邢明亮，關(guān)博文，2，陳拴發(fā)，盛燕萍，熊銳

（1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710061；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064）

硫酸鹽腐蝕是對(duì)混凝土危害較大的一種腐蝕性介質(zhì)破壞，也是影響混凝土耐久性的重要因素之一，同時(shí)還是影響因素非常復(fù)雜、危害性大的一種環(huán)境水侵蝕.土壤、地下水、海水、腐爛的有機(jī)物以及工業(yè)廢水中都可能含有硫酸根離子，它們滲入混凝土內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生膨脹、開裂、剝落等現(xiàn)象，并喪失強(qiáng)度和黏性.混凝土在服役過程中總要承受一定荷載，因而混凝土在腐蝕過程中，其真實(shí)情況是荷載與腐蝕離子雙因素作用下的損傷失效.近年來，在水利、公路、海港以及機(jī)場等工程中都發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽與荷載聯(lián)合腐蝕問題，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物在未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)就已發(fā)生破壞，從而造成人力和財(cái)力的極大浪費(fèi)［1－3］.

多年以來，國內(nèi)外許多學(xué)者在硫酸鹽與荷載疊加作用對(duì)混凝土腐蝕方面做了大量的研究.前蘇聯(lián)學(xué)者在上世紀(jì)50年代就對(duì)應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的抗腐蝕性做了一定研究，確認(rèn)使用環(huán)境可能造成荷載與腐蝕不同組合，應(yīng)力的種類和級(jí)別是決定混凝土腐蝕性能的主要因素，并采用滲透系數(shù)的變化來大致表征腐蝕程度的變化特征，但整個(gè)過程缺乏更為系統(tǒng)的分析以及微觀機(jī)理方面的研究［4］.Bassuoni等［5］通過試驗(yàn)研究了自密實(shí)混凝土在硫酸鈉溶液和荷載作用下的耐久性，試驗(yàn)考慮了干濕循環(huán)作用的影響，但其中的干狀態(tài)系通過人工控制溫度獲得.余紅發(fā)等［6］用中型千斤頂加載裝置施加30%～40%彎曲荷載，研究了普通混凝土、摻與不摻礦物摻和料的高強(qiáng)混凝土（HSC）、復(fù)合摻加礦物摻和料的鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土（SFRHSC）在中國典型鹽湖鹵水中應(yīng)力腐蝕后的性能變化；邢鋒等［7］也對(duì)荷載作用下混凝土受硫酸鹽侵蝕問題進(jìn)行了一些研究.孫偉領(lǐng)銜的課題組對(duì)混凝土在氯鹽＋應(yīng)力荷載＋硫酸鹽復(fù)合作用下的損傷失效以及混凝土在應(yīng)力荷載＋硫酸鹽＋鎂鹽復(fù)合作用下的損傷失效進(jìn)行了研究［8］.

綜上，目前國內(nèi)外研究主要集中于靜載力下混凝土的硫酸鹽腐蝕，而實(shí)際工程中的混凝土是在一定疲勞荷載作用下運(yùn)行的，尤其對(duì)路、橋等結(jié)構(gòu)而言，除了承受結(jié)構(gòu)物等自重作用以外，還要承受頻繁的交通荷載重復(fù)作用.鑒于此，本文對(duì)硫酸鹽侵蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用下的混凝土劣化特性展開了研究，通過宏觀力學(xué)性能測(cè)試和微觀SEM 測(cè)試，分析硫酸鈉溶液對(duì)道路混凝土疲勞特性的影響規(guī)律，探討硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用下道路混凝土的損傷機(jī)制，提出了疊加效應(yīng)系數(shù)K，用以評(píng)價(jià)硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載損傷的疊加效應(yīng).

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：強(qiáng)度等級(jí)為42.5堯柏牌普通硅酸鹽水泥；砂：西安灞河砂，顆粒級(jí)配良好，視密度2.72g／cm3，細(xì)度模數(shù)2.82，含泥量小于2.0%1）本文所涉及的摻量、濃度、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.；石：陜西石灰?guī)r碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為20mm；HBY 高性能減水劑（硫酸根離子含量小于0.01%，可忽略）.

