尹蓉蓉， 劉 宇， 吳 慶

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

在地下工程中，混凝土結(jié)構(gòu)(如盾構(gòu)隧道管片)往往會(huì)處在很復(fù)雜的侵蝕環(huán)境之中[1-3]，除了承受地層壓力外，在水系發(fā)達(dá)的地區(qū)還要承受地下水的滲透作用[4-8]，當(dāng)?shù)叵滤泻懈g介質(zhì)時(shí)，還會(huì)受到這些腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用。如西北鹽湖地區(qū)、東部沿海等地的地下水中含有大量的氯離子與硫酸根等侵蝕性離子[9-11]，這些地區(qū)的地下混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)受到“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”及侵蝕性離子共同作用。地下混凝土結(jié)構(gòu)受到荷載、水壓力及侵蝕性離子共同作用時(shí)，荷載會(huì)使混凝土出現(xiàn)微裂縫； 水壓力對(duì)混凝土產(chǎn)生的劈裂作用不僅會(huì)產(chǎn)生裂縫，而且會(huì)使裂縫連通并擴(kuò)大； 荷載與水壓力的共同作用為侵蝕性離子的滲透提供通道，相同時(shí)間內(nèi)混凝土與更多的氯離子和硫酸根離子接觸發(fā)生反應(yīng)，加速混凝土的腐蝕，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。

盾構(gòu)隧道管片通常采用高性能混凝土制造[12]，高性能混凝土水膠比低， 拌合物流動(dòng)性大、黏聚性好，混凝土均勻，因此混凝土的孔隙率、孔徑小，混凝土密實(shí)，減少了腐蝕性物質(zhì)的傳輸通道，同時(shí)其本身承載力也高于普通混凝土，因此，高性能混凝土抗侵蝕性?xún)?yōu)于普通混凝土[13]。目前，方萬(wàn)里[14]研究了氯鹽對(duì)高性能混凝土的侵蝕規(guī)律，表明混凝土抗氯離子滲透性能隨齡期的延長(zhǎng)而顯著提高，氯離子擴(kuò)散系數(shù)符合指數(shù)衰減規(guī)律，其齡期系數(shù)與混凝土水膠比和礦物摻合料摻量等因素有關(guān)； 喬紅霞等[15]研究了硫酸鹽侵蝕對(duì)高性能混凝土耐久性的影響，結(jié)果顯示在干濕交替的水侵蝕和硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，摻加復(fù)合摻和料的高性能混凝土對(duì)硫酸鹽侵蝕有較好的抵抗性能； 劉金濤[16]通過(guò)不同配比的高性能混凝土受氯鹽與硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，得出了改良后的配比，并且得出改良過(guò)后的混凝土對(duì)于2種鹽都有很高的抗腐蝕性能； A.Konin等[17-18]通過(guò)研究高性能混凝土(45、80、100 MPa)從施加荷載到破壞時(shí)的微裂紋發(fā)展情況來(lái)探索混凝土的應(yīng)力腐蝕，得到了混凝土強(qiáng)度與施加荷載之間的關(guān)系和腐蝕離子擴(kuò)散系數(shù)與強(qiáng)度以及荷載之間的關(guān)系； 陳聰?shù)萚19]進(jìn)行了不同性能等級(jí)混凝土(C30、C50、C70)在不同水壓、氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)等條件下的滲透試驗(yàn)，得出水頭作用均會(huì)提高不同性能混凝土各層自由氯離子的含量，對(duì)腐蝕離子的傳輸做了研究但未深入研究侵蝕后高性能混凝土的力學(xué)性能和內(nèi)部微觀情況。目前已有較多對(duì)單侵蝕因素條件下高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究，但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，對(duì)高性能混凝土受多種侵蝕因素共同作用下的耐久性研究較少； 同時(shí)由于問(wèn)題的特殊性，目前缺乏對(duì)地下結(jié)構(gòu)(如盾構(gòu)隧道管片)在“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”耦合作用下受氯鹽、硫酸鹽侵蝕的耐久性問(wèn)題研究。因此，為了研究地下高性能混凝土劣化的規(guī)律，為受環(huán)境腐蝕介質(zhì)影響的地下結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性評(píng)估提供基礎(chǔ)理論和方法，有必要研究“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”及硫酸鹽與氯離子復(fù)合作用下高性能混凝土的性能。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，所用粗骨料為5～20 mm碎石，細(xì)骨料為中砂、天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.7，水為清潔的自來(lái)水，外加劑為高效減水劑?；炷僚浜媳扰c標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比及力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所用混凝土試塊是圓臺(tái)和棱柱體的組合體，底部圓臺(tái)部分為專(zhuān)門(mén)定做的鋼模具，下底直徑為175 mm，上底直徑為165 mm，高150 mm；上部棱柱部分用清水模版訂制，尺寸為200 mm×200 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)，如圖1所示。

