受“渗流-应力场”及作用后高性能混凝土性能研究

尹蓉蓉， 刘 宇， 吴 庆

(江苏科技大学土木工程与建筑学院， 江苏 镇江 212003)

0 引言

在地下工程中，混凝土结构(如盾构隧道管片)往往会处在很复杂的侵蚀环境之中[1-3]，除了承受地层压力外，在水系发达的地区还要承受地下水的渗透作用[4-8]，当地下水中含有腐蚀介质时，还会受到这些腐蚀介质的侵蚀作用。如西北盐湖地区、东部沿海等地的地下水中含有大量的氯离子与硫酸根等侵蚀性离子[9-11]，这些地区的地下混凝土结构会受到“渗流-应力场”及侵蚀性离子共同作用。地下混凝土结构受到荷载、水压力及侵蚀性离子共同作用时，荷载会使混凝土出现微裂缝； 水压力对混凝土产生的劈裂作用不仅会产生裂缝，而且会使裂缝连通并扩大； 荷载与水压力的共同作用为侵蚀性离子的渗透提供通道，相同时间内混凝土与更多的氯离子和硫酸根离子接触发生反应，加速混凝土的腐蚀，严重影响混凝土的耐久性。

盾构隧道管片通常采用高性能混凝土制造[12]，高性能混凝土水胶比低， 拌合物流动性大、黏聚性好，混凝土均匀，因此混凝土的孔隙率、孔径小，混凝土密实，减少了腐蚀性物质的传输通道，同时其本身承载力也高于普通混凝土，因此，高性能混凝土抗侵蚀性优于普通混凝土[13]。目前，方万里[14]研究了氯盐对高性能混凝土的侵蚀规律，表明混凝土抗氯离子渗透性能随龄期的延长而显著提高，氯离子扩散系数符合指数衰减规律，其龄期系数与混凝土水胶比和矿物掺合料掺量等因素有关； 乔红霞等[15]研究了硫酸盐侵蚀对高性能混凝土耐久性的影响，结果显示在干湿交替的水侵蚀和硫酸盐侵蚀环境中，掺加复合掺和料的高性能混凝土对硫酸盐侵蚀有较好的抵抗性能； 刘金涛[16]通过不同配比的高性能混凝土受氯盐与硫酸盐侵蚀试验，得出了改良后的配比，并且得出改良过后的混凝土对于2种盐都有很高的抗腐蚀性能； A.Konin等[17-18]通过研究高性能混凝土(45、80、100 MPa)从施加荷载到破坏时的微裂纹发展情况来探索混凝土的应力腐蚀，得到了混凝土强度与施加荷载之间的关系和腐蚀离子扩散系数与强度以及荷载之间的关系； 陈聪等[19]进行了不同性能等级混凝土(C30、C50、C70)在不同水压、氯离子质量分数等条件下的渗透试验，得出水头作用均会提高不同性能混凝土各层自由氯离子的含量，对腐蚀离子的传输做了研究但未深入研究侵蚀后高性能混凝土的力学性能和内部微观情况。目前已有较多对单侵蚀因素条件下高性能混凝土结构耐久性的研究，但由于问题的复杂性，对高性能混凝土受多种侵蚀因素共同作用下的耐久性研究较少； 同时由于问题的特殊性，目前缺乏对地下结构(如盾构隧道管片)在“渗流-应力场”耦合作用下受氯盐、硫酸盐侵蚀的耐久性问题研究。因此，为了研究地下高性能混凝土劣化的规律，为受环境腐蚀介质影响的地下结构长期安全性评估提供基础理论和方法，有必要研究“渗流-应力场”及硫酸盐与氯离子复合作用下高性能混凝土的性能。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验所用水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，所用粗骨料为5～20 mm碎石，细骨料为中砂、天然河沙，细度模数为2.7，水为清洁的自来水，外加剂为高效减水剂。混凝土配合比与标准养护28 d混凝土立方体抗压强度见表1。

表1 混凝土配合比及力学性能

1.2 试验方法

本试验所用混凝土试块是圆台和棱柱体的组合体，底部圆台部分为专门定做的钢模具，下底直径为175 mm，上底直径为165 mm，高150 mm；上部棱柱部分用清水模版订制，尺寸为200 mm×200 mm×200 mm(长×宽×高)，如图1所示。

