氯鹽-干濕侵蝕下高延性混凝土力學性能試驗及強度衰減模型研究

寇佳亮，張卓越，景國強，周 恒

（1.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西西安 710048；2.西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西西安 710048；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安 710065）

引言

中國沿海及西部鹽堿程度較高地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)要常年經(jīng)受來自海風、海霧以及內(nèi)陸鹽湖等自然條件的嚴苛考驗，而以上自然環(huán)境所帶來的氯鹽-干濕循環(huán)侵蝕正是破壞混凝土結(jié)構(gòu)的重要原因之一。由于混凝土材料在氯離子與干濕循環(huán)共同作用下會發(fā)生物理化學反應，改變自身力學性能，導致混凝土發(fā)生開裂，開裂后的混凝土由于大量氯離子的進入，會使建筑物內(nèi)部鋼筋的腐蝕速度加快，從而嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

目前，氯鹽侵蝕對混凝土構(gòu)件力學性能影響的研究，在國內(nèi)外都已經(jīng)有了很多成果。Li Mo［1］研究了在氯化物腐蝕以及機械荷載的作用下ECC（engineered cementitious composite）的材料強度及耐久性能。F Duprat［2］通過對銹蝕鋼筋混凝土梁的可靠度指標的計算，對銹蝕鋼筋混凝土梁的可靠度進行了評價。Dimitri V.Val［3］提出了一種氯離子進入混凝土的模型。該模型考慮了控制氯離子進入擴散和對流的2種機制。Amirreza Pilvar［4］采用電擴散法和體擴散法對低鈣粉煤灰基地質(zhì)聚合物混凝土的抗氯離子擴散性能進行了研究。G.Roventi［5］研究了自來水和3.5%NaCl溶液中干濕循環(huán)對混凝土碳化后鍍鋅鋼鈍化產(chǎn)物的影響。Win P P［6］用電子探針分析和比色試驗探究了暴露于NaCl溶液中帶裂縫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面的氯離子穿透情況，結(jié)果表明：當w/c較高（0.45和0.65）時，裂紋表面的穿透深度等于或略高于裸露表面。氯離子的遷移受溶液在混凝土內(nèi)的體積運動影響很大。Medeiros M H［7］用測定毛細吸收和測定飽和條件下氯離子擴散系數(shù)的遷移試驗探究了混凝土表面疏水劑對氯離子滲透的作用，結(jié)果表明：疏水劑降低了氯離子的擴散系數(shù)，但幅度較低。在國內(nèi)，李永強［8］研究證明了水膠比越大混凝土在干濕循環(huán)作用下氯離子的入侵速度更快，而加入一定量的礦粉能有效的抵抗氯離子的侵蝕。朱繪美［9］利用X射線、光學顯微鏡等儀器對不同含量偏高嶺土混凝土在干濕循環(huán)作用下的抗壓強度以及強度變化機理進行了研究。張俊芝［10］通過對錢塘江河口區(qū)不同斷面進行水樣采集，研究了到河口不同距離下水體的氯離子濃度以及護坡表面氯離子濃度的相關(guān)性。郭麗萍［11］通過對比2種水灰比的高延性混凝土（high ductile concrete，HDC）試件分別在不同預加載水平下的自愈合能力，分析得到自愈合行為對HDC彎曲韌性的影響規(guī)律。吳慶令［12］研究了普通混凝土和高性能混凝土在海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)、水下區(qū)以及實驗室海水浸泡下的Cl-擴散系數(shù)變化規(guī)律。姜文鏹［13］通過試驗量化了氯離子和凍融循環(huán)作用下混凝土試塊的破壞程度以及與離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系?？芗蚜粒?4］通過研究HDC在3種高濃度鹵水溶液中干濕循環(huán)后的力學性能，建立了力學-化學損傷耦合作用下HDC的損傷本構(gòu)模型。

為了將HDC應用于沿海、鹽堿程度較高地區(qū)，解決混凝土結(jié)構(gòu)因受氯鹽-干濕循環(huán)侵蝕而出現(xiàn)的易開裂、穩(wěn)定性及耐久性差等問題，本研究通過試驗對3組不同濃度氯鹽溶液作用下的HDC試件進行干濕循環(huán)試驗，通過觀察HDC試件的表觀特征、質(zhì)量變化以及基本力學性能，并與普通混凝土試件在同條件下進行對比，證明了相同條件下HDC相比于普通混凝土的優(yōu)越性，為實際工程中HDC材料的應用和推廣提供了重要依據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料及配合比