圖1 混凝土試塊模具

持續(xù)加載裝置由鋼板和螺栓組成(見(jiàn)圖2)，左右兩邊為2塊260 mm×160 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的鋼板，由4根10 mm螺栓連接，混凝土試塊棱柱體部分置于鋼板之間，通過(guò)螺母和螺桿施加荷載，荷載方向垂直于離子滲透方向，荷載大小通過(guò)傳感器(量程為20 t)和顯示器顯示出來(lái)，需要施加的荷載大小根據(jù)C50混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值23.1 N/mm和受壓面積100 mm×120 mm得出，按照上述力的20%和 40%給試塊施加外荷載，把外荷載為0 kN 作為對(duì)比分組。試塊加荷如圖3所示。

壓力水頭采用HP-4.0自動(dòng)加壓混凝土抗?jié)B儀的穩(wěn)定水壓功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。滲透溶液選用5%NaCl+5%Na2SO4的混合溶液，采用直接將混凝土試塊放在水箱中浸泡和使用抗?jié)B機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力水頭為0、0.4、0.6 MPa的情況，浸泡時(shí)間綜合考慮試驗(yàn)周期、強(qiáng)度和微觀檢測(cè)的需要，擬采取浸泡25 d。試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

本試驗(yàn)主要考慮水頭差、外荷載大小的影響，擬定9組試驗(yàn)工況，如表2所示。

(a)

(b)

圖3 加載示意圖

圖4 試驗(yàn)過(guò)程

對(duì)于不同的工況，可通過(guò)調(diào)節(jié)圖3和圖4所示的試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)“滲流-應(yīng)力場(chǎng)” 、氯鹽及硫酸鹽對(duì)混凝土試塊的作用條件，采用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)腐蝕后混凝土試塊的承載力； 將腐蝕后混凝土試塊研磨成粉末，采用XRD-6000X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行 X 射線(xiàn)衍射分析，定量分析的樣品細(xì)度應(yīng)在45 μm左右，選取θ值為20°～80°； 采用JSM-6480掃描電鏡檢測(cè)腐蝕后混凝土試塊衍射圖譜和SEM形貌，分析試塊內(nèi)部的結(jié)晶狀況，觀察試塊的形貌，放大倍數(shù)為4 000倍。

表2 試驗(yàn)工況

2 受腐蝕高性能混凝土承載力

2.1 受腐蝕混凝土承載力測(cè)量

將所有受腐蝕混凝土試塊進(jìn)行承載力測(cè)量，混凝土試塊承載力檢測(cè)試驗(yàn)見(jiàn)圖5，測(cè)量具體承載力值見(jiàn)表3。

圖5 混凝土試塊承載力檢測(cè)試驗(yàn)

Table 3 Compressive strengths of concrete specimens under different conditions kN

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)試塊，通過(guò)混凝土試塊壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)同一工況下的3個(gè)平行試塊進(jìn)行承載力檢測(cè)，得到原始數(shù)據(jù)p1、p2、p3，按照式(1)計(jì)算出的承載力平均值作為該工況下的混凝土試塊的承載力p。

(1)

