硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用下混凝土劣化特性

邢明亮，关博文，2，陈拴发，盛燕萍，熊锐

（1.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064）

硫酸盐腐蚀是对混凝土危害较大的一种腐蚀性介质破坏，也是影响混凝土耐久性的重要因素之一，同时还是影响因素非常复杂、危害性大的一种环境水侵蚀.土壤、地下水、海水、腐烂的有机物以及工业废水中都可能含有硫酸根离子，它们渗入混凝土内部与水泥水化产物发生反应，使混凝土产生膨胀、开裂、剥落等现象，并丧失强度和黏性.混凝土在服役过程中总要承受一定荷载，因而混凝土在腐蚀过程中，其真实情况是荷载与腐蚀离子双因素作用下的损伤失效.近年来，在水利、公路、海港以及机场等工程中都发现了硫酸盐与荷载联合腐蚀问题，严重的甚至导致混凝土结构物在未达到设计使用寿命时就已发生破坏，从而造成人力和财力的极大浪费［1－3］.

多年以来，国内外许多学者在硫酸盐与荷载叠加作用对混凝土腐蚀方面做了大量的研究.前苏联学者在上世纪50年代就对应力状态下混凝土的抗腐蚀性做了一定研究，确认使用环境可能造成荷载与腐蚀不同组合，应力的种类和级别是决定混凝土腐蚀性能的主要因素，并采用渗透系数的变化来大致表征腐蚀程度的变化特征，但整个过程缺乏更为系统的分析以及微观机理方面的研究［4］.Bassuoni等［5］通过试验研究了自密实混凝土在硫酸钠溶液和荷载作用下的耐久性，试验考虑了干湿循环作用的影响，但其中的干状态系通过人工控制温度获得.余红发等［6］用中型千斤顶加载装置施加30%～40%弯曲荷载，研究了普通混凝土、掺与不掺矿物掺和料的高强混凝土（HSC）、复合掺加矿物掺和料的钢纤维增强高强混凝土（SFRHSC）在中国典型盐湖卤水中应力腐蚀后的性能变化；邢锋等［7］也对荷载作用下混凝土受硫酸盐侵蚀问题进行了一些研究.孙伟领衔的课题组对混凝土在氯盐＋应力荷载＋硫酸盐复合作用下的损伤失效以及混凝土在应力荷载＋硫酸盐＋镁盐复合作用下的损伤失效进行了研究［8］.

综上，目前国内外研究主要集中于静载力下混凝土的硫酸盐腐蚀，而实际工程中的混凝土是在一定疲劳荷载作用下运行的，尤其对路、桥等结构而言，除了承受结构物等自重作用以外，还要承受频繁的交通荷载重复作用.鉴于此，本文对硫酸盐侵蚀与疲劳荷载联合作用下的混凝土劣化特性展开了研究，通过宏观力学性能测试和微观SEM 测试，分析硫酸钠溶液对道路混凝土疲劳特性的影响规律，探讨硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用下道路混凝土的损伤机制，提出了叠加效应系数K，用以评价硫酸盐腐蚀与疲劳荷载损伤的叠加效应.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：强度等级为42.5尧柏牌普通硅酸盐水泥；砂：西安灞河砂，颗粒级配良好，视密度2.72g／cm3，细度模数2.82，含泥量小于2.0%1）本文所涉及的掺量、浓度、比值等均为质量分数或质量比.；石：陕西石灰岩碎石，连续级配，最大粒径为20mm；HBY 高性能减水剂（硫酸根离子含量小于0.01%，可忽略）.

1.2 试验方案

考虑到不同浓度硫酸盐腐蚀介质对混凝土腐蚀疲劳特性的综合影响，特按单因素试验进行设计，并与浸泡硫酸盐试件进行对比试验，试验方案见表1.

表1 试验方案Table 1 Testing program

1.3 混凝土配合比

道路混凝土配合比设计如表2所示，采用尺寸为100mm×100mm×400mm 的长方体试件.试件成型后自然养护24h后拆模并移入（20±2）℃，相对湿度95%的养护室内养护28d，然后进行试验，即腐蚀龄期从标准养护28d后开始计算.

表2 混凝土配合比及试验结果Table 2 Mix proportion and test results

1.4 试验装置

腐蚀疲劳试验是与时间、应力水平（比）、荷载谱等因素密切相关的一项试验，该研究试验周期长，无法长期使用精度很高的设备（如MTS）进行试验.鉴于此，根据试验基本要求，设计了一套机械式腐蚀疲劳加载装置，该装置能够准确模拟腐蚀环境和交变机械应力环境，并在荷载谱中精确融合时间因素，试验装置见图1.混凝土的腐蚀疲劳采用四点加载弯曲试验.

