姚明博， 李鏡培

(1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

硫酸鹽廣泛存在于土壤、地下水、海水及由人類生產(chǎn)生活過程產(chǎn)生的廢水中，處于硫酸鹽環(huán)境中的水利工程、房屋建筑、交通設(shè)施、地下基礎(chǔ)工程及管線等，易產(chǎn)生硫酸鹽侵蝕問題，進而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，甚至導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)破壞.目前，針對混凝土硫酸鹽侵蝕劣化的試驗研究集中于混凝土抗硫酸鹽侵蝕問題[1-2].在混凝土材料因素方面，Shanahan等[3]、Kunther等[4]研究了水泥中硅酸三鈣含量、膠凝材料中鈣硅率對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響.另外，混凝土中外摻活性材料諸如粉煤灰、火山灰等有助于提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能[5-8].在摻量30%(質(zhì)量分數(shù))的范圍內(nèi)，鎳鐵渣粉摻量的增加有助于提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，但增強效果不及高爐礦渣粉，尤其在摻量較大的情況下[9].在混凝土配合比方面，水灰比、膠砂比等因素對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響顯著[10-11].在混凝土所處環(huán)境方面，Ouyang等[12]揭示了硫酸鹽溶液濃度對混凝土表面硬化衰減影響較大.方祥位等[13]認為提高養(yǎng)護溫度、縮短養(yǎng)護時間可以加快硫酸鹽侵蝕速度.

在混凝土硫酸鹽侵蝕劣化效應(yīng)方面，主要基于加速侵蝕試驗，通過混凝土膨脹應(yīng)力、混凝土微觀結(jié)構(gòu)、侵蝕產(chǎn)物、質(zhì)量損失、抗壓強度損失率等指標(biāo)評價混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的耐久性能.Santhanam等[14]定期監(jiān)測水泥砂漿的長度、質(zhì)量和抗壓強度，并分析鈣礬石、石膏和氫氧化鈣的相對數(shù)量以及微觀結(jié)構(gòu).Bassuoni等[15]認為納米鋁會使孔隙結(jié)構(gòu)變大，納米硅則使混凝土過于密實而導(dǎo)致混凝土承受更高的內(nèi)部結(jié)晶壓力.Müllauer等[16]通過測量硫酸鹽侵蝕薄壁水泥砂漿產(chǎn)生的應(yīng)力得出，在10～50 nm的孔隙中產(chǎn)生的鈣礬石形成了高達8 MPa的應(yīng)力，超過水泥基材料的抗拉強度而產(chǎn)生破壞.Hossain[17]通過定期測量質(zhì)量損失和極化電阻以評價混凝土的劣化.趙力等[18]和劉娟紅等[19]通過分析不同時期混凝土的抗壓強度和質(zhì)量等，評價地下復(fù)雜環(huán)境中受侵蝕混凝土的損傷與劣化性能.張敬書等[20]基于混凝土硫酸鹽侵蝕抗壓強度損失率的概念，提出抗壓強度耐蝕系數(shù)以評價混凝土的劣化規(guī)律.

通過上述研究得到的硫酸鹽環(huán)境中混凝土劣化規(guī)律以及抗硫酸鹽侵蝕性能設(shè)計、評價指標(biāo)、劣化宏微觀機理，為現(xiàn)有混凝土材料或結(jié)構(gòu)在硫酸鹽環(huán)境中的耐久性能提供分析依據(jù)和理論基礎(chǔ)，加深對現(xiàn)澆與預(yù)制混凝土硫酸鹽侵蝕破壞的認識.然而，灌注樁施工、養(yǎng)護、服役整個生命周期均處于腐蝕環(huán)境中，尤其是樁身混凝土在凝結(jié)硬化前直接與腐蝕介質(zhì)接觸，其腐蝕過程和劣化規(guī)律與預(yù)制結(jié)構(gòu)有顯著不同.因此，上述預(yù)制混凝土試驗研究所得的硫酸鹽侵蝕劣化規(guī)律用于硫酸鹽環(huán)境中混凝土灌注樁的耐久性分析與評價已不再準(zhǔn)確.