本試驗中用HDC配合比為：水泥：粉煤灰：砂：水：減水劑=1：1：0.72：0.58：0.03，試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。PVA纖維摻入體積比為2%，其型號為KURARAY K-II纖維，其性能指標如表1所示，水泥選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，砂子選用最大粒徑為1.18 mm的灞河河砂，減水劑為聚羧酸系高效減水劑，粉煤灰選用一級粉煤灰。本次試驗選用溶質(zhì)為氯化鈉的氯鹽溶液，溶液質(zhì)量分數(shù)見表2所示。

表1 PVA纖維性能指標Table 1 Performance indicators of PVA fibers

表2 溶液濃度Table 2 Solution concentration

1.2 試件設計

本試驗設置了3種質(zhì)量比分別為5%、10%、20%的氯鹽溶液，并制作96個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的HDC試塊，均分為四組，第一組（24個試件）作為標準養(yǎng)護條件下的對比組試件，第二、三、四組試件分別置于濃度為5%、10%、20%的氯鹽溶液中進行浸泡試驗。試塊編號為A-B-C，A表示測試周期（1－8），B表示3種氯鹽的濃度（1表示5%、2表示10%、3表示20%），C表示每組內(nèi)試塊的編號（1－3）。

本次試驗所用普通混凝土試塊的數(shù)量、分組、浸泡條件以及循環(huán)周期都與上述HDC試件相同。

1.3 試件制作及養(yǎng)護

預先對攪拌機內(nèi)壁灑水濕潤，將準備好的模具刷油后，對水泥、粉煤灰、細砂等粉料進行精確稱重，放于攪拌機中進行攪拌，1～2 min后加入精確稱重好的水和減水劑，攪拌5 min后，均勻撒入PVA纖維（圖1），繼續(xù)攪拌3～4 min后即可。由此方法制作產(chǎn)生的HDC具有較好的和易性。將已經(jīng)攪拌完成的HDC裝入混凝土模具中，并進行澆筑、振搗（置于振動臺60 s）、抹平工作。在進行完上述工作的試件表面覆蓋一層保鮮膜防止水分散失，放于室溫環(huán)境中2 d后拆模，拆模之后，將試件放入養(yǎng)護溫度為（20℃±2℃）的水箱中養(yǎng)護至90 d.

圖1 PVA纖維Fig.1 PVA fiber

混凝土試塊在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28天，然后在自然環(huán)境中養(yǎng)護至90天。

在進行干濕循環(huán)試驗之前，應將試件提前兩天取出，并且在烤箱中60℃條件下烘干至恒重。

1.4 試驗過程

1.4.1 干濕循環(huán)過程

氯鹽溶液中浸泡-烘干為一次循環(huán)過程。具體干濕循環(huán)過程：第一次干濕循環(huán)前將試塊在室溫條件下晾干，然后在烤箱中烘干至恒重，再用精度值為0.1 g電子秤進行精確稱重。隨后分別放置試件于3種不同濃度氯鹽溶液中浸泡18 h，在60℃烘箱中將試塊烘干6 h。24 h（1 d）為一個循環(huán)過程。為了使試驗的氯離子濃度滿足試驗的規(guī)定濃度，對試驗所用氯鹽溶液一月進行一次更換。分別對8個測試周齡（30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d、210 d、240 d）的HDC試塊進行精確稱重、抗壓強度力學性能以及表觀特征變化進行記錄。

1.4.2 試驗設備

浸泡過程在塑料箱中進行（如圖2所示）。烘干過程在101－2型數(shù)顯鼓風恒溫干燥箱進行（如圖3所示）。本試驗對試件進行抗壓強度試驗所使用儀器為WAW－1000C萬能材料試驗機（如圖4所示）。

圖2 浸泡過程Fig.2 Soaking process

圖3 烘干過程Fig.3 Drying process

圖4 WAW-1000C萬能試驗機Fig.4 WAW-1000C universal testing machine

2 試驗結(jié)果分析

HDC與普通混凝土試塊記錄了各個齡期試件的重量、表觀特征以及抗壓強度。并且根據(jù)表觀特征變化情況、質(zhì)量損失率以及抗壓強度變化等方面對其在3種濃度的氯鹽溶液侵蝕作用下的力學性能進行了分析。

2.1 表觀現(xiàn)象分析

HDC與普通混凝土試塊在3種氯鹽溶液下經(jīng)歷各周期干濕循環(huán)后的表觀現(xiàn)象如圖5～圖7所示（圖5（a）為HDC試塊，圖5（b）為普通混凝土試塊）。