式中：p為該工況下混凝土試塊的承載力值，kN；pi為同一工況下第i個(gè)試塊的承載力值，kN；i為同一工況下的混凝土試塊的個(gè)數(shù)，i=1，2，3。

不同工況下混凝土試塊的承載力-位移曲線(xiàn)如圖 6 所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 荷載對(duì)高性能混凝土承載力的影響

混凝土試塊受到外部的荷載作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂縫，這些微裂縫會(huì)為侵蝕性介質(zhì)在混凝土中的滲透提供通道，使外部侵蝕介質(zhì)更容易進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，加劇混凝土的腐蝕，降低混凝土的耐久性。圖6檢測(cè)結(jié)果示出，在不同荷載及氯鹽和硫酸鹽共同作用下，混凝土試塊 A2(60 kN)和 A3(120 kN)承載力相比 A1(0 kN)降低了13.2%和26.4%。由此可得，荷載加劇高性能混凝土腐蝕，荷載越大作用效果越明顯，原因是荷載的存在會(huì)使混凝土試塊產(chǎn)生更多微裂縫，促進(jìn)離子滲透。

(a) 荷載0 kN、不同水壓力 (b) 荷載60 kN、不同水壓力

(c) 荷載120 kN、不同水壓力 (d) 水壓0 MPa、不同荷載

(e) 水壓0.4 MPa、不同荷載 (f) 水壓0.6 MPa、不同荷載

2.2.2 水頭差對(duì)高性能混凝土承載力的影響

水壓對(duì)試塊滲透性能影響顯著。滲流場(chǎng)導(dǎo)致侵蝕性離子滲透系數(shù)和滲透量發(fā)生變化，同時(shí)水壓力通過(guò)裂縫直接作用于混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劈裂的作用，因此水壓力加速侵蝕性離子在混凝土試塊中的滲透，從而影響混凝土試塊承載力。圖6檢測(cè)結(jié)果示出，在不同水壓及氯鹽和硫酸鹽共同作用下，混凝土試塊 B1(0.4 MPa)和 C1(0.6 MPa)承載力相比 A1(0 MPa)降低了18.4%和25%。由此可知，水頭差越大高性能混凝土承載力下降越明顯，水頭差對(duì)高性能混凝土試塊承載力的影響比荷載作用大，隨著水頭差的提高與荷載的增加，這一差距逐漸縮小。

2.2.3 荷載、水頭差共同作用對(duì)高性能混凝土承載力的影響

當(dāng)水頭差和荷載共同作用時(shí)，荷載引起混凝土產(chǎn)生微裂縫，同時(shí)，水的劈裂作用會(huì)使混凝土試塊中的裂縫增大，水頭差會(huì)導(dǎo)致離子滲透量的變化，水頭差和荷載共同作用使得侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部的量增加，腐蝕加劇。圖6檢測(cè)結(jié)果示出，混凝土試塊 B2(0.4 MPa、60 kN)和 C2(0.6 MPa、60 kN)承載力相比 A2(0 MPa、60 kN)降低了12%和21.1%；混凝土試塊 B2(0.4 MPa、60 kN)和 B3(0.4 MPa、120 kN)承載力相比B1(0.4 MPa、0 kN)降低了6.3%和10.8%，混凝土試塊C2(0.6 MPa、60 kN)和 C3(0.6 MPa、120 kN)承載力相比C1(0.6 MPa、0 kN)降低了8.7%和17.5%。對(duì)比水頭差和荷載單獨(dú)作用的結(jié)果可知，水頭差和荷載共同作用時(shí)，高性能混凝土承載力下降程度比荷載或水頭差單獨(dú)作用時(shí)要大，侵蝕更為嚴(yán)重，同時(shí)可以看出荷載和水壓力耦合作用時(shí)的侵蝕情況更加復(fù)雜。

