初始应力损伤对再生混凝土硫酸盐腐蚀的影响

蒋建华，眭 源，翁伟新

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210024)

目前，大部分研究都集中在普通混凝土的硫酸盐腐蚀上，对再生混凝土硫酸盐腐蚀的研究还不够。本试验设计了多组再生骨料取代率互不相同的试件，并对其预加了三种不同程度的初始应力损伤，通过模拟加速试验研究了再生混凝土在硫酸钠腐蚀下的劣化过程。

1 试验方案

1.1 试件设计

试验设计了尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件，并对二者进行了物理力学性能测试。所用的混凝土水灰比为0.4，其配合比见表1。试验所采用的水泥是海螺牌普通硅酸盐水泥，型号为P.O 42.5；粉煤灰为F级粉煤灰，减水剂为液体标准型高效能减水剂，掺量为0.40%。制作试块使用的骨料分为再生粗骨料(RCA)、天然粗骨料(NCA)和细骨料三种。再生粗骨料为建筑垃圾资源回收再利用项目出产的连续级配的碎石，其粒径范围为5～16 mm，压碎指标值为21%，含泥量为2.5%；天然粗骨料为粒径10～25 mm的碎石，级配连续，压碎指标为16%，含泥量为0.7%；细骨料为河砂，细度模数为2.7。拌和用水为普通自来水。

表1 不同初始应力损伤再生混凝土配合比

本试验设计了三种再生骨料的取代率ρr分别为30%、65%和100%。为了研究初始损伤的影响，还设计了三种初始应力水平，即0.2、0.4、0.6倍的混凝土抗压强度。对于ρr为30%的混凝土，每种初始应力水平设计了三个棱柱体试块和九个立方体试块；对于ρr为65%和100%取代率的混凝土试块，每种初始应力水平设计了三个棱柱体试块和三个立方体试块。

在混凝土浇筑24 h后，对各混凝土试件进行脱模，然后将试块置于相对湿度不低于95%、温度(20±2)℃的环境中养护28 d。

1.2 试验方法

1.2.1 抗压强度测试

采用万能力学试验机对混凝土试块进行力学试验。选择垂直于浇筑面的平整表面作为加载面，以3 kN/s的速率连续均匀加载，其峰值载荷作为试样的抗压强度。根据试验规范，三个试件抗压强度的实测值的平均值作为混凝土强度的代表值。

1.2.2 初始应力损伤的施加

对养护后不同取代率的再生混凝土进行抗压强度试验，测得其抗压强度值(表2)，并以其28 d强度作为预制初始应力损伤的加载控制指标。

表2 不同取代率再生混凝土28 d抗压强度均值

根据表1中各试件的初始应力水平设计值，通过加载对试件施加相应的初始应力。根据损伤力学理论，根据混凝土试件加载前后的超声波速计算损伤程度[12]。

本试验采用对测法确定混凝土损伤度，原理如下：首先，选定混凝土的一个平整表面(非浇筑面)作为预制初始损伤的加载面。将两个超声探头置于与加载面垂直的两个相对表面中心点位置。加载前，测得混凝土的初始声时T0。然后对混凝土进行五次往复加载，应力损伤预制完成后，再利用超声检测仪测量试件损伤后的超声声时T。可根据公式(1)计算混凝土的损伤度D0[12]。

(1)

计算得到不同ρr混凝土的损伤度D0，其统计结果见表3、表4。

表3 ρr=30%混凝土初始损伤度

表4 ρr=65%及ρr=100%混凝土初始损伤度

1.2.3 模拟硫酸盐腐蚀试验

试验设计了混凝土硫酸盐腐蚀试验装置如图1所示：一个水箱、混凝土试件、数显加热棒、搅拌器和硫酸盐溶液，整个装置处于密封环境里。

图1 硫酸盐腐蚀装置图Fig.1 Device for sulfate corrosion of concrete

在进行硫酸盐腐蚀试验时，将混凝土试件浸泡于15%Na2SO4溶液中，设置恒定温度值(20±2)℃，通过加热棒对溶液进行加热，溶液的实时温度可以通过数显温度表观察。利用搅拌器使得溶液处于流动状态，保证溶液受热均匀。此外，用于浸泡试验的硫酸盐溶液每2周更新一次，以尽量保持溶液的pH值稳定。