1.2 試驗(yàn)方案

考慮到不同濃度硫酸鹽腐蝕介質(zhì)對(duì)混凝土腐蝕疲勞特性的綜合影響，特按單因素試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與浸泡硫酸鹽試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1.

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Testing program

1.3 混凝土配合比

道路混凝土配合比設(shè)計(jì)如表2所示，采用尺寸為100mm×100mm×400mm 的長方體試件.試件成型后自然養(yǎng)護(hù)24h后拆模并移入（20±2）℃，相對(duì)濕度95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行試驗(yàn)，即腐蝕齡期從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后開始計(jì)算.

表2 混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mix proportion and test results

1.4 試驗(yàn)裝置

腐蝕疲勞試驗(yàn)是與時(shí)間、應(yīng)力水平（比）、荷載譜等因素密切相關(guān)的一項(xiàng)試驗(yàn)，該研究試驗(yàn)周期長，無法長期使用精度很高的設(shè)備（如MTS）進(jìn)行試驗(yàn).鑒于此，根據(jù)試驗(yàn)基本要求，設(shè)計(jì)了一套機(jī)械式腐蝕疲勞加載裝置，該裝置能夠準(zhǔn)確模擬腐蝕環(huán)境和交變機(jī)械應(yīng)力環(huán)境，并在荷載譜中精確融合時(shí)間因素，試驗(yàn)裝置見圖1.混凝土的腐蝕疲勞采用四點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn).

1.5 試驗(yàn)方法

圖1 腐蝕疲勞裝置圖Fig.1 Erosion fatigue device

試驗(yàn)時(shí)首先按標(biāo)準(zhǔn)方法制作試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，按每組3根試件測(cè)定其抗彎拉強(qiáng)度，取其平均值作為計(jì)算腐蝕疲勞研究所用應(yīng)力水平的依據(jù).按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求每組先取3根試件置于腐蝕疲勞試驗(yàn)裝置架上，倒入預(yù)先配制的規(guī)定濃度的Na2SO4溶液浸泡24h，然后按四點(diǎn)加載方式施加交變應(yīng)力，再取另外3根浸泡于與腐蝕疲勞同條件的環(huán)境介質(zhì)中.對(duì)于施加疲勞荷載的混凝土試件，先加載至規(guī)定應(yīng)力比，停置24h，然后每天按加載（2min）→卸載（2min）→加載這樣一個(gè)循環(huán)荷載譜進(jìn)行加載.為達(dá)到加速化學(xué)腐蝕的目的，采用攪拌器使腐蝕溶液處于連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免相對(duì)不容的反應(yīng)物富集在混凝土表面及附近.出于同樣的理由，每隔30d用新配制的腐蝕溶液更換原來的溶液，保證混凝土試件所處的腐蝕環(huán)境濃度變化不大.宏觀觀測(cè)主要為抗彎拉強(qiáng)度、飽和面干吸水率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，微觀觀測(cè)用SEM 進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物微觀性質(zhì)分析.

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）腐蝕因子（腐蝕疲勞因子）.腐蝕疲勞因子S為某一齡期的硫酸鹽腐蝕或腐蝕疲勞的試件抗彎拉強(qiáng)度值ft1與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相應(yīng)天數(shù)的抗彎拉強(qiáng)度值ft2之比，表達(dá)式為：

（2）相對(duì)動(dòng)彈性模量Erd，其表達(dá)式為：

式中：T0，Tt分別為混凝土腐蝕前及腐蝕到t 齡期的聲時(shí).

（3）飽和面干吸水率b，其表達(dá)式為：

式中：ms和md分別為受腐蝕混凝土試樣的飽和質(zhì)量和干質(zhì)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 硫酸鹽腐蝕與腐蝕疲勞混凝土力學(xué)特性

圖25分別為在5%，10%Na2SO4溶液腐蝕作用下道路混凝土抗彎拉強(qiáng)度、腐蝕因子、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及飽和面干吸水率隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律.