圖5 溶液1中試件侵蝕后狀態(tài)Fig.5 The state of specimen after erosion in solution 1

圖7 溶液3中試件侵蝕后狀態(tài)Fig.7 The state of specimen after erosion in solution 3

由圖5可知，HDC試塊在濃度為5%的氯鹽溶液浸泡試驗中經(jīng)歷240次的干濕循環(huán)過程以后，試塊表面無結(jié)晶現(xiàn)象，以及纖維暴露或混凝土脫落現(xiàn)象。而相同條件下的普通混凝土試塊在經(jīng)過210 d后表面出現(xiàn)少量結(jié)晶現(xiàn)象。這表明此濃度的氯鹽溶液對HDC試件的侵蝕基本沒有產(chǎn)生影響，對普通混凝土在循環(huán)后期有一定程度的腐蝕。這是由于HDC中有PVA纖維和粉煤灰的摻入，使得材料內(nèi)部更加密實，體現(xiàn)出比普通混凝土更好的抗侵蝕能力。

由圖6可知：HDC試塊在濃度為10%的氯鹽溶液浸泡試驗中經(jīng)歷120次干濕循環(huán)過程后，試塊表面出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，有少量小晶體附著在試塊表層，這是由于在干濕循環(huán)作用下，試件水分蒸發(fā)，氯鹽溶液濃度快速增加，達到過飽和，從而試件表面有晶體析出，這就是試件表面的鹽析現(xiàn)象。析出的晶體也隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，在第180次循環(huán)之后，試塊表面晶體逐漸累積，在240次循環(huán)之后鹽漬現(xiàn)象更為明顯。相比HDC，普通混凝土的表觀特征變化更為明顯。普通混凝土試塊在經(jīng)過90次循環(huán)后，試塊表面開始出現(xiàn)微裂縫，且變得粗糙。在經(jīng)過150次循環(huán)后，普通混凝土試件表面出現(xiàn)明顯鹽漬物，呈塊狀。試件表面依然比較完整，沒有混凝土脫落、缺角等現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖6 溶液2中試件侵蝕后狀態(tài)Fig.6 The state of specimen after erosion in solution 2

由圖7可知：HDC試塊在溶液3（濃度20%）的氯鹽溶液中經(jīng)過120次循環(huán)之后，可以明顯觀察到試塊棱角處出現(xiàn)透明晶體，隨循環(huán)次數(shù)的增加棱角處的晶體累積越來越多，在經(jīng)過210次循環(huán)后，HDC試件棱角處也未出現(xiàn)輕微掉塊現(xiàn)象。對于普通混凝土試件，在經(jīng)過90次干濕循環(huán)作用后，表面開始出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，普通混凝土試件結(jié)晶現(xiàn)象早于HDC試件，且混凝土表面粗糙不平、棱角處出現(xiàn)混凝土塊脫落現(xiàn)象。在經(jīng)過120次干濕循環(huán)后，強度下降比較明顯，試件破壞時呈酥碎狀。

從3種溶液侵蝕效果來看，氯鹽溶液對HDC和RC試件的侵蝕程度，均隨著鹽溶液濃度的提高而更加嚴重，即20%氯鹽溶液對試件的侵蝕效果最明顯，10%氯鹽溶液次之，5%氯鹽溶液無顯著變化。

從試塊的總體表觀特征來看，在整個干濕循環(huán)過程中，HDC試塊完整性較好，破壞時表面呈細裂縫，在浸泡與試驗過程中，均未出現(xiàn)較大面積混凝土脫落現(xiàn)象，但在氯鹽溶液濃度達到10%、20%時均出現(xiàn)了不同程度的透明晶體析出，造成白色鹽漬累積現(xiàn)象，在濃度為20%時的試塊棱角處晶體聚集現(xiàn)象尤為明顯，這是由于由于孔隙壓力梯度會驅(qū)使混凝土表層孔隙中的水溶液發(fā)生流動，使得混凝土中的內(nèi)部孔隙處于欠飽和狀態(tài)，在欠飽和溶液中氯離子的運輸機制為擴散與對流，在混凝土表面一定深度處會使氯離子產(chǎn)生堆積。在烘干晾曬過程中，隨著水分的蒸發(fā)與吸收，混凝土表層中的氯離子會發(fā)生反復遷移，在混凝土表層形成富集區(qū)，同時Cl－與水泥中C3A的水化產(chǎn)物生成低溶性的Friedel鹽［16］（C3A·CaCl2·10H2O），從而使得試塊表面及棱角處出現(xiàn)大量鹽漬、晶體析出現(xiàn)象。水化產(chǎn)物反應式如下：

