氯离子对混凝土力学及声学性能的影响

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(1.空军工程大学航空工程学院，陕西 西安 710038；2.西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西 西安 710072)

1 引 言

混凝土已经发展成为目前用途最为广泛的建筑材料，但面对某些极端的自然环境，其耐久性受到了严重的考验之一。例如，位于沿海地区的建筑与设施，由于常年经受海水的浸泡和冲刷，尤其受到Cl-的侵蚀，其耐久性受到严重削弱，引起混凝土保护层剥落、加速内部钢筋锈蚀等问题，另一方面，作为承载结构的重要材料，混凝土受腐蚀后承载能力的变化规律，关系到结构设计和建筑安全。

国内外众多学者就氯盐对混凝土的影响进行了诸多研究，取得了较多成果。Jarrah等[1]，Kuosa等[2]，Puatatsananon等[3]对氯离子腐蚀损伤机理进行了研究；Ababneh等[4]，Yu等[5]，Safehian等[6]对氯离子在混凝土中的扩散行为，建立了扩散模型，并对实际扩散情况进行了预测；王元战等[7]建立了不同荷载水平下混凝土中氯离子的扩散模型；郭伟等[8]，胡瑾等[9]研究了水胶比、外加剂、矿物掺合料等因素对混凝土抗氯渗透性能的影响。目前关于混凝土受Cl-腐蚀的理论研究主要集中于两个方面，一是研究Cl-在混凝土中的扩散规律，建立扩散模型和传输模型，并预测混凝土内部氯离子浓度；二是研究Cl-腐蚀机理，建立钢筋混凝土的损伤模型并预测寿命。而对混凝土本身受腐蚀后承载能力的退化研究较少，没有明确腐蚀作用与承载能力退化之间的关系，且在微观层面的分析也有所欠缺。

本研究选用质量分数为15%的NaCl溶液对混凝土试件进行浸泡腐蚀，以静态力学性能试验及超声检测为手段，探究了Cl-对混凝土性能的削弱作用，综合分析了试件受腐蚀后抗压强度与超声波速间的关系，并且结合微观观察，深入分析了弱化机理。

2 实 验

2.1 实验材料

试件制作所用材料为：胶凝材料：P.O 42.5 R水泥，初凝时间为130min，细度模数为1.6；粗骨料：石灰岩碎石，粒径为5～20mm，容重为2700kg/m3，堆积密度为1.62kg/L，含泥量为0.2%；细骨料：灞河中砂，细度模数2.8；水：自来水；粉煤灰，细度模数2。基体强度等级为C30的混凝土，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion /kg·m-3

试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002，以下称标准)进行，混凝土静态抗压试验所用试件为100×100×100mm的立方体，按照表1配合比，将搅拌均匀的混凝土拌合物装入模具，经振动密实后置于室内静置，1 d后拆模，随即移入养护箱进行标准养护。

养护28 d后，将试件从养护箱中取出进行腐蚀试验。采用控制变量的方法进行对照试验，设置一组空白对照组，该组试件与实验组试件同时浇筑，同时养护，除腐蚀期间不浸泡任何溶液之外，外部条件完全一样。将浸泡于NaCl溶液中的试件标为S组，空白对照组标为N组。

2.2 实验方法与结果

2.2.1静力试验 采用HYY型电液伺服材料试验系统进行混凝土抗压试验，试验严格按照标准执行。两组试件静态抗压强度fc,s与腐蚀时间的关系如图1所示。

图1 混凝土静态抗压强度与腐蚀时间关系曲线图Fig.1 Relationship curve between concrete static compressive strength and corrosion time

