干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下水工混凝土损伤研究

王逸然， 杨 杰， 赵春发， 高懿伟， 孙建伟

(1.江宁区水务局， 江苏 南京 211100； 2.江宁区谷里街道水务管理服务站， 江苏 南京 211164；3.江宁区水利工程质量监督站， 江苏 南京 211100； 4.河海大学 水利水电工程学院， 江苏 南京 210024；5.江宁区赵村水库管理所， 江苏 南京 211155)

本文主要从试验视角模拟江淮地区在服役的水工建筑物，以南京市浦口区象山水库为研究对象，依据实际工程试配混凝土配合比，采用超声波平测法对干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土试件进行检测，通过获取混凝土损伤层超声波波速、未损伤层超声波波速等指标，进而推求出损伤层厚度的变化规律并采用回弹法检测混凝土抗压强度，从混凝土抗压强度视角分析研究干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土的损伤规律，以期为服役在干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下混凝土建筑物设计与研究提供一些参考。

1 实验方法

1.1 原材料及配合比

水泥采用南京大连山水泥厂生产的P·O42.5标号水泥。粉煤灰采用南京江海粉煤灰公司生产的Ⅱ级粉煤灰。粗骨料采用湖北石灰岩碎石，粒径5～16 mm连续级配、无针片状颗粒、质地坚硬且表面粗糙。细骨料采用河沙，细度模数为2.68。引气剂采用上海馨扬有限公司的JDU-1高性能混凝土引气剂。水采用南京市自来水，PH为6.7。实验采用的混凝土配合比见表1。

1.2 试件制作与试验方法

混凝土浇筑24 h后拆模，在标准养护室养护28 d后进行试验，所有混凝土试件均采用同一配合比。试验参照《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)[2]。为了模拟水库大坝运行环境，减少实验时间，本文采用自然浸泡-加热烘干来模拟干湿交替，具体的实验方案为：将试件放入水流流速为0.05 m/s的水槽中加压浸泡5 min，浸泡完毕后放入烘干机中干燥5 min，此为一个干湿循环，每1 d实施6 h，共36个循环，每1 d为一个测试周期，根据水文资料，一个干湿循环平均6 d完成，可得每一个测试周期模拟188 d，考虑到高温对混凝土结构的加速破坏作用，本次实验一个测试周期模拟实际180 d，实验持续20 d，混凝土试件干湿循环总次数为720次，模拟实际3 600 d。

本试验重点研究干湿循环条件下不同浓度、种类盐溶液对水利工程混凝土表层损伤层、混凝土抗压强度的影响，设置0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液，0.03%NaCl溶液、 0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液共计5组，其中0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液组包含3块尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件及12块尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方体试件，0.03%NaCl溶液、0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液仅包含3块尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件。在干湿循环进行到第120、240、360、480、720次时采用NM-4B型非金属超声检测仪对棱柱体试件混凝土损伤层Vu、Vd进行测量，并采用珀瑞克YD225C机械回弹仪、1%的酒精酚酞溶液测算混凝土抗压强度，试验数据均取各组混凝土试件数据的平均值。

1.3 损伤层厚度检测原理及方法

超声波平测法是一种无损检测技术，如图1所示，通常，混凝土未损伤层与损伤层之间有较为明显的分界线，依据超声波在损伤层与未损伤层中传播速度的不同来测量损伤层厚度。试验方法依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》中的单面平测法，对棱柱体的1个100 mm×400 mm平整侧面进行检测，换能器布置如图2，发射换能器T布置于距棱柱体边缘50 mm处，接收换能器R沿混凝土面按一定测距进行排查，读取不同位置的声时值，测距依次为50、75、100、150、200、250 mm，采用凡士林为耦合剂。