由圖25可以看出，對(duì)于在硫酸鈉溶液中浸泡的試件，其腐蝕過程可分為兩個(gè)階段.第一階段由于鈣礬石和石膏的形成填充了混凝土內(nèi)部孔隙，增加了混凝土材料的密實(shí)度，宏觀表現(xiàn)為飽和面干吸水率的減小與相對(duì)動(dòng)彈性模量的增大，抗彎拉強(qiáng)度處于上升期［9］.10%Na2SO4溶液中的試件強(qiáng)度在120d達(dá)到峰值，為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期下抗彎拉強(qiáng)度的1.13倍.進(jìn)入第二階段后，混凝土內(nèi)部結(jié)晶壓導(dǎo)致其內(nèi)部微裂縫出現(xiàn)，局部膨脹應(yīng)力過大造成混凝土內(nèi)部微裂縫開展，滲透性增大，宏觀表現(xiàn)為飽和面干吸水率增大，相對(duì)動(dòng)彈性模量減小，抗彎拉強(qiáng)度下降和腐蝕因子逐漸減小，但由于腐蝕時(shí)間較短，無論是在5%還是10%Na2SO4溶液中，試件的抗彎拉強(qiáng)度仍高于基準(zhǔn)值.

圖6，7分別為在10%硫酸鈉溶液中腐蝕90，180d試件的SEM 照片.由圖中可見大量針狀的鈣礬石叢生，混凝土內(nèi)部鈣礬石結(jié)晶形態(tài)為呈簇狀由中心向外輻射的針狀鈣礬石晶體，且鈣礬石的結(jié)晶形態(tài)隨著腐蝕時(shí)間的增加而變長加寬.圖7中的鈣礬石結(jié)晶長度明顯比孔隙直徑要大得多，這將導(dǎo)致鈣礬石晶體對(duì)孔隙壁產(chǎn)生膨脹壓力從而形成微裂紋，這也從微觀角度驗(yàn)證了上述硫酸鹽腐蝕作用下道路混凝土宏觀性能劣化的原因.

圖8～11分別為硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用下道路混凝土抗彎拉強(qiáng)度、腐蝕疲勞因子、相對(duì)動(dòng)彈性模量以及飽和面干吸水率隨腐蝕疲勞時(shí)間的變化規(guī)律.

由圖811可見，腐蝕疲勞明顯加劇了道路混凝土的劣化.由于受到疲勞荷載的作用，浸泡在硫酸鹽溶液中的道路混凝土無強(qiáng)度增長，且腐蝕疲勞因子隨著時(shí)間的增加而迅速降低，表明疲勞荷載的損傷作用大于因硫酸鹽腐蝕使混凝土早期密實(shí)度增加所帶來的強(qiáng)度補(bǔ)償.在腐蝕疲勞早期，混凝土腐蝕疲勞因子隨腐蝕疲勞時(shí)間的增加而緩慢降低，這主要是由于疲勞荷載作用產(chǎn)生的裂縫被硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物所填充，腐蝕生成產(chǎn)物的填充作用在早期抵消了一部分疲勞荷載對(duì)混凝土的不利作用；但隨著腐蝕齡期的進(jìn)一步增加，更大量的膨脹性腐蝕產(chǎn)物生成，從而產(chǎn)生了膨脹壓力，進(jìn)一步加劇了混凝土腐蝕疲勞的劣化，從而導(dǎo)致混凝土腐蝕疲勞因子迅速下降.

由圖8，9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到疲勞荷載作用時(shí)，與在5%硫酸鹽溶液中的混凝土相比，在10%硫酸鹽溶液中的混凝土其腐蝕疲勞因子隨著腐蝕疲勞齡期的增加先大后小，說明隨著硫酸鹽濃度的增大，硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土早期強(qiáng)度補(bǔ)償和后期強(qiáng)度劣化的作用越發(fā)明顯.對(duì)圖10，11與圖4，5進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出疲勞荷載的存在增大了硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物的填充作用，腐蝕產(chǎn)物的增多間接說明疲勞荷載作用所產(chǎn)生的裂縫加速了硫酸根離子的擴(kuò)散，且硫酸根離子的擴(kuò)散速率隨著硫酸鹽濃度的增加而增大.

圖12表示裂紋隨腐蝕疲勞時(shí)間的擴(kuò)展過程.從圖中可以看出，腐蝕疲勞60d時(shí)試件內(nèi)產(chǎn)生了大量細(xì)微裂縫，隨著時(shí)間增加到120d，這些細(xì)微裂縫逐漸連通、變寬，從而導(dǎo)致硫酸鹽溶液更易侵入，混凝土性能迅速劣化.