1.5 试验方法

图1 腐蚀疲劳装置图Fig.1 Erosion fatigue device

试验时首先按标准方法制作试件，标准养护28d，按每组3根试件测定其抗弯拉强度，取其平均值作为计算腐蚀疲劳研究所用应力水平的依据.按试验设计要求每组先取3根试件置于腐蚀疲劳试验装置架上，倒入预先配制的规定浓度的Na2SO4溶液浸泡24h，然后按四点加载方式施加交变应力，再取另外3根浸泡于与腐蚀疲劳同条件的环境介质中.对于施加疲劳荷载的混凝土试件，先加载至规定应力比，停置24h，然后每天按加载（2min）→卸载（2min）→加载这样一个循环荷载谱进行加载.为达到加速化学腐蚀的目的，采用搅拌器使腐蚀溶液处于连续的运动状态，以避免相对不容的反应物富集在混凝土表面及附近.出于同样的理由，每隔30d用新配制的腐蚀溶液更换原来的溶液，保证混凝土试件所处的腐蚀环境浓度变化不大.宏观观测主要为抗弯拉强度、饱和面干吸水率和相对动弹性模量，微观观测用SEM 进行腐蚀产物微观性质分析.

1.6 评价指标

（1）腐蚀因子（腐蚀疲劳因子）.腐蚀疲劳因子S为某一龄期的硫酸盐腐蚀或腐蚀疲劳的试件抗弯拉强度值ft1与标准养护相应天数的抗弯拉强度值ft2之比，表达式为：

（2）相对动弹性模量Erd，其表达式为：

式中：T0，Tt分别为混凝土腐蚀前及腐蚀到t 龄期的声时.

（3）饱和面干吸水率b，其表达式为：

式中：ms和md分别为受腐蚀混凝土试样的饱和质量和干质量.

2 试验结果及分析

2.1 硫酸盐腐蚀与腐蚀疲劳混凝土力学特性

图25分别为在5%，10%Na2SO4溶液腐蚀作用下道路混凝土抗弯拉强度、腐蚀因子、相对动弹性模量以及饱和面干吸水率随腐蚀时间的变化规律.

由图25可以看出，对于在硫酸钠溶液中浸泡的试件，其腐蚀过程可分为两个阶段.第一阶段由于钙矾石和石膏的形成填充了混凝土内部孔隙，增加了混凝土材料的密实度，宏观表现为饱和面干吸水率的减小与相对动弹性模量的增大，抗弯拉强度处于上升期［9］.10%Na2SO4溶液中的试件强度在120d达到峰值，为标准养护龄期下抗弯拉强度的1.13倍.进入第二阶段后，混凝土内部结晶压导致其内部微裂缝出现，局部膨胀应力过大造成混凝土内部微裂缝开展，渗透性增大，宏观表现为饱和面干吸水率增大，相对动弹性模量减小，抗弯拉强度下降和腐蚀因子逐渐减小，但由于腐蚀时间较短，无论是在5%还是10%Na2SO4溶液中，试件的抗弯拉强度仍高于基准值.

图6，7分别为在10%硫酸钠溶液中腐蚀90，180d试件的SEM 照片.由图中可见大量针状的钙矾石丛生，混凝土内部钙矾石结晶形态为呈簇状由中心向外辐射的针状钙矾石晶体，且钙矾石的结晶形态随着腐蚀时间的增加而变长加宽.图7中的钙矾石结晶长度明显比孔隙直径要大得多，这将导致钙矾石晶体对孔隙壁产生膨胀压力从而形成微裂纹，这也从微观角度验证了上述硫酸盐腐蚀作用下道路混凝土宏观性能劣化的原因.

图8～11分别为硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用下道路混凝土抗弯拉强度、腐蚀疲劳因子、相对动弹性模量以及饱和面干吸水率随腐蚀疲劳时间的变化规律.

由图811可见，腐蚀疲劳明显加剧了道路混凝土的劣化.由于受到疲劳荷载的作用，浸泡在硫酸盐溶液中的道路混凝土无强度增长，且腐蚀疲劳因子随着时间的增加而迅速降低，表明疲劳荷载的损伤作用大于因硫酸盐腐蚀使混凝土早期密实度增加所带来的强度补偿.在腐蚀疲劳早期，混凝土腐蚀疲劳因子随腐蚀疲劳时间的增加而缓慢降低，这主要是由于疲劳荷载作用产生的裂缝被硫酸盐腐蚀产物所填充，腐蚀生成产物的填充作用在早期抵消了一部分疲劳荷载对混凝土的不利作用；但随着腐蚀龄期的进一步增加，更大量的膨胀性腐蚀产物生成，从而产生了膨胀压力，进一步加剧了混凝土腐蚀疲劳的劣化，从而导致混凝土腐蚀疲劳因子迅速下降.

