高温变温条件下喷射混凝土硫酸盐侵蚀力学性能劣化试验

罗虎 童建军 赵文治 李果 刘晋升 王祥 蔡延山

【摘 要】 文章选取初始养护温度和硫酸钠侵蚀天数为影响因素，设立横向与纵向对照试验组，开展12组喷射混凝土的硫酸盐侵蚀试验，试件养护采用高温变温养护方法。结果表明：初始养护温度越高的喷射混凝土，其耐久性能越差;喷射混凝土在干湿循环过程中，其质量先在短期内有所增加，然后降低;经过干湿循环后，喷射混凝土强度基本呈下降趋势，并且硫酸盐侵蚀对喷射混凝土力学性能的劣化会随着初始养护温度的升高而加快。

【关键词】喷射混凝土; 高温变温养护; 硫酸盐侵蚀; 力学性能; 耐久性

1 喷射混凝土硫酸盐侵蚀研究

工程建设已由大范围新建阶段进入使用维护阶段，既有混凝土结构的可靠性分析的重要性应该得到重视;而结构耐久性的研究是既有结构整体可靠性分析的重要组成部分[1]。工程实践经验表明：与普通混凝土相比，喷射混凝土具有极短的终凝时间和高早龄期强度[2]。而引起混凝土结构耐久性破坏的四大主因分别是硫酸根离子侵蚀、钢筋锈蚀、碱-硅反应和冻-融循环，这其中硫酸盐侵蚀更应引起高度重视，被认为是引起混凝土结构耐久性破坏的最主要因素[3]。

混凝土结构受硫酸盐侵蚀之后力学性能会有不同程度的劣化[4]，硫酸盐侵蚀作用可以分为物理侵蚀和化学侵蚀[5]，是由于硫酸盐环境中的侵蚀性离子进入混凝土内部，与水泥石中一些组分发生化学反应，生成膨胀性产物，导致混凝土细观结构产生缺陷[6]，并分解水泥石中的重要组分，造成混凝土开裂、剥落及强度下降，由表及里形成损伤层，最终导致混凝土发生破坏[7]。这是一个极其复杂的物理化学过程，在不同的环境下侵蚀机理也不同[8]，是长期以来混凝土相关研究的主要内容之一。

已有研究均是基于常温环境，但近年来高岩温特殊地质条件下的隧道工程开始大量出现，国内外学者们关于隧道高地热问题开展了大量研究，成果主要集中在温度对岩体及衬砌的力学特性影响、掺和料使用、隔热通风设计及施工工艺等方面[9]，本文主要探究高温变温条件和硫酸盐侵蚀下对喷射混凝土的影响。高温容易导致支护结构开裂、支护材料力学性能及耐久降低[10]。在高岩温隧道环境下，由于施工通风的降温作用，喷射混凝土在施作后会高温到常温的降温过程[11]，该过程会改变喷射混凝土的力学性能。因此，本文基于高岩温隧道施工期温度场研究成果，通过高温变温养护方法，进行硫酸盐干湿循环试验，以质量损失率、抗压试验、劈裂抗拉强度为指标来研究高温变温条件下喷射混凝土硫酸盐侵蚀后力学性能的劣化情况。

2 试验概况

2.1 试验用原材料及配合比

喷射混凝土各项性能指标与成分含量如表1所示。

2.2 试件制作

喷射混凝土试块具体制作按照如图1～图4所示。包括准备模板及喷射混凝土原材料、喷射混凝土、高温变温养护与标准养护、切割成块和编号四个主要步骤。

2.3 试件分组与编号

养护初始温度分别取20 ℃、40 ℃、60 ℃，干湿循环时间分别取0天、15天、30天、60天。为了避免因试件个体实验误差过大导致数据离散问题，并满足破坏试验的试件需求，每组养护条件下的有效试件个数均选取为6个，抗压试验与劈裂抗拉试验均使用3个有效试件，共计72个试件。

2.4 试件养护与试验设备

根据高地温隧道施工期间喷射混凝土的温度演化规律，本文确立了喷射混凝土的高温变温养护方法：设置试验组试件初始养护温度T0（分别为40 ℃、60 ℃），湿度保持55 %不变，变温养护试件从初始养护温度T0开始等幅降温，使温度在5天后降至28 ℃，继而保持28 ℃养护至26天;同时作为对照，一组试件在标准状况（温度20 ℃，湿度95 %）下恒温恒湿养护26天。养护完毕后取出试件烘干48 h并进行干湿循环试验。

建筑设备与建筑材料罗虎， 童建军， 赵文治， 等： 高温变温条件下喷射混凝土硫酸盐侵蚀力学性能劣化试验

高温变温养护操作所用到的仪器为HXIHS-010L恒温恒湿养护箱，如图5所示。浸泡试块所用试验盒尺寸为550 mm×410 mm×310 mm。烘干设备为XMTE-3000A电热鼓风数显干燥箱，如图6所示。

2.5 试验方法

硫酸盐溶液干湿循环具体过程为：烘干后的试件进行静置冷却至室溫后立即放入试验盒中。试件安置完毕，倒入配置好的浓度为10 %的Na2SO4溶液使溶液表面高于试块顶面超20 mm。一个干湿循环包括两个阶段，先在10 % Na2SO4溶液中浸泡16 h，然后在80 ℃下干燥8 h。试验在经历了15，30和60个循环后分别检测质量损失率，抗压强度和劈裂抗压强度。