由图1可知，随着腐蚀时间的增加，N组试件fc,s持续上升，上升速率逐渐减小，60d增长率为30.31%；S组试件fc,s随着腐蚀时间先升后降，15d左右达到最大值，为7.52%，之后逐渐下降，且下降速率逐渐减小，至第60d，fc,s较养护刚结束时略有降低，且仅为相同条件下N组试件的76.23%。分析可知，N组试件由于内部水泥持续发生水化反应，fc,s随时间逐渐增加；S组试件在腐蚀初始阶段，水泥水化反应和腐蚀作用同时进行，由于内部Cl-浓度较低，水泥水化反应对混凝土抗压强度的作用大于Cl-对混凝土的腐蚀作用，所以fc,s呈上升趋势。随腐蚀时间不断增大，S组试件内部Cl-浓度不断提高，当腐蚀时间超过某个时刻后，试件内Cl-浓度超过某一值，Cl-对混凝土的腐蚀作用大于混凝土内部水化反应的作用，这时试件的fc,s逐渐下降，并最终低于腐蚀未开始的水平。

2.2.2声学测试 采用NM-4A型非金属超声检测分析仪对试件进行声学损伤特性研究，根据超声波特性，若两种介质的特性阻抗相差很大(如固体和气体界面)，超声在二者界面上几乎全反射，即声波既不能从固体进入气体，亦不能从气体进入固体。因此试验时，使用黄油作为耦合剂[10-11]。

本研究分析混凝土试件受腐蚀期间的纵波波速VP随时间的变化规律，测试结果如图2所示。

图2 混凝土纵波波速与腐蚀时间关系曲线图Fig.2 Relationship curve between concrete longitudinal wave velocity and corrosion time

由图2可知，VP随腐蚀时间的变化规律与fc,s随腐蚀时间的变化规律相似，随着腐蚀时间的增加，N组试件VP显著上升，且上升速率逐渐减小，60d后增长率为16.20%，而S组试件VP呈先上升后下降趋势，在15d左右达最大，增幅为3.20%，之后VP逐渐下降，45d时VP开始低于未腐蚀水平，至第60d时，VP仅为相同条件下N组的84.68%。

由声学测试与静力试验的结果可知，两类测试的结果具有相似性。这是因为N组试件只发生水泥水化反应，S组试件同时发生水泥水化反应和Cl-腐蚀作用，水泥水化反应能够使试件抗压强度提高，纵波波速增加，而Cl-腐蚀作用使试件抗压强度降低，纵波波速减小。腐蚀初始阶段，试件内Cl-浓度较低，腐蚀作用较小，水泥水化反应对fc,s和VP影响更大，随着腐蚀时间增加，试件内Cl-浓度升高，在某一时刻之后，试件内Cl-浓度超过某一阈值，Cl-腐蚀作用对试件的影响超过水泥水化作用，此时S组试件fc,s和VP均减小。

3 分 析

3.1 强度损伤

3.1.1水的作用 试件在腐蚀期间，持续吸收水分直至饱和，而自由水对于混凝土强度有十分重要影响，不仅影响试件体积变形，同时还影响混凝土受荷时内部裂纹的萌生及扩展[12]。

试件受荷载作用时，由于应变率较小，试件内部能量积累过程较长，裂纹的产生及扩展比较缓慢，由于外力的作用，混凝土经历短暂的压密阶段，此时，试件体积减小，孔隙缩小，内部自由水产生不可忽视的孔隙水压力Pd，Pd的产生及不断增大，导致混凝土内部Ⅰ型裂纹的加速扩张，同时自由水向裂缝的尖端区域移动，对该区域产生一定的劈拉作用。综上所述，由于内部自由水的存在，混凝土内部缺陷加速扩展，从而降低了混凝土承受静压力荷载的能力[13]。

3.1.2腐蚀介质的作用 混凝土内部自由水的存在，对混凝土静态抗压强度具有一定的削弱作用，但与此同时，浸泡于腐蚀溶液中的各组试件，除受水的影响之外，更多的是受溶液中腐蚀离子的影响。