由图8，9可以发现，当受到疲劳荷载作用时，与在5%硫酸盐溶液中的混凝土相比，在10%硫酸盐溶液中的混凝土其腐蚀疲劳因子随着腐蚀疲劳龄期的增加先大后小，说明随着硫酸盐浓度的增大，硫酸盐腐蚀对混凝土早期强度补偿和后期强度劣化的作用越发明显.对图10，11与图4，5进行对比分析，可以看出疲劳荷载的存在增大了硫酸盐腐蚀产物的填充作用，腐蚀产物的增多间接说明疲劳荷载作用所产生的裂缝加速了硫酸根离子的扩散，且硫酸根离子的扩散速率随着硫酸盐浓度的增加而增大.

图12表示裂纹随腐蚀疲劳时间的扩展过程.从图中可以看出，腐蚀疲劳60d时试件内产生了大量细微裂缝，随着时间增加到120d，这些细微裂缝逐渐连通、变宽，从而导致硫酸盐溶液更易侵入，混凝土性能迅速劣化.

图12 腐蚀疲劳下裂纹的扩展过程Fig.12 Crack growth under erosion fatigue

2.2 硫酸盐腐蚀与疲劳荷载叠加效应分析

为分析硫酸盐腐蚀与疲劳荷载的叠加效应对混凝土强度劣化的影响，引入强度损失因子D（强度损失百分比）：

用叠加效应系数K 来表征硫酸盐腐蚀与疲劳荷载两个因素的叠加交互作用，即相互促进或抑制作用.硫酸盐腐蚀强度损失因子为D1，疲劳荷载强度损失因子为D2，硫酸盐腐蚀和疲劳荷载联合作用下的强度损失因子为Dt.建立硫酸盐腐蚀和疲劳荷载联合作用下的混凝土强度损失因子Dt与单个强度损失因子D1，D2的关系［10］：

当0＜K＜1时，表示硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用存在负效应，即两种因素叠加导致混凝土强度的损失小于两者分别作用之和，两因素之间的交互作用延缓了混凝土的破坏；当K＞1时，表示硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用存在正效应，即两种因素叠加导致混凝土强度的损失大于两者分别作用之和，叠加效应使得混凝土加速破坏.K 值随腐蚀疲劳时间的变化见图13.

图13 不同硫酸盐浓度下叠加效应系数K 值Fig.13 Value of Kin different sulfate concentration

由图13可以看出，叠加效应系数K 值大部分大于1，说明硫酸盐腐蚀与疲劳荷载联合作用会加速混凝土的强度衰减，即硫酸盐腐蚀会加速混凝土疲劳损伤的积累，而疲劳荷载也会促进腐蚀损伤的进行，腐蚀损伤和疲劳损伤之间存在相互促进的效应.在5%硫酸盐溶液中腐蚀60d以内时，其K 值小于1，分析原因为硫酸盐腐蚀生成的膨胀产物填充了一部分由于疲劳荷载产生的裂缝，早期的低浓度硫酸盐溶液减弱了疲劳荷载对混凝土的破坏；随着腐蚀疲劳龄期增长，两因素叠加效应发展为相互促进作用.同一腐蚀疲劳龄期下，在10%硫酸钠溶液中的混凝土K 值均大于在5%硫酸钠溶液中的混凝土K 值，说明硫酸钠溶液浓度的增加使硫酸盐腐蚀损伤在叠加效应中发挥了更大的作用.由图13还可发现，随着腐蚀疲劳龄期增大，K 值大体呈现先增大后减小的趋势.

3 结论

（1）由于受到疲劳荷载的作用，浸泡于硫酸盐溶液中的道路混凝土无强度增长，且腐蚀疲劳因子随着时间的增加而迅速降低.

（2）由于硫酸盐腐蚀对混凝土强度的早期补偿和后期劣化作用，与在5%硫酸钠溶液中的混凝土相比，在10%硫酸钠溶液中的混凝土腐蚀疲劳因子随着腐蚀疲劳龄期的增加先大后小，表明随着硫酸盐浓度的增大，硫酸盐腐蚀对混凝土早期强度的补偿和后期强度的劣化作用越发明显.

（3）硫酸盐腐蚀膨胀产物生成的微裂纹与疲劳荷载产生的裂缝是道路混凝土腐蚀疲劳损伤的主要原因.

（4）硫酸盐腐蚀会加速混凝土疲劳损伤的积累，而疲劳荷载也会促进腐蚀损伤的进行，腐蚀损伤和疲劳损伤之间存在相互促进的效应，并且硫酸盐侵蚀溶液浓度的增加使得硫酸盐腐蚀损伤在叠加效应中发挥了更大的作用.

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