试验过程中，为了使溶液浓度保持在一定水平，每15天更换一次溶液。溶液温度始终保持在25～30 ℃范围内。

根据国家标准GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定的试验方法，混凝土抗压试验利用CSS-WAW600DL电液伺服万能试验机进行，测定试块的抗压强度值，见图7（a）。

混凝土试块劈裂抗拉强度试验利用电子万能试验机进行，测定试块的劈裂抗拉强度，见图7（b）。

3 试验结果分析

3.1 质量损失率

不同初始养护温度下，质量损失率随干湿循环天数变化情况如图8所示。随着干湿循环次数的增加，喷射混凝土试块的质量先增加后降低。这是因为在干湿循环初期，钙矾石等腐蚀产物在微裂缝中的堆积使试件密实度相对增大;而后，腐蚀产物大量生成及结晶作用导致内部膨胀应力增大、试件微裂纹大量生成并扩展，试件表面及边角处砂浆及骨料开始大量剥落，导致喷射混凝土质量减少[8]。同时，高温变温养护的喷射混凝土，内部结构比较疏松，孔隙及微裂缝较多，使得喷射混凝土在干湿循环前期质量增加更多。 其中60 ℃养护的试件在循环30次后质量大幅度下降，试件表层剥落严重。这表明，高温养护条件下的喷射混凝土耐久性能更差。

3.2 抗压强度

图9反映了不同初始温度和干湿循环天数对喷射混凝土抗压性能的影响。可以看出，随着干湿循环次数的增加，喷射混凝土抗压强度整体上呈下降趋势。在未进行干湿循环之前，高温变温养护的初始温度越高，喷射混凝土抗压强度越低。另外初始养护温度越高，干湿循环的次数越多，喷射混凝土的抗压强度劣化越明显，初始养护温度为60 ℃的喷射混凝土，干湿循环时间为60天时，抗压强度仅为4.6 MPa。

3.3 劈裂抗拉强度

图10反映了不同初始温度和干湿循环天数对喷射混凝土劈裂抗拉性能的影響。高温变温养护的初始温度越高，喷射混凝土的劈裂抗拉强度越低。硫酸盐的侵蚀和干湿循环的作用，会让喷射混凝土的劈裂抗拉强度整体呈现下降趋势。然而，经过60 ℃高温变温养护后的喷射混凝土，前期其抗拉强度有所上升，后期抗拉强度开始下降。这是因为，高温养护的喷射混凝土内部孔隙较多，侵蚀产物会堆积在孔隙内使其密实度增大，进而使得其强度有所增大，而后期侵蚀严重，抗拉强度又急剧下降。

4 结论

（1）喷射混凝土在干湿循环过程中，其质量先在短期内有所增加，然后降低。高温变温养护的初始温度越高，会使喷射混凝土随着干湿循环，前期质量增加越多、越快，后期下降趋势越大、下降越多。

（2）喷射混凝土在高温变温养护时，较高的初始养护温度会降低其抗压与劈裂抗拉强度。

（3）经过高温变温养护的喷射混凝土在长期的干湿循环过程中，抗拉与抗压强度整体是呈现下降趋势的。并且，初始养护温度越高的喷射混凝土在干湿循环后其力学性能劣化越明显。

参考文献

[1] 李涛，孙忠民，丁凯伦.硫酸盐侵蚀混凝土力学性能及侵蚀产物研究进展[J].混凝土与水泥制品，2019（1）：1-5.

[2] 刘新荣，祝云华，李晓红，等.隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌试验研究[J].岩土力学，2009，30（8）：2319-2323.

[3] 白卫峰，刘霖艾，管俊峰，等.基于统计损伤理论的硫酸盐侵蚀混凝土本构模型研究[J].工程力学，2019，36（2）：66-77.

[4] 朱孔峰，逯静洲，刘亚，等.历经荷载后受硫酸盐侵蚀的混凝土力学性能[J].长江科学院院报，2018，35（1）：143-146.

[5] 姜磊，牛荻涛.硫酸盐侵蚀与干湿循环下混凝土本构关系研究[J].中国矿业大学学报，2017，46（1）：66-73.

[6] 姜磊，牛荻涛.硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤层与微观研究[J].硅酸盐通报，2015，34（12）：3462-3467.

[7] 王海龙，董宜森，孙晓燕，等.干湿交替环境下混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理[J].浙江大学学报：工学版，2012，46（7）：1255-1261.

[8] 亢景富.混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题[J].混凝土，1995（3）：9-18.

[9] 刘喜康.高岩温对隧道支护结构的影响及隔热层方案研究[J].工程建设与设计，2020（19）：101-103.

[10] 王明年，胡云鹏，童建军，等.高温变温环境下喷射混凝土-岩石界面剪切特性及温度损伤模型研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（1）：63-75.

[11] 王明年，唐兴华，吴秋军，等.高岩温隧道围岩-支护结构温度场演化规律[J].铁道学报，2016，38（11）：126-131.

1045501705313