图1 混凝土试块模具

持续加载装置由钢板和螺栓组成(见图2)，左右两边为2块260 mm×160 mm×10 mm(长×宽×厚)的钢板，由4根10 mm螺栓连接，混凝土试块棱柱体部分置于钢板之间，通过螺母和螺杆施加荷载，荷载方向垂直于离子渗透方向，荷载大小通过传感器(量程为20 t)和显示器显示出来，需要施加的荷载大小根据C50混凝土强度设计值23.1 N/mm和受压面积100 mm×120 mm得出，按照上述力的20%和 40%给试块施加外荷载，把外荷载为0 kN 作为对比分组。试块加荷如图3所示。

压力水头采用HP-4.0自动加压混凝土抗渗仪的稳定水压功能来实现。渗透溶液选用5%NaCl+5%Na2SO4的混合溶液，采用直接将混凝土试块放在水箱中浸泡和使用抗渗机的方式来实现压力水头为0、0.4、0.6 MPa的情况，浸泡时间综合考虑试验周期、强度和微观检测的需要，拟采取浸泡25 d。试验过程如图4所示。

本试验主要考虑水头差、外荷载大小的影响，拟定9组试验工况，如表2所示。

(a)

(b)

图3 加载示意图

图4 试验过程

对于不同的工况，可通过调节图3和图4所示的试验装置实现“渗流-应力场” 、氯盐及硫酸盐对混凝土试块的作用条件，采用压力试验机检测腐蚀后混凝土试块的承载力； 将腐蚀后混凝土试块研磨成粉末，采用XRD-6000X射线衍射仪进行 X 射线衍射分析，定量分析的样品细度应在45 μm左右，选取θ值为20°～80°； 采用JSM-6480扫描电镜检测腐蚀后混凝土试块衍射图谱和SEM形貌，分析试块内部的结晶状况，观察试块的形貌，放大倍数为4 000倍。

表2 试验工况

2 受腐蚀高性能混凝土承载力

2.1 受腐蚀混凝土承载力测量

将所有受腐蚀混凝土试块进行承载力测量，混凝土试块承载力检测试验见图5，测量具体承载力值见表3。

图5 混凝土试块承载力检测试验

Table 3 Compressive strengths of concrete specimens under different conditions kN

针对实验中每一个试块，通过混凝土试块压力试验机对同一工况下的3个平行试块进行承载力检测，得到原始数据p1、p2、p3，按照式(1)计算出的承载力平均值作为该工况下的混凝土试块的承载力p。

(1)

式中：p为该工况下混凝土试块的承载力值，kN；pi为同一工况下第i个试块的承载力值，kN；i为同一工况下的混凝土试块的个数，i=1，2，3。

不同工况下混凝土试块的承载力-位移曲线如图 6 所示。

2.2 试验结果

2.2.1 荷载对高性能混凝土承载力的影响

混凝土试块受到外部的荷载作用时会出现微裂缝，这些微裂缝会为侵蚀性介质在混凝土中的渗透提供通道，使外部侵蚀介质更容易进入到混凝土内部，加剧混凝土的腐蚀，降低混凝土的耐久性。图6检测结果示出，在不同荷载及氯盐和硫酸盐共同作用下，混凝土试块 A2(60 kN)和 A3(120 kN)承载力相比 A1(0 kN)降低了13.2%和26.4%。由此可得，荷载加剧高性能混凝土腐蚀，荷载越大作用效果越明显，原因是荷载的存在会使混凝土试块产生更多微裂缝，促进离子渗透。

(a) 荷载0 kN、不同水压力 (b) 荷载60 kN、不同水压力

(c) 荷载120 kN、不同水压力 (d) 水压0 MPa、不同荷载

(e) 水压0.4 MPa、不同荷载 (f) 水压0.6 MPa、不同荷载

2.2.2 水头差对高性能混凝土承载力的影响

水压对试块渗透性能影响显著。渗流场导致侵蚀性离子渗透系数和渗透量发生变化，同时水压力通过裂缝直接作用于混凝土结构，对混凝土内部结构产生劈裂的作用，因此水压力加速侵蚀性离子在混凝土试块中的渗透，从而影响混凝土试块承载力。图6检测结果示出，在不同水压及氯盐和硫酸盐共同作用下，混凝土试块 B1(0.4 MPa)和 C1(0.6 MPa)承载力相比 A1(0 MPa)降低了18.4%和25%。由此可知，水头差越大高性能混凝土承载力下降越明显，水头差对高性能混凝土试块承载力的影响比荷载作用大，随着水头差的提高与荷载的增加，这一差距逐渐缩小。

