复合侵蚀环境中钢筋混凝土偏压构件腐蚀劣化试验

何文正 徐林生

摘要：为了揭示复合腐蚀环境下钢筋混凝土偏心受压构件力学性能退化规律，通过应力-腐蚀耦合加载装置，对荷载-干湿交替-硫酸盐及氯盐耦合侵蚀环境下的钢筋混凝土偏压构件进行质量变化测试和承载力退化试验。分析了离子浓度、干湿条件、荷载水平等因素对构件宏观性能的影响。试验结果表明：氯盐在腐蚀初期抑制了硫酸盐腐蚀，但是在后期显著降低了钢筋混凝土构件的正截面承载力，荷载对侵蚀环境中的钢筋混凝土偏压柱承载力劣化具有加速效应，荷载水平与承载力退化程度呈正相关的关系。该研究成果可为隧道衬砌等地下钢筋混凝土结构的抗力衰减评估和寿命预测提供参考。

关 键 词：混凝土耐久性;侵蚀坏境;钢筋混凝土劣化;偏压构件

中图法分类号：U451

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0209-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.034

0 引 言

中國西部地区存在大面积盐碱地和含石膏盐地层，这些地区气候环境复杂多样，地下腐蚀性离子成分复杂。钢筋混凝土结构在这类地区桥梁、隧道等工程中均有着极其广泛的应用，此类地区的地下结构易遭受较为严重的多离子复合侵蚀和干湿循环破坏的作用[1]，长期作用下会导致结构混凝土强度下降、酥松、成层剥落、钢筋锈蚀等，从而降低结构的整体承载能力[2-3]，对其正常运营的安全性带来严重隐患。笔者所在课题组对重庆市、湖北省境三峡库区范围内三叠系巴东组一段和三段含膏盐地层的部分隧道进行了调查。调查结果显示：一些隧道建成运营仅几年时间，硫酸盐侵蚀导致的病害已经发展得非常严重，如G50N重庆分界梁公路隧道（图1）、G42谭家寨公路隧道等（图2），迫切需要进行维修加固才能保证正常安全运营，这不仅耗费了大量的人力、物力、财力，对线路的正常运营也造成了较大的干扰。因此，研究复合侵蚀环境下钢筋混凝土结构的损伤机制及力学性能演化规律对于保证此类地区地下结构安全性和耐久性具有重要的理论价值和现实意义。

目前研究者对于多因素耦合作用下的混凝土侵蚀问题已进行了较多的研究。在干湿循环对硫酸盐侵蚀的影响研究中，现有试验研究认为干湿循环作用下的混凝土侵蚀损伤是化学反应与物理结晶共同作用的结果[4-5]。Sahmaran等[6]研究发现腐蚀性离子与干湿循环耦合作用对试件的损伤劣化作用十分显著。雷超等[7]通过试验研究发现，干湿循环将加速混凝土中腐蚀性离子的扩散和积累。文献[8-9]研究了干湿循环条件下混凝土的破坏过程，研究发现干湿循环耦合作用下混凝土劣化程度最为严重，干湿循环复合侵蚀具有超叠加效应。对于硫酸盐侵蚀对混凝土宏观力学性能影响的研究，目前主要集中在强度、弹性模量、双轴及三轴力学行为等方面[10]。Yu等[11]详细研究了受硫酸盐侵蚀后混凝土构件的抗压强度和弹性模量的时变规律，研究发现混凝土抗压强度和弹性模量均随着时间的增长呈先增后减的变化趋势，这种变化规律在其他相关报导中也有发现[12-13]。Haufe等[14]研究了硫酸盐侵蚀对混凝土抗拉强度的影响，发现胶凝材料含量对抗拉强度影响较大。Ikumi等[15] 和Chen等[16]研究了硫酸盐侵蚀和多轴压缩条件下混凝土力学行为。在混凝土硫酸盐-氯盐复合侵蚀研究方面，学术界多认为氯盐具有抑制硫酸盐腐蚀进程的作用，硫酸根与氯离子在混凝土中扩散短期内起到相互抑制作用[17-18]。在硫酸盐侵蚀问题研究中，除了上述影响因素外，实际地下结构还承受极大的围岩荷载，而荷载往往是导致或加速混凝土损伤劣化的主要原因。曹健[19]研究了轴压荷载与干湿循环耦合作用对混凝土长期性能的影响。Yu等[20]研究了动态弯曲载荷作用下的结构抗弯强度、相对动弹性模量和硫酸盐含量，并用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对试样的微观结构进行了分析，结果表明溶液浓度和应力水平是影响硫酸盐侵蚀的两个重要的因素。刁波等[21]研究了钢筋混凝土偏压柱在海水中的劣化过程。