而普通混凝土試塊在試驗過程中，混凝土大塊脫落。濃度越高，試塊表面出現(xiàn)的鹽漬現(xiàn)象也更早，這是由于表層毛細吸收、內(nèi)部離子擴散是氯離子在干濕循環(huán)環(huán)境下向混凝土內(nèi)部傳輸?shù)闹饕绞健Ｔ诟蓾裱h(huán)作用下，Cl-在溶液浸泡時通過HDC表層毛細吸收，當達到飽和后，在試塊內(nèi)外濃度差的作用下向材料內(nèi)部運輸。在干燥條件下，混凝土內(nèi)部水分通過孔隙蒸發(fā)，導致混凝土內(nèi)部Cl-濃度升高，出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。由于HDC內(nèi)部有粉煤灰和PVA纖維的摻入，使得內(nèi)部孔隙比普通混凝土更加密實，能夠有效的阻止外界氯鹽溶液的侵蝕，表現(xiàn)出比普通混凝土更好的耐久性能。說明HDC比普通混凝土在相同濃度的氯鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用下具有更加突出的抗氯鹽侵蝕能力。

2.2 質(zhì)量損失率變化分析

本試驗采用精度為0.1 g的電子天平，經(jīng)稱量得HDC與普通混凝土試塊在3種溶液中，經(jīng)過各個預定干濕循環(huán)周期作用后的質(zhì)量以及質(zhì)量損失率如表3所示。

表3 HDC、普通混凝土的質(zhì)量及質(zhì)量損失率Table 3 Quality and mass loss rate of HDC and ordinary concrete

從表3可以得到，無論是HDC試塊還是普通混凝土試塊，質(zhì)量均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，而且氯鹽濃度越高，質(zhì)量損失率就越大；且在相同濃度氯鹽干濕循環(huán)作用下，普通混凝土試塊比HDC試塊質(zhì)量損失大。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因是：試塊在氯鹽溶液侵蝕及干濕循環(huán)的作用下會發(fā)生起皮、掉角等腐蝕現(xiàn)象，尤其是在濃度較高的溶液中這種現(xiàn)象更為廣泛。相同試件在較高濃度溶液中的析出晶體、起皮現(xiàn)象比相對低濃度溶液中更為嚴重。由于HDC試件具有良好地抗氯離子侵蝕性能，所以在相同濃度氯鹽溶液作用下RC試件比HDC試件更容易起皮、掉角。

為了更直觀的了解HDC試塊與普通混凝土試塊在達到預定循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量變化，通過對表3的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計歸納，分別繪制了HDC試塊與普通混凝土試塊在3種溶液干濕循環(huán)作用下總質(zhì)量損失率變化圖，其中，HDC試件質(zhì)量損失率見圖8，普通混凝土試件質(zhì)量損失率見圖9。

圖8 HDC試件質(zhì)量損失率Fig.8 Quality loss rate of HDC

圖9 普通混凝土試件質(zhì)量損失率Fig.9 Quality loss rate of ordinary concrete

（1）HDC試件

根據(jù)表3及圖8可以看出：在3種溶液中，經(jīng)過干濕循環(huán)后試塊質(zhì)量均出現(xiàn)損失現(xiàn)象。其中在溶液1中：HDC試塊質(zhì)量損失相對最小，其質(zhì)量損失率在經(jīng)過240次干濕循環(huán)作用后最終為0.26%。在溶液2中：前150次的循環(huán)試驗使試塊的質(zhì)量一直呈遞減狀態(tài)，且在此期間試塊的損失率比在溶液1中大。當達到240次循環(huán)時，HDC試塊總質(zhì)量損失率為0.44%，且在每個循環(huán)周期均比溶液1的質(zhì)量損失率高2倍以上。在溶液3中：HDC的質(zhì)量損失最大，且在前期的循環(huán)過程中試件的質(zhì)量損失率均持續(xù)增大。其中在第120次循環(huán)試驗中質(zhì)量損失率達到最大值0.65%，此后質(zhì)量一直增加，在240次循環(huán)時質(zhì)量損失率達到0.53%，相比第120次循環(huán)試驗時減少了0.12%。出現(xiàn)上述試驗現(xiàn)象的原因主要是由于在達到“拐點”前，通過干濕循環(huán)作用使得鹽溶液反復進出HDC內(nèi)部，根據(jù)離子游離平衡原理，內(nèi)外離子溶液達到平衡，混凝土內(nèi)部材料與氯離子發(fā)生化學反應，使得鹽蝕產(chǎn)物在內(nèi)部縫隙與裂紋中累積，經(jīng)過烘干后，內(nèi)部鹽溶液失水結(jié)晶，附著在混凝土的內(nèi)部裂紋或孔隙中，使得混凝土材料脫落的路徑有所減少，造成試件質(zhì)量出現(xiàn)增長現(xiàn)象。