圖12 腐蝕疲勞下裂紋的擴(kuò)展過程Fig.12 Crack growth under erosion fatigue

2.2 硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載疊加效應(yīng)分析

為分析硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載的疊加效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度劣化的影響，引入強(qiáng)度損失因子D（強(qiáng)度損失百分比）：

用疊加效應(yīng)系數(shù)K 來表征硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載兩個(gè)因素的疊加交互作用，即相互促進(jìn)或抑制作用.硫酸鹽腐蝕強(qiáng)度損失因子為D1，疲勞荷載強(qiáng)度損失因子為D2，硫酸鹽腐蝕和疲勞荷載聯(lián)合作用下的強(qiáng)度損失因子為Dt.建立硫酸鹽腐蝕和疲勞荷載聯(lián)合作用下的混凝土強(qiáng)度損失因子Dt與單個(gè)強(qiáng)度損失因子D1，D2的關(guān)系［10］：

當(dāng)0＜K＜1時(shí)，表示硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用存在負(fù)效應(yīng)，即兩種因素疊加導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的損失小于兩者分別作用之和，兩因素之間的交互作用延緩了混凝土的破壞；當(dāng)K＞1時(shí)，表示硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用存在正效應(yīng)，即兩種因素疊加導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的損失大于兩者分別作用之和，疊加效應(yīng)使得混凝土加速破壞.K 值隨腐蝕疲勞時(shí)間的變化見圖13.

圖13 不同硫酸鹽濃度下疊加效應(yīng)系數(shù)K 值Fig.13 Value of Kin different sulfate concentration

由圖13可以看出，疊加效應(yīng)系數(shù)K 值大部分大于1，說明硫酸鹽腐蝕與疲勞荷載聯(lián)合作用會(huì)加速混凝土的強(qiáng)度衰減，即硫酸鹽腐蝕會(huì)加速混凝土疲勞損傷的積累，而疲勞荷載也會(huì)促進(jìn)腐蝕損傷的進(jìn)行，腐蝕損傷和疲勞損傷之間存在相互促進(jìn)的效應(yīng).在5%硫酸鹽溶液中腐蝕60d以內(nèi)時(shí)，其K 值小于1，分析原因?yàn)榱蛩猁}腐蝕生成的膨脹產(chǎn)物填充了一部分由于疲勞荷載產(chǎn)生的裂縫，早期的低濃度硫酸鹽溶液減弱了疲勞荷載對(duì)混凝土的破壞；隨著腐蝕疲勞齡期增長，兩因素疊加效應(yīng)發(fā)展為相互促進(jìn)作用.同一腐蝕疲勞齡期下，在10%硫酸鈉溶液中的混凝土K 值均大于在5%硫酸鈉溶液中的混凝土K 值，說明硫酸鈉溶液濃度的增加使硫酸鹽腐蝕損傷在疊加效應(yīng)中發(fā)揮了更大的作用.由圖13還可發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕疲勞齡期增大，K 值大體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

3 結(jié)論

（1）由于受到疲勞荷載的作用，浸泡于硫酸鹽溶液中的道路混凝土無強(qiáng)度增長，且腐蝕疲勞因子隨著時(shí)間的增加而迅速降低.

（2）由于硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土強(qiáng)度的早期補(bǔ)償和后期劣化作用，與在5%硫酸鈉溶液中的混凝土相比，在10%硫酸鈉溶液中的混凝土腐蝕疲勞因子隨著腐蝕疲勞齡期的增加先大后小，表明隨著硫酸鹽濃度的增大，硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的補(bǔ)償和后期強(qiáng)度的劣化作用越發(fā)明顯.

（3）硫酸鹽腐蝕膨脹產(chǎn)物生成的微裂紋與疲勞荷載產(chǎn)生的裂縫是道路混凝土腐蝕疲勞損傷的主要原因.

（4）硫酸鹽腐蝕會(huì)加速混凝土疲勞損傷的積累，而疲勞荷載也會(huì)促進(jìn)腐蝕損傷的進(jìn)行，腐蝕損傷和疲勞損傷之間存在相互促進(jìn)的效應(yīng)，并且硫酸鹽侵蝕溶液濃度的增加使得硫酸鹽腐蝕損傷在疊加效應(yīng)中發(fā)揮了更大的作用.

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