擬合參數(shù)Tab.4 Fitting the parameters

從表4可以看出，本文建立的損傷演化方程相關(guān)系數(shù)非常大，均大于0.98，說(shuō)明擬合的數(shù)學(xué)模型能夠充分地反映人工海水腐蝕作用下噴射混凝土的損傷演化規(guī)律，將噴射混凝土配合比的各影響因素與其強(qiáng)度緊密聯(lián)系起來(lái)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了研究噴射混凝土在海水腐蝕作用下產(chǎn)生的力學(xué)性能損傷演變規(guī)律，本文以人工配制的海水對(duì)配合比不同的噴射混凝土試樣進(jìn)行不同周期的干濕循環(huán)海水腐蝕試驗(yàn)，然后對(duì)腐蝕處理后的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和動(dòng)彈性模量測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析并確定出海水腐蝕條件下噴射混凝土各成分的最佳配合比，最后建立了該工況下噴射混凝土的損傷演變方程。經(jīng)研究得到以下結(jié)論：

①在人工海水腐蝕作用下，隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。由于在腐蝕初期，腐蝕化學(xué)反應(yīng)的生成物充滿了噴射混凝土的空隙導(dǎo)致噴射混凝土更加密實(shí)，因此其力學(xué)性能增長(zhǎng)；然后孔隙填充部分膨脹開(kāi)裂，其力學(xué)性能隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。

②海水腐蝕前后的噴射混凝土強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量與水泥用量正相關(guān)，與砂率、水灰比、速凝劑摻量負(fù)相關(guān)，隨粉煤灰用量增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。

③當(dāng)水泥用量450 kg/m3、水灰比0.45、砂率45%、速凝劑摻量3%、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量0.8%時(shí)為最佳配合比，其力學(xué)性能較好，能夠滿足海水腐蝕條件下實(shí)際工程建設(shè)的要求。

④建立了噴射混凝土受海水腐蝕后的強(qiáng)度損傷演化方程，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了擬合，該方程能較好地反映噴射混凝土在人工海水腐蝕作用下的強(qiáng)度變化規(guī)律。