（2）普通混凝土試件

根據(jù)表3及圖9可以看出：溶液1中：試塊質(zhì)量損失相對比較穩(wěn)定，均處于持續(xù)增加狀態(tài)。在達到240次干濕循環(huán)后，質(zhì)量下降了0.51%。在溶液2中：試塊在前60次干濕循環(huán)過程中，質(zhì)量損失相對較慢，而在60次到90次干濕循環(huán)這段時間，混凝土試塊質(zhì)量損失較快，隨后質(zhì)量損失率不斷增大，試驗結(jié)束時總質(zhì)量損失率為1.05%。在溶液3中：普通混凝土試塊質(zhì)量損失率最大。其中試塊在第90次干濕循環(huán)試驗中達到最大質(zhì)量損失率1.26%，此后質(zhì)量有所增加，到第240次循環(huán)試驗時質(zhì)量損失率為0.94%。相比第90次試驗，質(zhì)量損失率減少了0.32%。

通過對比HDC與普通混凝土在干濕循環(huán)過程中質(zhì)量變化得到：2種試塊在溶液1中的試塊質(zhì)量損失率均最小，最大質(zhì)量損失率分別為0.26%、0.50%。溶液2次之，分別為0.44%、1.05%。溶液3中HDC和普通混凝土試塊的質(zhì)量損失率最大，2種試塊的最大質(zhì)量損失率分別出現(xiàn)在120 d、90 d分比為0.65%、1.26%。同種溶液中，HDC試塊質(zhì)量損失率均比普通混凝土試塊小。這是由于HDC具有良好的耐損傷、耐腐蝕性，而且高強度PVA纖維與水泥基質(zhì)間具有良好的界面粘合力，邊角材料受侵蝕不易脫落，在相同循環(huán)條件下比普通混凝土的整體性更好。

2.3 強度變化分析

在HDC試塊與普通混凝土試塊制作完成且養(yǎng)護達到90 d時，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 500081-2019）［15］進行了抗壓強度試驗，其中HDC和普通混凝土試塊在標準養(yǎng)護條件下抗壓強度平均值分別為58.69 MPa、58.04 MPa。3種濃度溶液下經(jīng)過預定干濕循環(huán)周期后的HDC和普通混凝土的抗壓強度以及耐腐蝕系數(shù)如表4所示。

表4 HDC、普通混凝土的抗壓強度及耐侵蝕系數(shù)Table 4 Compressive strength and corrosion resistance coefficient of HDC and ordinary concrete

根據(jù)表4及圖10可以看出：HDC在溶液1中的抗壓強度平均值，在前120次氯鹽干濕循環(huán)中從54.11 MPa持續(xù)增長至64.81 MP。而在120次循環(huán)之后開始降低，在達到240次循環(huán)時抗壓強度降為57.87 MPa，此時試塊的耐侵蝕系數(shù)降為0.956；溶液2中HDC強度變化過程與溶液1相似，也為先增大后降低。在150次循環(huán)時，抗壓強度達到64.94 MPa，此后強度開始下降，最終在240次干濕循環(huán)時抗壓強度降到最低值為55.35 MPa，此時耐蝕系數(shù)降為0.923；溶液3中的HDC強度變化最為顯著，在進行至30次循環(huán)時，試件強度達到65.87 MPa、耐腐蝕系數(shù)為1.116。此后試塊強度開始降低，最終在240次循環(huán)時，HDC抗壓強度降為52.29 MPa，此時HDC耐侵蝕系數(shù)降為0.891。

圖10 HDC抗壓腐蝕系數(shù)圖Fig.10 Compressive corrosion coefficient diagram of HDC

根據(jù)表4及圖11可以看出：普通混凝土與HDC試塊相比，在前期強度的提升幅值不大，但強度曲線的變化情況與HDC試塊相似。在溶液1與溶液2中強度曲線均為先增大后降低，且都在第90次干濕循環(huán)時達到抗壓強度最大值，分別為59.27 MPa、56.16 MPa。溶液3中的試塊在120次循環(huán)前的抗壓強度持續(xù)降低，在120次循環(huán)之后有小幅度上升，“拐點”抗壓強度值為42.89 MPa，耐侵蝕系數(shù)為0.739，最終在試驗結(jié)束時，試塊的抗壓強度和耐侵蝕系數(shù)分別為43.53 MPa和0.750。

圖11 普通混凝土抗壓腐蝕系數(shù)圖Fig.11 Compressive corrosion coefficient diagram of ordinary concrete