2.2.4 荷載、水頭差作用下氯鹽及硫酸鹽侵蝕混凝土機(jī)制分析

氯離子與硫酸根離子滲透到混凝土內(nèi)部，硫酸根離子與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成腐蝕產(chǎn)物鈣礬石，在生成過(guò)程中結(jié)合了大量的水分子，固相的絕對(duì)體積增大了數(shù)倍，其中水頭差會(huì)加大入侵腐蝕離子的量，加劇腐蝕產(chǎn)物的生成，孔隙會(huì)被不斷生成的鈣礬石填充擠壓，孔隙被填滿(mǎn)時(shí)，繼續(xù)生成的產(chǎn)物會(huì)使得孔隙產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降。氯離子與混凝土中的鋁相結(jié)合生成水化氯鋁酸鹽Friedel’s，氯離子也能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成氯化鈣。氯化鈣是膠凝材料，荷載的存在及水的劈裂作用使得混凝土微裂縫寬度變大，加劇氯離子和硫酸根離子在混凝土中的傳輸，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度比未受荷載和水頭差作用時(shí)有所下降。

2.3 受腐蝕高性能混凝土承載力模型

以水頭差為X軸、荷載為Y軸，混凝土試塊承載力為Z軸，采用專(zhuān)業(yè)繪圖軟件ORIGIN9.0擬合不同工況下受腐蝕混凝土試塊承載力三維圖形如圖7所示。受腐蝕混凝土試塊承載力值取自表3，曲面方程見(jiàn)式(2)，公式擬合度平均在95%左右。

圖7 不同工況下受腐蝕高性能混凝土試塊承載力三維曲面

Fig. 7 3D surface of compressive strength of corroded high-performance concrete specimen under different conditions

Z=1 620.50+(-444.14)X+(-3.29)Y+(-406.88)X2+0.002 4Y2+3.38XY。

(2)

式中：X為水頭差，X≥0；Y為荷載，Y≥0；Z為受腐蝕混凝土承載力。

表4受腐蝕混凝土承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

Table 4 Comparison between experimental values and calculated values of compressive strength of corroded concrete

編號(hào)水頭壓力/MPa荷載/kN試驗(yàn)值/kN計(jì)算值/kN相對(duì)誤差/%A100166416202.6A2060144514320.9A30120122512612.9B10.40135713781.3B20.460127112700.01B30.4120121111802.6C10.60124812073.3C20.660114011400C30.6120103010905

3 受腐蝕高性能混凝土微觀結(jié)構(gòu)

3.1 高性能混凝土試塊腐蝕物的XRD分析

為了進(jìn)一步解析以上宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制，對(duì)受“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”及硫酸鹽-氯鹽復(fù)合作用下高性能混凝土的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析。為了清晰、直觀比較分析各影響因素對(duì)高性能混凝土腐蝕的影響程度，選取A1(0 MPa、 0 kN)、 A3(0 MPa、 120 kN)、C1(0.6 MPa、0 kN)、C3(0.6 MPa、120 kN)4種具有代表性的工況下的試塊做XRD分析。圖8(a)—8(d)為高性能混凝土試塊A1、A3、C1、C3的粉晶 X 射線(xiàn)衍射圖，可通過(guò)對(duì)衍射圖進(jìn)行解譜，依據(jù)PDF卡對(duì)各腐蝕溶液中混凝土內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。

(a) 試塊A1

(b) 試塊A3

(c) 試塊C1

(d) 試塊C3

Fig. 8 XRD spectrums of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

1)對(duì)比圖8(a)和8(b)，并由XRD解譜結(jié)果可知： A1與A3在主相的對(duì)比上差了一個(gè)物相，即氯化鈣，化學(xué)式為CaCl2，另外相較于A1、A3中的CaCO3含量有所減少； 相較于試塊A1中CaSO4的含量，A3中CaSO4的含量有所增加。因此，可判斷硫酸鹽和氯鹽混凝土中組分發(fā)生的反應(yīng)可用以下反應(yīng)式表達(dá)：

2Cl-+Ca(OH)2=CaCl2+2OH-；

(3)

Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O 。

(4)