1.2.4 硫酸盐腐蚀深度的无损检测

硫酸盐侵蚀是一个从外部到内部逐渐深入的过程，侵蚀过程会在混凝土内部产生一定的结构损伤，而超声波在损伤层和未损伤层传播速度不同，见图2。

图2 超声波平测法测混凝土腐蚀深度Fig.2 Ultrasonic indirect method

采用超声平测法[13]测量腐蚀不同龄期的混凝土腐蚀深度dc，其公式见式(2)：

(2)

式中：dc为混凝土损伤层厚度(mm)；va混凝土未损伤层传播的超声波速(m/s)；vf是损伤层的超声波速(m/s)；l0是与超声波速度突变点对应的换能器距离(mm)。

2 试验结果与分析

2.1 腐蚀深度

为了进一步研究初始损伤后混凝土的腐蚀行为，设计30%、65%、100%骨料取代率的棱柱体试块腐蚀龄期为 90、120、150、180、210、240 d，根据超声波平测法测量每一个棱柱体试块的超声测距随声时的变化规律，并计算不同取代率再生混凝土的腐蚀深度dc，如图3所示：

图3 不同再生骨料取代率混凝土腐蚀深度随初始损伤度的演变Fig.3 Evolution of dc of concrete with different D0

由图3可以得出以下结论：初始损伤度的增加会直接导致不同腐蚀龄期下腐蚀深度的增加，但初始损伤对于混凝土的影响存在阈值效应，即当初始损伤D0大于0.2时，才会对混凝土的腐蚀行为产生明显的影响。当腐蚀龄期一定时，取代率较大的工况受硫酸盐腐蚀的程度明显高于取代率较小的工况。例如当腐蚀龄期达到180 d时，对比不同取代率的试块初始损伤D0由0.2增加到0.4，30%取代率的腐蚀深度增加1.7 mm，65%取代率的腐蚀深度增加2.0 mm，100%取代率的腐蚀深度增加2.6 mm；其余腐蚀龄期下的试块也基本符合这一规律。同时，由于再生骨料内部存在较多裂纹，在相近的初始损伤情况下，取代率高的试块在同等腐蚀龄期下受到的腐蚀越严重，因此初始损伤度对取代率低的试件影响明显比取代率高的试件要小。

2.2 质量损失率

在每个腐蚀龄期后测定试块的质量，计算得到不同初始损伤度混凝土在每个腐蚀龄期的质量损失率，并进行对比分析。图4为30%、65%和100%取代率再生混凝土质量损失率随腐蚀时间和初始损伤度D0的变化曲线。

图4 不同再生骨料取代率混凝土质量损失率随初始损伤度的演变Fig.4 Evolution of mass loss rate of concrete specimen with different D0

如图4所示，在相同的腐蚀龄期下，D0=0.2是质量损失率变化的一个转折点。D0小于0.2的试件与未损伤混凝土的质量损失率几乎相同，而D0大于0.2的试件随着其损伤度的进一步增长，质量损失率的变化更加显著。

随着ρr的增大，试件的质量损失率的变化展现出增长的趋势。以腐蚀240 d的混凝土为例，30%RCA取代率、初始损伤度D0为0.43的混凝土质量损失率为0.23%；RCA取代率65%、初始损伤度D0为0.43的混凝土质量损失率为0.24%；RCA取代率100%、初始损伤度D0为0.45的混凝土质量损失率为0.30%。此外，当腐蚀龄期变长时，试件的质量损失率随D0增长的速度开始加快。

2.3 抗压强度

对于30%取代率的试块，研究了三个不同的腐蚀龄期(90、160以及240 d)后的抗压强度变化规律，其结果如图5所示。

图5 不同腐蚀龄期30%取代率混凝土抗压强度随初始损伤度变化曲线Fig.5 Compressive strength of corroded concrete with the ρr of 30%