2.2.3 荷载、水头差共同作用对高性能混凝土承载力的影响

当水头差和荷载共同作用时，荷载引起混凝土产生微裂缝，同时，水的劈裂作用会使混凝土试块中的裂缝增大，水头差会导致离子渗透量的变化，水头差和荷载共同作用使得侵蚀性介质进入混凝土内部的量增加，腐蚀加剧。图6检测结果示出，混凝土试块 B2(0.4 MPa、60 kN)和 C2(0.6 MPa、60 kN)承载力相比 A2(0 MPa、60 kN)降低了12%和21.1%；混凝土试块 B2(0.4 MPa、60 kN)和 B3(0.4 MPa、120 kN)承载力相比B1(0.4 MPa、0 kN)降低了6.3%和10.8%，混凝土试块C2(0.6 MPa、60 kN)和 C3(0.6 MPa、120 kN)承载力相比C1(0.6 MPa、0 kN)降低了8.7%和17.5%。对比水头差和荷载单独作用的结果可知，水头差和荷载共同作用时，高性能混凝土承载力下降程度比荷载或水头差单独作用时要大，侵蚀更为严重，同时可以看出荷载和水压力耦合作用时的侵蚀情况更加复杂。

2.2.4 荷载、水头差作用下氯盐及硫酸盐侵蚀混凝土机制分析

氯离子与硫酸根离子渗透到混凝土内部，硫酸根离子与水泥的水化产物发生反应，生成腐蚀产物钙矾石，在生成过程中结合了大量的水分子，固相的绝对体积增大了数倍，其中水头差会加大入侵腐蚀离子的量，加剧腐蚀产物的生成，孔隙会被不断生成的钙矾石填充挤压，孔隙被填满时，继续生成的产物会使得孔隙产生拉应力，出现裂缝导致材料强度下降。氯离子与混凝土中的铝相结合生成水化氯铝酸盐Friedel’s，氯离子也能与水泥水化产物氢氧化钙反应生成氯化钙。氯化钙是胶凝材料，荷载的存在及水的劈裂作用使得混凝土微裂缝宽度变大，加剧氯离子和硫酸根离子在混凝土中的传输，导致混凝土强度比未受荷载和水头差作用时有所下降。

2.3 受腐蚀高性能混凝土承载力模型

以水头差为X轴、荷载为Y轴，混凝土试块承载力为Z轴，采用专业绘图软件ORIGIN9.0拟合不同工况下受腐蚀混凝土试块承载力三维图形如图7所示。受腐蚀混凝土试块承载力值取自表3，曲面方程见式(2)，公式拟合度平均在95%左右。

图7 不同工况下受腐蚀高性能混凝土试块承载力三维曲面

Fig. 7 3D surface of compressive strength of corroded high-performance concrete specimen under different conditions

Z=1 620.50+(-444.14)X+(-3.29)Y+(-406.88)X2+0.002 4Y2+3.38XY。

(2)

式中：X为水头差，X≥0；Y为荷载，Y≥0；Z为受腐蚀混凝土承载力。

表4受腐蚀混凝土承载力试验值与计算值比较

Table 4 Comparison between experimental values and calculated values of compressive strength of corroded concrete

编号水头压力/MPa荷载/kN试验值/kN计算值/kN相对误差/%A100166416202.6A2060144514320.9A30120122512612.9B10.40135713781.3B20.460127112700.01B30.4120121111802.6C10.60124812073.3C20.660114011400C30.6120103010905

3 受腐蚀高性能混凝土微观结构

3.1 高性能混凝土试块腐蚀物的XRD分析

为了进一步解析以上宏观现象产生的机制，对受“渗流-应力场”及硫酸盐-氯盐复合作用下高性能混凝土的腐蚀产物进行了XRD分析。为了清晰、直观比较分析各影响因素对高性能混凝土腐蚀的影响程度，选取A1(0 MPa、 0 kN)、 A3(0 MPa、 120 kN)、C1(0.6 MPa、0 kN)、C3(0.6 MPa、120 kN)4种具有代表性的工况下的试块做XRD分析。图8(a)—8(d)为高性能混凝土试块A1、A3、C1、C3的粉晶 X 射线衍射图，可通过对衍射图进行解谱，依据PDF卡对各腐蚀溶液中混凝土内部的腐蚀产物进行分析。

