浸烘与加载耦合作用下混凝土的损伤失效研究*

张立明，余红发，宁作君

(1.南京航空航天大学土木工程系，江苏南京 210016;2.吉林交通职业技术学院，吉林长春 130012;3.甘肃土木工程研究院，甘肃兰州 730020)

在海洋、盐湖、盐渍土和高含量的腐蚀盐的地下水等环境下，硫酸盐腐蚀、干湿循环、氯离子锈蚀钢筋是引起混凝土耐久性不足的主要原因［1－4］。Hekal等［5－6］研究了混凝土 10%MgSO4 溶液中在不同试验环境下 (室温、60℃和60℃的浸烘循环下)的抗腐蚀损伤能力。结果表明只有在60℃的浸烘循环是一种加速混凝土腐蚀的一种方法。金祖权等［7－9］关注了不同浓度硫酸盐、氯盐复合溶液，在浸烘循环下，普通混凝土的相对动弹模量规律，混凝土劣化速度与硫酸盐浓度成正相关，复合溶液中氯盐存在，延缓了混凝土损伤劣化速度。余红发等［10－14］进行的调查研究表明，西部盐渍土地区的混凝土结构因受到外部荷载、干湿循环和化学腐蚀作用，服役3～5年就遭受严重破坏。混凝土在服役过程中还承受一定的荷载，许多研究者对混凝土施加弯曲荷载，然后浸泡到一定浓度的溶液中来研究荷载对混凝土性能劣化的影响。但对于混凝土在荷载+浸烘循环复合作用下，力学与环境因素复合对在混凝土应力腐蚀有待探讨。

为了研究这些地区的混凝土耐久性问题，选取青海盐湖卤水为腐蚀溶液，进行在现场暴露试验、和一个循环包括在盐湖卤水中浸泡2 d和60℃烘1 d的浸烘循环和浸烘循环+30%弯曲荷载。深入讨论不同环境下混凝土的腐蚀应力腐蚀规律。并采用现代测试技术分析了不同腐蚀环境下的腐蚀产物和微结构损伤。

1 实验

1.1 原材料

湖北黄石水泥厂生产的华新牌P.Ⅰ52.5硅酸盐水泥。镇江谏壁电厂华源Ⅰ级粉煤灰。江苏江南粉磨公司生产的S95级磨细矿渣，比表面积461 m2/kg。胶凝材料化学成分见表1。兰州产河砂，Ⅱ区级配，中砂细度模数为2.5。甘肃省临洮河口产石灰岩碎石，5～20 mm连续级配，最大粒径20 mm。饮用水。江苏省苏博特PCA®(I)聚羧酸类高性能减水剂，减水率达20%以上。

表1 胶凝材料的化学成分Table 1 Chemical Compositions of binder material w/%

1.2 配合比

试件尺寸500 mm×100 mm×75 mm棱柱体。矿物掺合料 (w)分别为:硅灰掺10%，粉煤灰掺量30%，矿粉掺量50%。水灰比为0.35。其配比及28 d抗压强度见表2。

青海盐湖运回卤水，到中科院青海盐湖研究所进行等离子光谱测定化学成分件见表3。

表2 混凝土配合比及抗压强度Table 2 Mixed proportions and compressive strength of concretes

表3 青海察尔汗盐湖卤水化学成分Table 3 The chemical composition of salt lake

1.3 试验方法

相对动弹模量用北京康科瑞公司生产的NM－4B非金属超声波检测仪测定。混凝土的相对动弹模量可用下式计算:

式中:Er为相对动弹模量;E0和Vr分别为混凝土实验前的初始动弹模量和超声波波速;Et和Vt分别为混凝土在t时刻的动弹模量和超声波波速。参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》［15］，当降低到60%，质量损失率达到5%以上可认为混凝土已经发生应力破坏。

抗压试件边长100 mm的立方体，棱柱体试件为100 mm×75 mm×500 mm，混凝土试件标准养护28 d。测定好初始超声波值后，依次放置在如下持续浸泡环境、干湿循环环境及现场暴露环境下。分别在90、180、270、330、390、480和540 d测定各棱柱体的相对动弹模量。

通过四点抗弯拉试验确定最大抗弯拉应力，利用设计加载装置对各试件进行加载，加载装置和加载过程见图1。

图1 加载装置及加载过程Fig.1 The load device and loading process

2 结果与讨论

2.1 不同试验环境对OPC、HSC和HPC耐腐蚀能力的影响

图2所示:在不同试验环境下，各混凝土的相对动弹模量都经历强化和劣化的过程。相对动弹模量强化阶段:因腐蚀产物在混凝土孔隙、缺陷处生成，密实了混凝土结构。①在现场暴露环境下，混凝土强化阶段还没达到最大值，其中OPC在540 d时，增加了18.9%，HSC在540 d增加了5.63%;HPC在540 d增加了9.35%。增长的速率随水灰比的增大而增大，强化阶段的时间长度随水灰比的增大而减小。②在浸烘循环中，OPC在180 d达到最大值，增加了15.2%;HSC在330 d达到最大值，增加了21.5%;HPC在270 d达到最大值，增加了20.7%，增长的速率随水灰比的增大而增大，强化阶段的时间长度随水灰比的增大而减小。③浸烘+30%加载环境中，OPC在180 d达到最大值，增加了24.8%;HPC在 180 d达到最大值，增加了25.5%;HSC在270 d时，增加了25.7%，还没达到最大值;增长的速率随水灰比的增大而增大，强化阶段的时间长度随水灰比的增大而减小。性能劣化阶段:因腐蚀产物填满孔隙后，产生裂纹导致混凝土孔壁破坏，裂纹引发、扩展，并最终导致混凝土破坏。①在暴露环境中，OPC、HSC和HPC都没到达劣化阶段。②在浸烘循环中，OPC在540 d时降低了 22.7%，在劣化阶段下降了 38.4%;HSC在540 d时增加了7.8%，在劣化阶段下降了11.1%;HPC在540 d时增加了0.5%，在劣化阶段下降了14.1%;劣化的速率随水灰比的增大而增大。③在浸烘+30%加载环境中，OPC下降0.6%，在劣化阶段下降了25.4%;HSC增加了10.8%，在劣化阶段下降了14.9%;HPC增加了4.1%，在劣化阶段下降了21.1%。在相同试验环境下，水灰比越大劣化速度越快。