從溶液濃度方面分析來看，濃度越高，對材料的侵蝕效果越明顯；從材料方面分析來看，在相同濃度條件下，HDC試件比普通混凝土試件抗壓強度更高，下降趨勢也更緩慢，相比之下HDC抗侵蝕效果更好。在溶液1、2中出現(xiàn)抗壓強度先增高后降低的趨勢，是因為Cl-與水泥中C3A的水化產(chǎn)物生成低溶性的Friedel鹽以及氯鹽溶液在HDC內(nèi)部孔隙結(jié)晶，增加了HDC的密實性，提高了抗壓強度。但經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，HDC內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中的鹽溶液因過飽和而不斷結(jié)晶，產(chǎn)生結(jié)晶膨脹壓力，使其力學性能劣化，導致后期強度降低；溶液3中強度變化最為顯著是由于氯鹽濃度最高，試件內(nèi)部與溶液中存在較大的濃度差，氯離子會向試件內(nèi)部擴散，并且發(fā)生化學反應，所生成的化學產(chǎn)物會逐漸積累、填補混凝土內(nèi)部的空缺以及裂縫，進而使得試件內(nèi)部變得越來越密實，所以前期HDC的抗壓強度會達到最高。隨著試塊內(nèi)部氯離子越來越多，試塊會處于飽和狀態(tài)，氯離子與未水化的鋁酸三鈣發(fā)生化學反應，生成Friedel鹽并且在試件表面聚積，當晶體增加到一定程度，由于大于試塊抗拉強度的膨脹力作用，會使試塊出現(xiàn)微裂縫?；蛘呗入x子通過吸附與C-S-H凝膠結(jié)合，使得C-S-H凝膠從纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀形態(tài)，導致HDC強度降低。但是由于HDC內(nèi)部粉煤灰的填充作用，使材料內(nèi)部更加密實阻止了部分氯離子的侵入，使上述膨脹力有所減小，以及PVA纖維與水化產(chǎn)物結(jié)合生成的氫鍵能夠有效的控制HDC內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生。綜上所述：HDC在相同濃度溶液中表現(xiàn)出比普通混凝土更優(yōu)秀的抗侵蝕、抗壓能力以及良好的耐久性、整體性。

2.4 單軸受壓應力-應變曲線分析

HDC在3種溶液中經(jīng)過30、60、90、120、150、180、210、240次循環(huán)周期時的單軸受壓應力-應變曲線如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 溶液1中HDC應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain curve of HDC in solution 1

圖13 溶液2中HDC應力-應變曲線Fig.13 Stress-strain curve of HDC in solution 2

圖14 溶液3中HDC應力-應變曲線Fig.14 Stress-strain curve of HDC in solution 3

（1）試件變形：如圖12、13、14所示，試件在溶液1中經(jīng)過30～240次干濕循環(huán)后的峰值應變均在1.5%－1.7%范圍內(nèi)，在到達峰值應力后，應變依然持續(xù)增長，直到試件破壞時應變大致在3%左右。溶液2中試塊在經(jīng)歷不同周期干濕循環(huán)作用后峰值應變均在1.7%左右。溶液3中試塊在達到峰值應力時的應變均在1.7%－2.5%范圍內(nèi)，且最終破壞時應變也均在2.5%－3.5%之間。說明HDC試件在濃度較高的溶液侵蝕作用下仍然具有較好的延性。

（2）曲線變化：HDC在3種溶液中的應力-應變曲線變化趨勢基本一致。由圖12～圖14可以看出在上升階段，不同溶液中試塊的應力應變曲線在初期斜率較小，然后迅速增大，曲線大致呈直線上升，到達峰值應力。在下降階段，應力逐漸減小，而應變持續(xù)增加，直到試件產(chǎn)生大量微裂紋，并且阻止了較大裂縫的延伸和擴展，最終試件呈延性破壞。在溶液1與溶液2中，試塊在前120次循環(huán)周期時的峰值應力呈遞增趨勢，隨后峰值應力隨循環(huán)周期呈下降趨勢。而在溶液3中峰值應力在試驗開始就隨循環(huán)周期增加而下降。這是由于在較低濃度溶液中氯離子與試件內(nèi)部物質(zhì)反應生成晶體填充物的過程需要較長時間，所以會呈現(xiàn)出峰值應力先升高后降低的趨勢。而在溶液3中，試件內(nèi)部與溶液中存在較大的濃度差，氯離子會向試件內(nèi)部擴散的速率較快，與內(nèi)部材料反應生成晶體填充物的時間更短，所以前期試件的抗壓強度會達到最高。