图5表明，随着初始损伤度D0的增加，试件的抗压强度降低。与未预制损伤的试件相比，当腐蚀90 d时，D0为0.1和0.7的试件抗压强度下降了3.25%和25%；当腐蚀160 d时，D0为 0.21和0.62的试件抗压强度下降了12.83%和34.32%；当腐蚀240 d时，D0为0.13和0.62的试件抗压强度下降了4.94%和38.82%。由此得出，对于腐蚀龄期更长的混凝土试件，其抗压强度随D0增长而下降的速度更快。

此外，对于ρr为30%、65%和100%的试件，对硫酸盐腐蚀160 d的试块抗压强度进行了对比分析，结果如图6所示。

图6 不同取代率混凝土160 d抗压强度Fig.6 Compressive strength of concrete with different ρr at160 d

图6显示了随着ρr和D0的增长，试件的抗压强度均呈现下降的趋势。腐蚀龄期为160 d时，ρr为30%、D0为0.38的混凝土试件抗压强度为37.05 MPa；ρr为65%、D0为0.39的混凝土试件抗压强度为33.54 MPa；ρr为100%、D0为0.37的混凝土试件抗压强度为28.85 MPa。另外，随着ρr的增大，D0对腐蚀后混凝土抗压强度的影响更为显著。

2.4 动弹模量Ed

动弹模量Ed也是混凝土力学性能的重要指标，也可以用于评估再生骨料取代率和初始损伤度对混凝土硫酸盐腐蚀的影响。Ed是评价混凝土性能的最常用的无损检测参数，因为它表达了混凝土试件的内部密实度，可以反映试件腐蚀损伤中的变化。Ed可以由式(3)[14]得到：

(3)

式中：Ed为混凝土动弹性模量(MPa)；μ为混凝土泊松比，本文统一取0.2；ρ为混凝土的密度(kg/m3)；vr为混凝土表面波速(m/s)。

图7是ρr为30%、65%、100%的混凝土试块的Ed随D0的变化曲线。由图7可以看出，初始应力损伤对于动弹模量Ed存在负面影响，腐蚀后的再生混凝土的Ed随D0和ρr的增大而减小，这是由于旧砂浆包裹的再生粗骨料的刚度小于天然骨料的刚度所致。对于不同的腐蚀龄期，同一ρr的损伤后混凝土试件的腐蚀速率随D0的增加有相似的下降趋势。然而，初始应力损伤对腐蚀后混凝土抗蚀性能的影响在ρr较小的情况更为显著。

图7 不同再生骨料取代率混凝土动弹模量随初始损伤度的演变Fig.7 Evolution of Ed of concrete with different D0

3 结论

本章研究了不同取代率(30%、65%和100%)以及不同初始损伤度D0对于再生混凝土腐蚀性能变化的影响规律：

1)再生混凝土硫酸盐腐蚀深度dc随腐蚀龄期和RCA取代率的增加而增大，初始应力损伤D0对再生混凝土硫酸盐腐蚀深度dc的影响有阈值效应。当D0小于0.2时，对dc影响不大；当D0大于0.2时，dc随D0的增大而显著增大。

2)质量损失率的变化趋势与腐蚀深度类似，初始应力损伤对腐蚀后再生混凝土的质量损失率也存在阈值效应，其变化拐点也在D0=0.2附近。混凝土试件的质量损失率随ρr的增大而增大，腐蚀龄期越长，初始应力损伤对质量损失率的影响越显著。

3)腐蚀后再生混凝土抗压强度随D0的增加呈线性下降趋势，且腐蚀龄期越长，RCA取代率越高，初始应力损伤对抗压强度的影响越明显。

4)腐蚀后再生混凝土的动弹性模量Ed随D0和ρr的增大而减小，对于不同的腐蚀龄期下的再生混凝土，ρr相同的试件的Ed随D0的增大有相似的下降趋势。而初始应力损伤对ρr较小的混凝土的影响更为显著。