综上所述，研究者们已经对荷载、干湿循环、硫酸盐及硫酸盐-氯盐复合侵蚀的腐蚀机理进行了较为深入的研究，并取得有借鉴意义的成果，但是仍然存在以下问题亟待解决。

（1）目前的研究成果基本上是针对素混凝土结构得到的，对钢筋混凝土结构在荷载-干湿交替-复盐等多场耦合作用下的腐蚀劣化规律研究较少。

（2）目前荷载和硫酸盐耦合作用的研究中，大多数集中于弯曲荷载或轴压荷载影响的研究，对偏压荷载-腐蚀耦合作用影响的研究较少，而实际工程中地下钢筋混凝土结构一般为偏压构件。

因此，多因素耦合作用下钢筋混凝土腐蚀劣化规律研究还不充分，现有研究成果还不能作为指导盐渍土和含膏盐地区的隧道等地下结构设计及维护的理论依据。此类复合腐蚀问题在这些地区的实际地下工程中广泛存在，因此有必要开展更具针对性的试验研究。

基于此，本文利用设计的应力-腐蚀-干湿交替耦合试验装置，通过室内加速腐蚀试验，模拟钢筋混凝土衬砌等地下结构在实际服役过程中的复合腐蚀环境。分别研究了钢筋混凝土试件在不同荷载水平、腐蚀离子类型和干湿条件下的宏观性能退化规律，以期揭示复杂环境下地下钢筋混凝土结构的腐蚀劣化过程，明确各个因素对腐蚀环境下构件承载力劣化程度的影响，从而为腐蚀环境下钢筋混凝土结构的抗力衰减评估和寿命预测提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及配合比

（1）水泥。采用重庆某公司生产的普通硅酸盐水泥PC42.5R，其各项指标均符合规范要求，水泥化学组分如表1所列。

（2）砂。采用重庆当地河砂，细度模数2.6;粗骨料采用级配碎石，最大直径不超过10 mm，密度2 650 kg/m3。

（3）水。混凝土拌和用水为自来水，溶液配制采用蒸馏水。

（4）硫酸钠和氯化钠。选用的试剂为上海国药集团化学试剂有限公司生产AR分析纯试剂，试剂纯度大于99.00%。

材料配合比如表2所列。

1.2 试件制作

构件的长细比l0/b=3.5。截面尺寸为100 mm×100 mm。采用对称配筋，纵筋4Φ10，箍筋Φ6@50，保护层厚度20 mm。把构件端部设计成牛腿形状，以便于施加偏心荷载[21]。构件配筋见图3所示，试件照片如图4所示。

1.3 试验方法

1.3.1 腐蚀溶液制备

根据试验目的，按硫酸钠、氯化钠所占质量分数的不同，配制5种腐蚀溶液，S0为清水环境，作为参考组;C5、S5和S10为单一硫酸盐或氯盐侵蚀环境;S5C5、S10C5为硫酸盐和氯盐复合腐蚀环境（见表3）。