總而言之，3種溶液中，HDC應力-應變曲線隨著循環(huán)周期的增加，曲線有右移和下降的趨勢。其原因是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，HDC試件內(nèi)部侵蝕產(chǎn)物增多，應力有所下降，而由于HDC塑性變形能力保持較好，在低應力作用下，峰值應變有所增加，顯示為曲線下降和右移。溶液2和溶液3的應力-應變曲線右移和下降的趨勢較溶液1更為明顯。原因是氯離子濃度越高，與材料內(nèi)部反應速率越快，侵蝕產(chǎn)物也就越多，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的膨脹應力也越大，所以強度及變形能力下降也越大。

普通混凝土在3種溶液中經(jīng)過30、60、90、120、150、180、210、240次循環(huán)周期時的單軸受壓應力-應變曲線如圖15～圖17所示。

圖15 溶液1中RC應力-應變曲線Fig.15 Stress-strain curve of RC in solution 1

圖17 溶液3中RC應力-應變曲線Fig.17 Stress-strain curve of RC in solution 3

由圖15、圖16、圖17可以看出普通混凝土峰值應力對應的應變、極限應變隨著循環(huán)周期的增長都有所增加，但均小于對應組的HDC試塊。

圖16 溶液2中RC應力-應變曲線Fig.16 Stress-strain curve of RC in solution 2

溶液1、2、3中普通混凝土的最大峰值應變均出現(xiàn)在240d循環(huán)周期時，分別為1.661%、1.577%、1.861%，比同組HDC峰值應變分別降低了：0.243%、0.524%、0.348%。相比于峰值應變，同組溶液中HDC比普通混凝土極限應變的提高更加明顯，3種溶液中HDC最大極限應變以及對應的循環(huán)周期分別為：2.822%、210d；3.070%、210 d；3.326%、240 d。分別比同組普通混凝土極限應變高出1.184%、1.080%、1.278%。出現(xiàn)這種試驗現(xiàn)象的原因是由于PVA纖維在HDC內(nèi)部亂向隨機分布，能夠很好的阻止基體內(nèi)部裂縫的形成和擴展，很大程度的提高了試件的變性能力，使試件的峰值應變及極限應變均有所提高，而且PVA纖維可以極大提高試件開裂后的延性，但在基體開裂之前纖維的作用并不明顯，所以在3種溶液中HDC比普通混凝土極限應變的提高要明顯大于峰值應變，且HDC應力應變曲線下降段的斜率在持續(xù)減小，也比普通混凝土的下降段更長，說明HDC與普通混凝土相比具有更好的延性，抗壓破壞模式也更具有韌性特征。

3 HDC應力-應變曲線擬合

經(jīng)過分析得到HDC應力-應變曲線走向趨勢與普通混凝土相似，所以根據(jù)Saenz［17－18］建議的混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，用最小二乘法對HDC試驗單軸受壓應力-應變曲線進行擬合：

式中：x=ε/εc，ε為應變、εc為峰值應變；y=f/fc，f為應力、fc為峰值應力；a、b分別為上升段、下降段參數(shù)。

HDC在溶液中30、60、90、120、150、180、210、240次的無量綱應力-應變?nèi)€根據(jù)本構(gòu)模型擬合情況如圖18～圖20所示。

圖18 溶液1中HDC應力-應變?nèi)€與本構(gòu)模型的對比Fig.18 Comparison of HDC full stress-strain curve and constitutive model in solution 1

圖19 溶液2中HDC應力-應變?nèi)€與本構(gòu)模型的對比Fig.19 Comparison of HDC full stress-strain curve and constitutive model in solution 2

圖20 溶液3中HDC應力-應變?nèi)€與本構(gòu)模型的對比Fig.20 Comparison of HDC full stress-strain curve and constitutive model in solution 3

由HDC在3種溶液中經(jīng)歷240次循環(huán)周期后的應力應變曲線與Saenz［17－18］建議的混凝土單軸受壓本構(gòu)模型進行擬合，可以得到擬合曲線上升段和下降段參數(shù)如表5所示。

表5 HDC應力-應變曲線參數(shù)Table 5 Parameters of HDC stress-strain curve

經(jīng)過擬合，由試驗得到的應力-應變曲線與擬合曲線吻合程度較高。

4 HDC抗壓強度衰減模型

HDC的抗壓強度隨侵蝕時間的衰減情況大致符合二次多項式規(guī)律，則HDC受氯鹽-干濕循環(huán)作用后的抗壓強度fct，與鹽類侵蝕-循環(huán)周期t的關(guān)系可以表示為式［19］：

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度和清水對照組的抗壓強度；t為HDC經(jīng)歷的鹽類侵蝕干濕循環(huán)作用周期。

