硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度与抗压强度的经验本构关系

姚志明 张兴军 黎信棉

（甘肃省公路发展集团有限公司 甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730000）

硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度与抗压强度的经验本构关系

姚志明 张兴军 黎信棉

（甘肃省公路发展集团有限公司 甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730000）

回弹法现场评估混凝土的抗压强度是目前应用最广泛的非破损检测方法之一，然而关于回弹法是否适用于硫酸盐腐蚀的混凝土的研究非常少。对硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度与腐蚀龄期的关系模型化是非常有必要的。本文基于前人的工作上，建立了硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度和抗压强度的经验本构关系。试验结果拟合相关性好，验证了硫酸腐蚀混凝土的表面硬度与抗压强度的经验本构模型在水灰比为0．35～0．60和腐蚀龄期30～360天的条件下具有合理性。

硫酸盐；腐蚀；混凝土；龄期；表面硬度；表面回弹值；抗压强度

1 引 言

在现场通过测量混凝土的表面硬度从而推测混凝土的抗压强度是目前被容易接受和广泛应用的非破损检测方法。由于回弹仪构造简单,操作方法易于掌握,检测效率高,费用低廉等优点,得到广泛应用,体现出现场应用的优越性。

回弹仪是用肖氏硬度原理检测材料表面硬度的仪器。1950年，厄恩斯特·施密特发明了弹簧冲击锤，并把肖氏硬度原理应用于该装置，检测出的结果为回弹值，并且可以直接在装置上读数，使测量表面硬度的方法更容易、快捷[1-3]。Katalin Szilágyi，Adorján Borosnyói István Zsigovics[4]提出了一种现象学的本构模型（SBZ-模型），阐述了对混凝土的表面硬度与抗压强度的经验本构关系，同时进行试验在水灰比范围为0.38-0.60以及7-180天龄期的情况下测试抗压强度和表面回弹值，试验结果证明了该模型的可行性。

硫酸盐对混凝土的腐蚀主要原因是硫酸根离子通过混凝土的孔隙渗透进入混凝土内部，与水泥水化产物中的某些组分发生化学反应，生成钙矾石和石膏等膨胀性腐蚀产物，从而使混凝土表面产生退化、剥落现象[5]。张敬书、张银华[6]研究了硫酸盐环境下混凝土抗压强度耐蚀系数与腐蚀龄期的关系，提出了腐蚀系数的概念描述了腐蚀的程度。Wei-yi Ouyang，陈建康[7]通过不同水灰比的混凝土试块浸泡在3%和8%的浓度硫酸钠溶液中，测量不同龄期的表面回弹值，建立了一个数值模型，该模型可由表面回弹值评价混凝土硫酸盐腐蚀的损伤程度。

关于回弹法检测混凝土强度，很多研究都只是针对正常情况下的混凝土或发生碳化的混凝土，然而对于硫酸盐腐蚀后混凝土的表面硬度和抗压强度的关系缺乏研究，也没有发展统一的理论描述两者的关系。本文基于文献[4]和[6]，提出了硫酸盐腐蚀后混凝土的表面硬度和抗压强度的经验本构关系。

2 试 验

试验所采用的水泥是52.5级P•Ⅱ型硅酸盐水泥，粗骨料为5～16mm粒径的碎石，细骨料为中砂。水灰比分别为0.35、0.4、0.5、0.55、0.6，试件采用边长为10cm的混凝土立方体，每组3块。试件脱模后经过28天的标准养护，然后分别浸入0%和0.5%的NaSO4溶液。试验的腐蚀龄期为30d、90d、150d、180d、270d、360d。于每个试验龄期分别测试试件的表面回弹值和抗压强度。所采用的仪器分别是ZC3-A型混凝土回弹仪和SYE-2000型压力试验机。

3 经验本构模型的建立

结合文献[4]和文献[6]，引用以下经验公式以建立硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度和抗压强度的经验本构关系。

1）混凝土28天龄期的抗压强度与水灰比的关系由式（1）表示。

其中a1＞1，a2＜0，0＜a3＜1。拟合结果见表1和图1。

表1 式（1）拟合结果

图1 混凝土28天龄期的抗压强度与水灰比的关系

2）混凝土的抗压强度随龄期增长的变化由式（2）表示。

其中0＜a4＜1，0＜a5＜1，a4和a5与w/c有关。拟合结果见表2和图2。

表2 式（2）拟合结果

图2 混凝土的抗压强度随龄期增长的变化

3）混凝土28天龄期的抗压强度与28天表面回弹值的关系由式（3）表示。

其中a6＞0，a7≥1。拟合结果见表3和图3。

表3 式（3）拟合结果

图3 混凝土28天龄期的抗压强度与28天表面回弹值的关系

4）混凝土的碳化现象会影响表面硬度，建立表面硬度和抗压强度的关系的时候要考虑到碳化深度。文献[4]指出碳化深度会随着龄期的增长而增长，碳化深度可根据菲克定律计算。然而在硫酸盐溶液环境下，全浸泡的混凝土试块不会出现碳化现象，但是会出现腐蚀层。其中在混凝土试块强化阶段腐蚀层为膨胀密实区；在劣化阶段，腐蚀层为裂缝发展区和膨胀密实区并存[6]。根据文献[6]，抗压强度耐蚀系数与腐蚀龄期的关系式为式（4）和（5），拟合结果见表4和图4。