以上腐蚀溶液中分别考虑两种浸泡环境，第一种是持续浸泡，第二种是干湿交替。

1.3.2 应力-腐蚀耦合试验装置

实际地下工程结构基本上都需要承受较大荷载，对于公路隧道衬砌等结构，其受力特征一般都是偏心受压。为了更准确模拟实际工程服役环境，课题组在对国内外现有硫酸盐侵蚀混凝土试验方法进行对比与和分析的基础上，设计了偏压荷载-干湿交替-硫酸盐-氯盐侵蚀耦合作用下的钢筋混凝土构件承载力演变规律试验方案。项目组对慕儒[22]的弹簧加载装置进行了改进，设计了应力-干湿循环-腐蚀耦合试验装置。试验装置采用四拉杆传力体系，拉杆和承载钢板均采用不锈钢，加载装置采用定制的弹簧，用定制的加长螺帽锚固，通过旋转螺帽并压缩弹簧对试件施加荷载，并通过控制弹簧压缩变形量来控制荷载的大小。腐蚀箱底部设置水阀，以方便实现干湿循环，该装置示意图和照片见图5。持载期间，荷载偏心距取70 mm。到腐蚀龄期后，取出试件进行正截面承载力测试。通过压力试验机预先测定未腐蚀构件在指定偏心距下的极限承载力，定义荷载水平η为装置施加的荷载与极限承载力的比值，试验过程中取η=0，0.2，0.5，以模拟荷载对侵腐过程的影响。

1.3.3 试验方案

在对腐蚀环境、荷载水平等因素进行分析的基础上，确定钢筋混凝土偏压构件的硫酸盐和硫酸盐-氯盐腐蚀试验方案，见表4。

为了研究干湿交替对侵蚀的加速作用，试验过程中设计了两种干湿环境进行对比：① 持续浸泡，② 浸泡7 d+自然干燥8 d。具体方法为：试件成型后，在标准养护条件下养护至28 d，将试件从标准养护室取出，进行2 d的自然干燥，然后将试件全部浸没入腐蚀溶液，为模拟一维腐蚀，用环氧树脂将试件侧面进行涂抹封闭。对于执行干湿交替的试件，在浸泡7 d后排出腐蚀箱的腐蚀溶液，自然干燥8 d，以此为一个循环，循环周期为半个月（执行干湿交替的试件加前缀编号WD）。每2个月进行一次质量损失测量和正截面承载力测试，承载力测试照片如图6所示。

为了统一标准和排除混凝土自身水化导致的强度提升的影响，以清水（S0）中浸泡的试件承载力为基准，引入承载力侵蚀劣化系数Ks。定义Ks为某侵蚀时刻下腐蚀溶液中受侵蚀构件承载力与同时刻下清水中的构件承载力之比值，即：

式中：fattck为受腐蚀的试件正截面承载力;f0为浸泡于清水中同龄期试件相应的承载力。当Ks大于1时，表示构件承载力因反应产物填充孔隙导致混凝土承载力提高，Ks小于1则表示混凝土腐蚀导致内部损伤，进入承载力劣化阶段。

定义质量变化率Km为某时刻下腐蚀溶液中受侵蚀试件质量与试件初始质量之比值，即：

式中：mattck为受腐蚀的试件质量;m0为试件的初始质量。

2 试验结果分析

2.1 混凝土质量时变规律

质量变化的试验不考虑应力的影响，将试件分别浸泡于不同腐蚀溶液中，每2个月测定一次质量变化情况。测试步骤为：将试件取出，在40 ℃恒温箱中烘干48 h，等待试件自然冷却后，用电子天平称量其质量，以试件初始质量为基准，计算试件的质量变化率。测试结果如图7～8所示。