图1 混凝土损伤截面示意图

图2 非金属超声检测仪换能器布置图

当T、R换能器距离较近时，超声波在损伤层中的传播时间较短，首先到达接收换能器，此时接受换能器读取的声时值为损伤层中的传播波速Vd；当T、R换能器距离较远时，超声波透过损伤层在未损伤层混凝土中的传播时间较短，此时接受换能器读取的声时值为未损伤混凝土中的传播波速Vu，当T、R间距为某一测距l0时，超声波在损伤层中传播到达R的时间和2次透过损伤层在未损伤混凝土传播到达R的时间相等，此时有式(1)：

表1 混凝土配合比特征值

(1)

由式(1)可得混凝土损伤层厚度hf：

(2)

式中：hf为损伤层厚度，mm；l0为声速突变处T、R的测距，mm；Vu为未损伤层混凝土中超声波波速，km/s；Vd为损伤层混凝土中超声波波速，km/s；x为超声波穿过损伤层中的水平投影，mm。

按超声波平测法原理进行检测，可绘制出时-距关系曲线，见图3。

图3 超声波传播时间-换能器测距关系曲线

由图3可得声速改变点l0，l0点前为混凝土损伤层l与t关系曲线，l0点后为混凝土未损伤层l与t关系曲线，用线性回归法求出混凝土损伤、未损伤l与t的回归直线方程：

ld=Ad+Vdtd

(3)

lu=Au+Vutu

(4)

式中：ld为l0点前各测点的测距，mm；td为对应于ld的声时，μs，如l1与t1；lu为l0点后各测点的测距，mm；tu为对应于lu的声时，μs，如l4与t4；Vd、Ad、Vu、Au为回归系数，即图3中损伤层混凝土和未损伤层混凝土回归直线方程的斜率和截距。声时突变处l0可用式(5)求得，即，

(5)

将l0带入式(2)即可求得混凝土损伤层厚度hf[3]。

1.4 混凝土抗压强度检测原理及方法

根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)，采用回弹法检测混凝土现有抗压强度。回弹法是根据回弹仪中运动的重锤以一定冲击动能撞击顶在混凝土表面的冲击杆后，重锤回弹并带动一指针滑块，得到反映重锤回弹高度的回弹值，以回弹值推算混凝土强度。

本次实验在尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方体试件中，选取没有疏松层和蜂窝麻面的原状混凝土面，抽样布置回弹测区(面积200 mm×200 mm)若干。在每一个测区内用回弹仪弹击16个测点并读取回弹测值(N)，剔除其中3个最大值和3个最小值，将剩余的10个测值的平均值作为该测区的回弹值(N)，同时在结构混凝土上用电锤打一小孔，滴入1%的酒精酚酞溶液，测量未变红色的混凝土厚度即碳化深度值(H)。根据回弹值(N)、碳化深度值(H)～混凝土强度(f)的关系曲线计算得到测区混凝土强度平均值。

(6)

2 实验结果与分析

2.1 超声波平测法实验结果与分析

2.1.1 时-距关系曲线

采用超声波平测法检测混凝土损伤层，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液为例，对检测结果进行线性回归分析，得到不同侵蚀时期混凝土的时-距关系曲线，见图4。

图4 0.03%Na2SO4溶液不同侵蚀时期混凝土时-距关系曲线

2.1.2 溶液浓度对混凝土损伤层厚度的影响

根据式(1)～(5)，绘制超声波传播时间-换能器测距关系曲线，计算出干湿循环作用下不同浓度的硫酸钠溶液中混凝土损伤层特征值，制得表2。从表2中可以发现，Na2SO4溶液浓度相同的条件下，随着混凝土干湿循环的周期数增加，混凝土未损伤层的超声波波速Vu呈现上升趋势，波速上升速度随着时间的推移逐渐下降，其原因在于随着时间推移，混凝土水化导致混凝土的密实度不断增加，水化速度逐渐降低。混凝土损伤层的超声波波速Vd呈现快速下降趋势，下降速度明显快于未损伤层中超声波波速的上升速度。混凝土干湿循环的周期数相同的条件下，随着硫酸盐溶液浓度的提高，侵蚀程度越来越高，侵蚀速度逐渐加快。经过3 600 d，侵蚀程度达到最高，在10%Na2SO4浓度下，混凝土损伤层厚度达到19.38 mm。