图2 不同试验环境下对OPC﹑HSC和HPC耐腐蚀能力的影响Fig.2 The influence of the ability of stress for OPC、HSC and HPC in different test conditions

2.2 OPC、HSC和HPC耐腐蚀能力和试验环境的关系

图3(a)所示:OPC在不同试验环境下，相对动弹模量的变化规律。暴露环境下，强化阶段阶段还未完成，浸烘和浸烘+30%加载环境下强化阶段时间长度均为180 d。因此，与暴露环境相比，浸烘和浸烘+30%加载可以显著缩短强化阶段时间长度，浸烘和浸烘+30%荷载的强化阶段时间长度至多是暴露强化阶段时间长度的33.3%倍。图3(b)所示:HSC在不同试验环境下，相对动弹模量的变化规律。暴露环境下，强化阶段阶段还未完成，浸烘和浸烘+30%荷载环境下强化阶段时间长度为330 d;浸烘可以显著缩短强化阶段时间长度;因此，与暴露环境相比，浸烘和浸烘+30%加载可以显著缩短强化阶段时间长度，浸烘和浸烘+30%加载的强化阶段时间长度至多是暴露强化阶段时间长度的50%倍。图3(c)所示:HPC在不同试验环境下，相对动弹模量的变化规律。暴露环境下，强化阶段还未完成，浸烘和浸烘+30%荷载，强化阶段时间长度分别为270 d和180 d;浸烘+30%荷载可以显著缩短强化阶段时间长度;浸烘和浸烘+30%荷载环境的强化阶段时间长度至少是暴露强化阶段时间长度的33.3%和50%倍。与暴露环境相比，浸烘+30%荷载环境可以显著的缩短强化阶段时间长度，OPC、HSC和HPC分别暴露强化阶段时间长度的33.3%、61%和33.3%倍;而浸烘环境下OPC、HSC和HPC分别暴露强化阶段时间长度的33.3%、61%和50%倍。因此，与现场暴露环境相比，浸烘+30%荷载环境对混凝土应力腐蚀最大，其次是浸烘环境。

图3 OPC﹑HSC和HPC耐腐蚀能力与试验环境的关系Fig.3 The relationship between OPC、HSC、HPC and test environment

2.3 盐湖卤水腐蚀混凝土的微观分析

浸烘循环下，分别对90，330和540 d的HSC进行SEM分析混凝土空洞中微观结构的变化，如图4所示:90 d时有少量的腐蚀产物，330 d随腐蚀产物有大量的腐蚀产物，经过540 d的浸烘循环，混凝土孔洞几乎完全被针状产物充填，并形成裂纹混凝土。裂缝并在进一步发展，通过对腐蚀产物进行确定为钙矾石和石膏。这是因为SO2－4扩散到混凝土近表面区，在孔隙和界面区生成钙矾石和石膏，当钙矾石和石膏结晶长大，一旦其膨胀力超过混凝土的抗拉强度，就会差生大量裂缝，相对动弹模量开始劣化，随着试验的继续，裂缝进一步扩展，促进钙矾石和石膏的生成，相对动弹模量迅速下降。

图4 钙矾石晶体在不同腐蚀龄期对混凝土孔洞的充填情况Fig.4 Ettrigite crystals filled in void pore of the concrete specimens for different ages

3 结论

混凝土在应力腐蚀作用下的相对动弹性模量要经历强化阶段与试验环境和混凝土类型密切相关。

1)水灰比越大强化阶段的时间越短，说明腐蚀产物多，混凝土结构迅速密实。对于同一混凝土而言，浸烘循环+30%荷载的强化阶段时间最短，其次是浸烘循环，最后是现场暴露。

2)浸烘循环+30%荷载作用显著加速了混凝土应力腐蚀破坏进程。OPC应力腐蚀的强化段在浸烘循环+30%荷载时间与长度暴露环境条件的相应时间长度分别压缩了67%。在浸烘+30%荷载循环作用下，在强化阶段HSC发生应力腐蚀的干湿循环次数分别比OPC和HPC延长了1.8倍，因此，在中国盐湖地区，HSC表现出更强的抗应力腐蚀能力。

3)通过微观分析，可知混凝土应力腐蚀的产物是钙矾石和石膏。这是因为SO2－4扩散到混凝土近表面区，在孔隙和界面区生成钙矾石和石膏，当钙矾石和石膏结晶长大，一旦其膨胀力超过混凝土的抗拉强度，就会差生大量裂缝，相对动弹模量开始劣化。

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