图7显示了不同腐蚀溶液中持续浸泡试件的质量变化率，图8显示了经历干湿循环的试件质量变化率。从图7可以看出：经历氯盐溶液持续浸泡的试件，其质量在浸泡期内持续增加，在300 d时候达到稳定，在第12个月时候质量较初始时刻增加了1.1%。持续浸泡于单一硫酸盐溶液或氯盐-硫酸盐复合溶液中的试件，质量都呈现先增加后减少的趋势，其中浸泡于10%硫酸钠溶液中的试件，在240 d时出现质量下降趋势，较5%硫酸钠溶液的试件质量下降趋势出现得更早。相对于单盐溶液中的试件，硫酸盐-氯盐复合溶液中的试件质量增加幅度更小，说明氯离子的存在抑制了硫酸根离子与混凝土组分发生化学反应生成侵蚀产物的过程。但是同时也可以看出，氯鹽的存在使得试件质量后期下降的趋势更加明显。从图8可见：经历干湿循环的试件，质量变化的总体趋势与持续浸泡的试件相似，但是质量变化曲线的下降段出现得更早，说明干湿循环加速了腐蚀过程。

单盐侵蚀环境或者硫酸盐-氯盐复合侵蚀环境下，影响混凝土试件质量变化的主要因素有2个：① 侵蚀离子与水泥的组分发生反应生成膨胀性的侵蚀产物，如钙矾石、Friedel盐等，填充了混凝土内部的孔隙，使得混凝土质量增大;② 在反应过程中氢氧化钙和C-S-H等组分溶出和分解，或者是混凝土受侵蚀层的剥落、钢筋锈胀等原因造成混凝土损伤和质量下降[23]。质量随侵蚀时间的变化规律在一定程度上也反映了钢筋混凝土试件受蚀损伤劣化规律。

需要注意的是：质量变化规律虽然在一定程度上反映了钢筋混凝土试件受腐蚀损伤劣化规律，但是腐蚀既可能使得混凝土质量增大，又可能造成混凝土损伤和质量下降，因此，单一的质量变化率尚不能准确和完整地反映侵蚀过程中混凝土的劣化行为，需要结合其他宏观指标综合判断试件的腐蚀情况。

2.2 无应力状态下构件承载力退化规律

试件达到侵蚀龄期后，从侵蚀溶液中取出试件，干燥以后，用压力试验机加载，加载时取偏心距为70 mm，进行正截面承载力测试。

利用压力试验机分别测定不同腐蚀环境下钢筋混凝土偏压柱的正截面承载力，所得试验结果如图9～10所示。

图9显示了单一腐蚀溶液中钢筋混凝土偏压构件的承载力劣化系数时变规律。可以看出，不同腐蚀作用下，承载力演化过程大致可以分为上升段和下降段两个阶段。在上升段，试件相对承载力总体上有小幅度增加，如S10溶液浸泡试件在120 d时，承载力接近未腐蚀构件的1.05倍，同时期C5溶液浸泡下的试件为1.02。在下降段，承载力劣化系数呈阶梯或波浪状下降的趋势，其中WD-S10试件腐蚀期间最终承载力下降幅度可达20%左右。这种现象产生的原因是在侵蚀初期，氯离子和硫酸根离子与水泥组分反应生成的侵蚀产物填充了混凝土的空隙，使得混凝土更加密实，导致混凝土强度有所提升，同时也提升了钢筋与混凝土之间粘结力，故偏压柱承载力劣化系数在侵蚀初期呈上升趋势。

而随着侵蚀的继续进行，对受硫酸盐侵蚀的构件，持续生成的钙矾石或石膏在混凝土内部形成很大的内应力，从而加速混凝土中裂缝的形成与扩展，造成混凝土损伤，同时劣化了钢筋和混凝土之间的粘结力。而对于氯盐溶液中的试件，氯盐虽然并没有直接劣化混凝土的强度，但是氯离子侵入混凝土内部，导致钢筋锈蚀和混凝土锈胀。