图4 抗压强度耐蚀系数与腐蚀龄期的关系

表4 式（4）和式（5）拟合结果

其中k为硫酸盐腐蚀环境下混凝土强化阶段抗压强度损失率影响系数，B为硫酸盐腐蚀环境下混凝土的腐蚀系数，表示硫酸盐溶液对混凝土试块的腐蚀程度和速度；α、β为拟合参数物理意义，为硫酸盐腐蚀环境下混凝土劣化阶段抗压强度损失率影响系数。硫酸盐腐蚀混凝土的抗压强度和腐蚀龄期可由式（6）和（7）表示。

文献[8]根据腐蚀介质的渗透规律，并通过菲克定律计算得到硫酸盐渗透后混凝土的腐蚀层厚度x按式（8）计算。

其中，D为硫酸盐扩散系数，c为硫酸盐溶液的浓度，N为单位体积混凝土吸收结合硫酸盐的数量。文献[6]中，腐蚀系数B按式（9）计算。

其中d为混凝土试块的边长。把式（9）代入式（8）得式（10）。

计算腐蚀层厚度x的时候，将劣化阶段的B代入式（10）计算时与实际情况相比更合理，因此B只与腐蚀环境和混凝土的水灰比有关。在整个腐蚀龄期内，都用劣化阶段的B计算腐蚀层厚度。

5）硫酸盐腐蚀后强化阶段的混凝土的表面硬度会增强，劣化阶段则由于裂缝的存在而减弱。用腐蚀层厚度取代碳化层厚度，则根据文献[4]，回弹值与腐蚀层厚度的关系式由式（11）表示。

混凝土强化阶段腐蚀层与碳化层对混凝土表面硬度的影响类似，所以强化阶段时a8＜0，a9＞0；劣化阶段时，腐蚀层厚度增大，表面裂缝增多，延伸到混凝土内部越深，表面硬度减少，所以a8＜0，a9＜0。拟合结果见表5和图5。

图5 表面回弹值与腐蚀龄期的关系

式（6）、（7）和（11）表示，在相同水灰比的情况下，硫酸盐腐蚀混凝土的抗压强度和表面回弹值R(t )都与腐蚀龄期t有关系，所以可建立

表5 式（11）拟合结果

图6 (t )和R(t )的关系

由此可见，硫酸盐腐蚀混凝土无论是强化阶段还是劣化阶段，都有较好的拟合相关性。相同腐蚀条件下，硫酸盐腐蚀混凝土的抗压强度与腐蚀龄期和混凝土的水灰比有关。相同水灰比的情况下，抗压强度随着腐蚀龄期的递增而递增。然而，不同的腐蚀溶液浓度和水泥种类以及用掺和料替代水泥的量都会影响该本构关系，有待日后进一步研究。

4 结 语

1）回弹法现场评估混凝土的抗压强度是目前应用最广泛的非破损检测方法之一，同样适用于硫酸盐腐蚀的混凝土。对硫酸盐腐蚀混凝土的表面硬度与腐蚀龄期的关系模型化是非常有必要的。

2）硫酸盐腐蚀混凝土的经验本构模型是基于文献[4]的混凝土抗压强度与表面回弹值的经验本构关系和文献[6]硫酸盐腐蚀混凝土抗压强度耐蚀系数与腐蚀龄期的关系组合而成的。

3）本次试验结果验证了硫酸腐蚀混凝土的表面硬度与抗压强度的经验本构模型在水灰比为0.35～0.6和腐蚀龄期30～360天的条件下具有合理性。

[1]Schmidt E．Rebound hammer for concrete testing [J]．Schweiz Bauztg 1950;68(28):378-9．

[2]Shore AT．Property of Hardness in Metals and Materials．Proceedings ASTM 1911;11:733-9．

[3]Schmidt E．Quality control of concrete by rebound hammer testing (Versuchemit dem neuen Beton-Prüfhammer zur Qualitätsbestimmung des Betons)．Schweiz Arch angew Wiss Tech May 1951;17:139-43．

[4]Katalin Szilágyi, Adorján Borosnyói,István Zsigovics．Rebound surface hardness of concrete:Introduction of an empirical constitutive model[J]．Construction and Building Materials,2011,25:2480–2487．

[5]杜健民,梁咏宁,张风杰．地下结构混凝土硫酸盐腐蚀机理及性能退化[M]．北京:中国铁道出版社,2011:11-12．

[6]张敬书,张银华,冯立平等．硫酸盐环境下混凝土抗压强度耐蚀系数研究[J]．建筑材料学报,2014,17(03):369-377．

[7]Wei-yi Ouyang,Jian-kang Chen．Evolution of surface hardness of concrete under sulfate attack [J]．Construction and Building Materials,2014,53:419–424．

[8]曹双寅．受腐蚀混凝土的力学性能[J]．东南大学学报,1991,21(4):89-95．

The empirical constitutive relation between rebound surface hardness of concrete corroded by sulfate and compressive strength

Rebound testing is one of the most widespread NDT methods for in situ strength estimation of concrete structures nowadays．However,studies on whether rebound method is available in concrete corroded by sulfate are very few．It is greatly necessary to model the rebound surface hardness of concrete corroded by sulfate as a time dependent material property．Based on previous researchers,the empirical constitutive relation between rebound surface hardness of concrete under sulfate condition and compressive strength was established．A good fitting correlation was revealed by experimental results which clearly verified its rationality for a wide range of water–cement ratios (w/c = 0．35–0．60) and ages of concrete under sulfate condition at testing (30–360 days)．

sulfate；corrosion；concrete；age；rebound surface hardness；rebound value；compressive strength

TU528．33

B 文章标号：1003-8965（2017）03-0012-04