采用最小二乘估計法對在3種溶液中進行侵蝕-干濕循環(huán)作用下的HDC抗壓強度進行線性回歸分析：

對溶液1中的強度數(shù)據(jù)進行擬合分析得到式（10）。

同理溶液2：

同理溶液3：

結(jié)合式（4）、（5）和式（6）分別可以得出k1=0.98、k2=0.95、k3=1.18；

對濃度影響系數(shù)k進行擬合，取溶液1為基本擬合方程?？梢缘玫叫拚髃與濃度C之間的關(guān)系：

最終HDC抗壓強度衰減劣化模型為：

式中：C為Cl－濃度；t為浸泡的時間。

不同溶液下強度衰減模型計算值與試驗值之間的對比關(guān)系如表6～表8所示。

表6 比較溶液1中模型計算值和試驗值Table 6 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 1

在表6中，根據(jù)試驗得到的HDC強度劣化模型的結(jié)果與實際抗壓強度的最小差值率為1.78%，最大差值率為7.66%。且8個預定周期的差值率均控制在8%以內(nèi)。在表7中，根據(jù)劣化模型所計算出的抗壓強度與試驗抗壓強度相比，在90次時兩者的差值率為6.49%，其他預計周期的差值率均在5%以內(nèi)，在120次時產(chǎn)生了最小差值率為1.3%。在表8中，根據(jù)強度衰減模型所計算的抗壓強度與試驗強度相比，在60次時兩者的差值率最小，為3.16%，兩者的最大差值率產(chǎn)生在120次時，為14.57%。3組溶液中，強度劣化模型所計算的抗壓強度與試驗抗壓強度的差值率均在15%以內(nèi)，屬于可接受的波動范圍。因此試驗得出的HDC抗壓強度劣化模型可以準確預測3種溶液中HDC試塊抗壓強度的變化情況。

表7 比較溶液2中模型計算值和試驗值Table 7 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 2

表8 比較溶液3中模型計算值和試驗值Table 8 Comparing the calculated and actual values of the model in solution 3

5 結(jié)論

將HDC與普通混凝土在3種不同濃度氯鹽溶液干濕循環(huán)對比試驗后，得到以下結(jié)論：

（1）干濕循環(huán)作用會使氯鹽溶液過度飽和，從而出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象。而HDC在3種溶液干濕循環(huán)作用下的表觀現(xiàn)象均有不同程度變化，20%氯鹽溶液對試塊的侵蝕效果最為明顯，10%氯鹽溶液侵蝕效果次之，5%氯鹽溶液對試件的侵蝕效果最差，表觀基本無現(xiàn)象。而普通混凝土在試驗過程中，隨著濃度提高，表面出現(xiàn)大面積落皮、掉角現(xiàn)象，延性變差，表面出現(xiàn)鹽漬現(xiàn)象也更早。說明HDC中纖維橋聯(lián)作用可以明顯提高混凝土的完整性，改善因鹽蝕造成表面混凝土脫皮、脫角等現(xiàn)象。

（2）在經(jīng)過240次干濕循環(huán)試驗后，通過對比HDC與普通混凝土可得到，在3種溶液干濕循環(huán)作用下，HDC抗氯離子侵蝕性能均優(yōu)于普通混凝土，HDC的質(zhì)量損失率比普通混凝土小。

（3）對于HDC和普通混凝土，氯鹽溶液濃度越高，侵蝕越快，后期抗壓強度下降越明顯。由于在20%氯鹽溶液中，試塊內(nèi)部與溶液間濃度差較大，氯離子快速向內(nèi)部擴散，進而使內(nèi)部變得更加密實，所以前期的抗壓強度會達到最高。說明HDC在濃度越高的氯鹽溶液中，氯離子與混凝土水化產(chǎn)物的物理吸附、化學結(jié)合速率越快，從而侵蝕程度也越高。

（4）通過對比相同濃度和相同循環(huán)周期的HDC與普通混凝土的抗壓強度發(fā)現(xiàn)，兩者均隨濃度的增加而降低，而同條件下HDC抗壓強度均高于普通混凝土。

（5）通過對HDC抗壓強度與循環(huán)時間的數(shù)據(jù)分析，表明二者符合二次多項式分布規(guī)律。根據(jù)最小二乘法對HDC建立抗壓強度劣化模型為

經(jīng)過試驗驗證，可以準確描述HDC在氯鹽-干濕循環(huán)作用下的抗壓強度劣化過程。

（6）采用最小二乘法，得到HDC氯鹽侵蝕本構(gòu)模型：

對試驗中HDC應力-應變曲線進行擬合，發(fā)現(xiàn)曲線吻合程度較高，且上升段參數(shù)a＞1滿足要求。