从图中还可以看出，不同腐蚀环境下试件的承载力变化规律又表现出明显的差异。硫酸盐溶液浸泡下的试件承载力退化程度较氯盐溶液更高。溶液浓度对承载力的影响极为显著，随着溶液浓度的增加，侵蚀损伤速率随之加快，S10溶液中的试件承载力较S5溶液中的试件承载力退化更为明显，而经历干湿循环的试件承载力低于持续浸泡的试件承载力，说明干湿循环加速了腐蚀速率。

图10显示了氯盐-硫酸盐复合侵蚀环境下的构件承载力劣化系数变化情况。对比图9中单一腐蚀溶液中构件的承载力时变规律可知：侵蚀环境中的氯盐对硫酸盐侵蚀有明显的影响，由于腐蚀初期氯盐抑制了硫酸盐腐蚀作用，承载力下降段较单一硫酸盐溶液中的试件出现得更晚，但是最终的承载力退化程度较单一硫酸盐腐蚀环境中的构件更高。分析其原因，是因为腐蚀初期氯离子由于比硫酸根离子更小，因此更容易进入混凝土内部，与混凝土组分发生化学反应生成Friedel盐，填塞了混凝土内部空隙，从而阻塞硫酸根离子通过空隙系统进入混凝土内部，因此抑制了硫酸盐侵蚀。但是在后期，混凝土因为硫酸盐侵蚀膨胀产生微裂纹后，大量氯离子进入导致钢筋产生锈蚀和混凝土锈胀，从而加剧了钢筋混凝土偏压构件承载力的劣化。此外，和单盐溶液中的构件承载力时变规律相似，由于干湿循环加速了腐蚀速率，经历干湿交替的复合腐蚀溶液中构件承载力较持续浸泡试件更低。

2.3 荷载-干湿交替-腐蚀耦合作用下构件承载力退化规律

采用本文设计的应力-腐蚀耦合试验加载装置，对钢筋混凝土柱施加偏心荷载并长期持载，模拟荷载-干湿交替-复盐耦合侵蚀环境。图11显示了荷载-干湿循环-腐蚀耦合作用下钢筋混凝土偏压柱的正截面承载力变化规律。总体上荷载水平越高，承载力越低，即承载力退化程度与荷载水平呈正相关的关系。但各个荷载水平下构件的承载力劣化系数又有较大差异：η=0.2时，构件承载力劣化系数较无应力状态下仅有小幅下降，而η=0.5时，承载力相对于无应力状态则降低了15%左右。可见，偏心荷载对侵蚀环境中的钢筋混凝土偏压柱承载力劣化具有加速效应，但是低荷载水平下（η<0.2），荷载对承载力劣化影响不明显。分析其原因，是因为低荷载水平下，混凝土受压和受拉区并未因荷载发生开裂，侵蚀离子的传输状态并无明显改变，但是高水平偏压荷载作用下，构件受拉侧混凝土所受拉应力超过了抗拉强度，形成了微裂缝，使混凝土更容易被侵蚀离子侵入，极大地加速了钢筋的锈蚀和混凝土强度的劣化，从而显著降低了构件承载力。

3 结 论

本文通过室内试验，研究了多因素耦合作用下钢筋混凝土偏压构件的劣化腐蚀过程。分别研究了不同腐蚀条件下构件的质量变化和正截面承载力退化规律，重点分析了不同应力水平和不同腐蚀环境对偏压构件力学性能的影响，得出以下重要结论。

（1）混凝土强度降低和钢筋锈蚀是钢筋混凝土偏压构件承载力下降的主要原因。

（2）氯盐在侵蚀初期可抑制硫酸盐腐蚀，但是在后期加剧了钢筋锈蚀，从而显著降低了钢筋混凝土偏压构件正截面承载力。

（3）偏心荷载对侵蚀环境中的钢筋混凝土偏压柱承载力劣化、裂缝发展具有加速效应，总体上荷载水平与钢筋混凝土构件承载力退化程度呈正相关的关系，但是低荷载水平下，荷载对承载力的退化效应不明显。

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（编辑：郑 毅）