(a) 试块A1

(b) 试块A3

(c) 试块C1

(d) 试块C3

Fig. 8 XRD spectrums of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

1)对比图8(a)和8(b)，并由XRD解谱结果可知： A1与A3在主相的对比上差了一个物相，即氯化钙，化学式为CaCl2，另外相较于A1、A3中的CaCO3含量有所减少； 相较于试块A1中CaSO4的含量，A3中CaSO4的含量有所增加。因此，可判断硫酸盐和氯盐混凝土中组分发生的反应可用以下反应式表达：

2Cl-+Ca(OH)2=CaCl2+2OH-；

(3)

Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O 。

(4)

CaSO4的增加以及新物相CaCl2的出现说明腐蚀程度的增加。与未受荷载试块A1相比，受到外在荷载的试块A3的腐蚀程度更大。原因在于，试块受到荷载作用，内部及表面会产生微裂缝，这些微裂缝降低了试块抵抗侵蚀物质的能力，因此荷载的存在加快了试块的劣化程度。

3.2 高性能混凝土试块腐蚀物的电镜扫描(SEM)分析

为了进一步了解混凝土内部侵蚀情况，对受“渗流-应力场”及硫酸盐-氯盐复合作用下的高性能混凝土试块进行了电镜扫描(SEM)分析，结果见图9。

1)由图9(a)可知：无水头差、无荷载作用时受氯盐和硫酸盐侵蚀的高性能混凝土试块水泥水化良好，大部分混凝土表面光滑，鲜有腐蚀产物生成，与XRD分析结果一致，说明试块A1未发生明显的侵蚀现象。

(a) 试块A1

(b) 试块A3

(c) 试块C1

(d) 试块C3

Fig. 9 SEM charts of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

2)对比图9(a)和图9(b)可知，图9(b)表面粘附许多针片状的产物，说明侵蚀程度增加。对比图9(b)和图9(c)可以发现，图9(c)不仅粘附许多针片状的产物，而且相较于图9(b)，针片状数量明显增加，腐蚀产物明显增多。

3)由图9(d)可知，混凝土充满针片状的腐蚀生成物，表面几乎看不出平整的地方，与前几图相比腐蚀情况最为严重，腐蚀产物生成最多，这也与XRD分析结果相一致。结果表明，水头差和荷载作用同时存在的情况下，水头差作用相对于荷载作用对试块的劣化程度有所提高，同时荷载作用相对于水头差作用对试块的劣化程度也有所提高，这样2种作用同时存在会急剧加速混凝土性能的劣化。

4 结论与讨论

1)荷载和水头差单独作用都会促进硫酸盐和氯盐对高性能混凝土试块的侵蚀，荷载作用越大效果越明显，水头差越大腐蚀程度越严重。水头差对受腐蚀混凝土抗压性能的影响要高于荷载，但是随着水头差的提高与荷载的增加，这一差距将逐渐缩小。

2)荷载和水头差共同作用时，高性能混凝土受硫酸盐和氯盐侵蚀情况更加严重，荷载和水头差共同作用下受腐蚀混凝土试块承载力比荷载和水头差单独作用时减小得更加明显。

3)对受腐蚀混凝土的微观测试和分析表明，荷载和水头差作用会加快混凝土内腐蚀产物的生成，降低混凝土耐久性能，水头差对混凝土抗压性能的影响要略高于荷载，与受腐蚀高性能混凝土试块承载力测试分析结果一致。

4)“渗流-应力场”及硫酸盐和氯盐复合作用下混凝土受侵蚀情况较为复杂。一方面生成物会在短期内填充混凝土孔隙，导致混凝土承载力会有略微提升； 另一方面当生成物填满孔隙会膨胀致使混凝土开裂，降低强度。本试验通过研究短期的侵蚀得到了一些有价值的结论，而多场耦合作用下高性能混凝土的长期侵蚀还有待进一步研究。

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