表2 干湿循环作用下不同浓度的Na2SO4溶液中的混凝土损伤层特征值

2.1.3 溶液种类对混凝土损伤层厚度的影响

根据式(1)～(5)，绘制超声波传播时间-换能器测距关系曲线，计算出干湿循环作用下不同溶液中混凝土损伤层特征值，制得表3。从表3中可以发现，溶液中的混凝土损伤层的厚度hf大小关系为0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，且混凝土损伤层中超声波波速Vd下降速度的大小关系为0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，这说明了氯盐的存在减缓了混凝土损伤的速率。

表3 干湿循环作用下不同溶液中的混凝土损伤层特征值

2.2 回弹法实验结果与分析

采用回弹法检测混凝土抗压强度，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液为例，得到不同侵蚀时期混凝土的回弹值、碳化深度、抗压强度关系曲线，如图5。

图5 0.03%Na2SO4溶液不同侵蚀时期混凝土的回弹值、碳化深度、抗压强度关系曲线

2.2.1 溶液浓度对混凝土抗压强度的影响

根据实验测得的平均回弹值、碳化深度和式(6)计算出干湿循环作用下不同浓度溶液中的混凝土抗压强度特征值，查阅回弹值(N)、碳化深度值(H)～混凝土强度(f)的关系曲线制得表4。从表4中可以发现，随着干湿循环的周期数增加，混凝土平均回弹值近似线性上升，混凝土碳化深度H不断增加，增速不断增大，与此同时，混凝土强度平均值加速减小，原因在于随着空气中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2反应生成的CaCO3加速了碳化反应。溶液中的混凝土碳化深度H大小关系为0.1%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.03%Na2SO4，抗压强度的大小关系为0.03%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.1%Na2SO4，干湿循环次数达到720次时，0.1%Na2SO4溶液中混凝土试件碳化深度达到6 mm，抗压强度平均值下降至36.1 MPa。

表4 干湿循环作用下不同浓度溶液中的混凝土抗压强度特征值

2.2.2 溶液种类对混凝土抗压强度的影响

根据实验测得的平均回弹值、碳化深度和式(6)计算出干湿循环作用下不同浓度溶液中的混凝土抗压强度特征值，查阅回弹值(N)、碳化深度值(H)～混凝土强度(f)的关系曲线制得表5。从表5中可以发现，各溶液中混凝土平均回弹值均近似线性下降，混凝土碳化深度H增速均呈逐渐增大趋势。溶液中的混凝土碳化深度H大小关系为0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，抗压强度的大小关系为0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，0.03%NaCl的加入显著降低了混凝土碳化深度，混凝土平均抗压强度显著提高。

3 结 论

(1)在干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下，在前期的1年多时间里，混凝土的损伤层厚度增加至10年期的约50%。随后，随着时间的推移，混凝土的损伤层厚度的增速缓慢下降。经过3 600 d，混凝土损伤层的厚度基本达到钢筋保护层厚度的50%～90%。

表5 干湿循环作用下不同溶液中的混凝土抗压强度特征值

(2)在干湿循环与硫酸盐侵蚀耦合作用下，混凝土碳化深度逐渐增加，增速不断提高。早期混凝土抗压强度下降速度较慢，随着时间的推移，增速逐渐加大。在耦合作用后期，容易产生缝宽0.3≤δ<0.4 mm，缝深100≤h<200 cm，且大于结构厚度1/4的深层裂缝，局部甚至能产生缝宽δ≥0.4 mm，缝深h≥200 cm或大于2/3结构厚度的贯穿性裂缝，对水工结构安全造成一定的危害。

(3)NaCl溶液能显著减少混凝土损伤层厚、减小混凝土表层碳化深度，有效提高混凝土耐久性。