CaSO4的增加以及新物相CaCl2的出現(xiàn)說(shuō)明腐蝕程度的增加。與未受荷載試塊A1相比，受到外在荷載的試塊A3的腐蝕程度更大。原因在于，試塊受到荷載作用，內(nèi)部及表面會(huì)產(chǎn)生微裂縫，這些微裂縫降低了試塊抵抗侵蝕物質(zhì)的能力，因此荷載的存在加快了試塊的劣化程度。

3.2 高性能混凝土試塊腐蝕物的電鏡掃描(SEM)分析

為了進(jìn)一步了解混凝土內(nèi)部侵蝕情況，對(duì)受“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”及硫酸鹽-氯鹽復(fù)合作用下的高性能混凝土試塊進(jìn)行了電鏡掃描(SEM)分析，結(jié)果見(jiàn)圖9。

1)由圖9(a)可知：無(wú)水頭差、無(wú)荷載作用時(shí)受氯鹽和硫酸鹽侵蝕的高性能混凝土試塊水泥水化良好，大部分混凝土表面光滑，鮮有腐蝕產(chǎn)物生成，與XRD分析結(jié)果一致，說(shuō)明試塊A1未發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象。

(a) 試塊A1

(b) 試塊A3

(c) 試塊C1

(d) 試塊C3

Fig. 9 SEM charts of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

2)對(duì)比圖9(a)和圖9(b)可知，圖9(b)表面粘附許多針片狀的產(chǎn)物，說(shuō)明侵蝕程度增加。對(duì)比圖9(b)和圖9(c)可以發(fā)現(xiàn)，圖9(c)不僅粘附許多針片狀的產(chǎn)物，而且相較于圖9(b)，針片狀數(shù)量明顯增加，腐蝕產(chǎn)物明顯增多。

3)由圖9(d)可知，混凝土充滿(mǎn)針片狀的腐蝕生成物，表面幾乎看不出平整的地方，與前幾圖相比腐蝕情況最為嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物生成最多，這也與XRD分析結(jié)果相一致。結(jié)果表明，水頭差和荷載作用同時(shí)存在的情況下，水頭差作用相對(duì)于荷載作用對(duì)試塊的劣化程度有所提高，同時(shí)荷載作用相對(duì)于水頭差作用對(duì)試塊的劣化程度也有所提高，這樣2種作用同時(shí)存在會(huì)急劇加速混凝土性能的劣化。

4 結(jié)論與討論

1)荷載和水頭差單獨(dú)作用都會(huì)促進(jìn)硫酸鹽和氯鹽對(duì)高性能混凝土試塊的侵蝕，荷載作用越大效果越明顯，水頭差越大腐蝕程度越嚴(yán)重。水頭差對(duì)受腐蝕混凝土抗壓性能的影響要高于荷載，但是隨著水頭差的提高與荷載的增加，這一差距將逐漸縮小。

2)荷載和水頭差共同作用時(shí)，高性能混凝土受硫酸鹽和氯鹽侵蝕情況更加嚴(yán)重，荷載和水頭差共同作用下受腐蝕混凝土試塊承載力比荷載和水頭差單獨(dú)作用時(shí)減小得更加明顯。

3)對(duì)受腐蝕混凝土的微觀測(cè)試和分析表明，荷載和水頭差作用會(huì)加快混凝土內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的生成，降低混凝土耐久性能，水頭差對(duì)混凝土抗壓性能的影響要略高于荷載，與受腐蝕高性能混凝土試塊承載力測(cè)試分析結(jié)果一致。

4)“滲流-應(yīng)力場(chǎng)”及硫酸鹽和氯鹽復(fù)合作用下混凝土受侵蝕情況較為復(fù)雜。一方面生成物會(huì)在短期內(nèi)填充混凝土孔隙，導(dǎo)致混凝土承載力會(huì)有略微提升； 另一方面當(dāng)生成物填滿(mǎn)孔隙會(huì)膨脹致使混凝土開(kāi)裂，降低強(qiáng)度。本試驗(yàn)通過(guò)研究短期的侵蝕得到了一些有價(jià)值的結(jié)論，而多場(chǎng)耦合作用下高性能混凝土的長(zhǎng)期侵蝕還有待進(jìn)一步研究。

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