氯盐对混凝土的腐蚀作用是一个缓慢、长期的过程，腐蚀期间，NaCl溶液对混凝土的作用可以分为两个反应和两个阶段。两个反应分别是水泥的水化反应和Cl-的腐蚀反应，两个阶段分别是腐蚀前期和腐蚀后期，其分界点由两种反应对混凝土性能的影响程度决定。腐蚀前期，混凝土内部Cl-浓度较低，氯盐对混凝土的腐蚀作用不明显，相反由于浸泡在溶液中，试件内部水泥的水化反应增强，混凝土的强度与声学性能均有明显提升；在腐蚀后期，Cl-已经充分渗透至混凝土内部结构，试件内部Cl-浓度较高，此时氯盐对混凝土的腐蚀作用更强，混凝土内部结构遭到破坏，强度和声学性能明显下降。

混凝土受腐蚀的本质是内部结构发生反应的过程，致其宏观及微观特征发生改变。Cl-侵入混凝土后首先与Ca(OH)2发生反应，生成CaCl2，继而与水化铝酸钙反应，生成体积较大、强度较低的3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O，破坏了混凝土内部物质组成及结构，改变了原有水化产物的性质，导致水化硅酸钙胶凝体与水泥石的粘结性能下降，致使混凝土强度降低[14-15]。

3.2 微观形貌分析

图3、图4分别为浸泡60d后N组与S组的微观形态及微观裂缝，由图可知，N组试件由于未受任何腐蚀，微观表现为致密性较大，微观缺陷和损伤较小，试件结构较为密实，裂缝尺寸较小、数量亦较少；S组试件表面絮状结晶体较多，且排列紧密，形成一层致密的晶体层，使裂缝内部产生一定挤压应力，受拉后裂缝尺寸变大，致使试件抗压强度性能较之N组试件均有所下降。

图3 N组与S组的微观形态照片 (a)group N;(b)group SFig.3 Microstructure of specimen (a)group N;(b)group S

图4 N组与S组的微观裂缝照片 (a)group N;(b)group SFig.4 Micro-crack of specimen (a)group N;(b)group S

3.3 声学损伤分析

混凝土试件受NaCl溶液腐蚀后，一般可将其内部结构划分为三个区域[16-17]：密实基体区、裂纹孔隙区和液体填充区。由于三个区域的特性差异，超声波在三个区域内的传播速度各不相同，所测波速应表示为三个区域内的波速组合：

(1)

其中：VP为测得的纵波波速；i1、i2、i3分别表示试件内部密实基体区、裂纹孔隙区和液体填充区所占体积分数；v1、v2、v3分别为超声在密实基体区、裂纹孔隙区和液体填充区的传播速度。

根据超声传播特点，波速在固体、液体和气体内的传播速度相差很大，且依次减小，即v1≫v3≫v2，且i1远大于i2和i3，因此v1决定着波速VP，即试件密实基体区体积率越大，相应波速越大。试件波速变化的原因有三个方面。一是试件浸泡于NaCl溶液时，溶液不断侵入试件内部，致使试件i3不断增大，i2不断减少，根据式(1)可知，波速VP会有一定的增加；二是试件内发生水泥水化反应，水泥水化增大了密实基体区的体积i1，致使VP上升；三是氯离子腐蚀试件，根据3.1.2节所述，基体密实区的混凝土由于受腐蚀后强度显著降低，致使VP明显下降。

4 结 论

1．Cl-对混凝土有明显弱化作用，经氯盐腐蚀后，混凝土的fc,s和VP均有明显下降，且都随腐蚀时间增长呈先上升后下降的趋势，二者的变化趋势十分相似。

2．腐蚀期间，混凝土fc,s和VP的变化是多种反应共同作用的效果，腐蚀刚开始时，水泥水化反应更加剧烈，混凝土fc,s和VP略有上升；腐蚀一段时间之后，混凝土内部氯离子浓度上升到一定程度，腐蚀作用更加剧烈，混凝土fc,s和VP明显下降。

3．混凝土内部的Cl-通过与水化产物发生反应，生成体积较大，强度较小的产物，从微观上看为絮状物，破坏混凝土原有内部结构，加速裂缝扩展，从而降低混凝土抗压性能。