對于硫酸鹽介質(zhì)腐蝕灌注樁的研究，是基于現(xiàn)場混凝土樁體鉆心取樣的室內(nèi)抗硫酸鹽試驗[21]，并沒有反映現(xiàn)場澆筑后混凝土樁在硫酸鹽環(huán)境中的劣化規(guī)律.對于鹽漬土強腐蝕環(huán)境下的樁基混凝土強度研究[22]，采用的試驗方法也是基于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下的混凝土試件，忽略了灌注樁混凝土流塑性狀態(tài)時的抗硫酸鹽侵蝕性能.

本文針對混凝土灌注樁成型到服役階段的腐蝕特點，進行人工模擬腐蝕環(huán)境中灌注樁混凝土侵蝕試驗，考慮了灌注樁混凝土成型過程中接觸硫酸鹽侵蝕介質(zhì).同時，借鑒預(yù)制混凝土抗侵蝕試驗設(shè)計方法，分析水灰比、硫酸鹽溶液濃度對混凝土灌注樁耐久性能的影響，通過質(zhì)量變化率、抗壓強度相對值等指標(biāo)分析混凝土灌注樁劣化規(guī)律.研究混凝土灌注樁在硫酸鹽侵蝕介質(zhì)中的腐蝕效應(yīng)，有助于評價硫酸鹽侵蝕灌注樁耐久性能及預(yù)測其剩余壽命，為混凝土灌注樁的修復(fù)決策提供理論依據(jù)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值.

1 試驗概況

1.1 試驗材料與配合比

試驗用水泥為江蘇太倉生產(chǎn)的海螺牌32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥；粗骨料為碎石，最大粒徑為16 mm；細骨料為河砂，細度模量為2.6.根據(jù)《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》[23]規(guī)定，養(yǎng)護用水和拌合用水的指標(biāo)相同，素混凝土拌合用水水質(zhì)要求為：水中氯離子質(zhì)量濃度不超過3 500 mg·L-1，水中硫酸根離子質(zhì)量濃度不超過2 700 mg·L-1.通過離子選擇電極法對上海(實驗室)自來水中的氯離子質(zhì)量濃度進行測定，質(zhì)量濃度為33 mg·L-1，同理水中硫酸鹽質(zhì)量濃度通過濁度法測試，質(zhì)量濃度為41 mg·L-1，符合混凝土拌合用水及養(yǎng)護用水要求，因此本試驗中混凝土試件的拌合、養(yǎng)護和浸泡用水均可直接采用本地自來水.硫酸鹽為滬試牌無水硫酸鈉，為分析純級，由國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn).不同水灰比下混凝土配合比如表1所示.

表1 不同水灰比下混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete at different water-cement ratios

1.2 試驗方案

ASTM C1012/C1012M-12和我國《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》中均規(guī)定，受侵蝕混凝土水灰比為0.485，并且混凝土經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護[24-25].張敬書等[20]進行的硫酸鹽侵蝕試驗研究中，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的混凝土的水灰比采用0.40、0.50、0.55.將預(yù)制混凝土硫酸鹽侵蝕試驗的水灰比設(shè)計作為本試驗的間接參考依據(jù)，考慮水灰比對硫酸鹽擴散侵蝕的影響，取水灰比為0.400、0.485、0.550.

在國內(nèi)外規(guī)范中，對腐蝕溶液均建議采用質(zhì)量分數(shù)5%的硫酸鈉溶液[24-25].方祥位等[13]研究硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)對混凝土硫酸鹽侵蝕速率的影響時，腐蝕溶液采用了質(zhì)量分數(shù)2.5%、5.0%、15.0%和飽和硫酸鈉溶液.在混凝土干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕試驗中，腐蝕溶液采用的是質(zhì)量分數(shù)10%的硫酸鈉溶液[26-27]，也有采用質(zhì)量分數(shù)5%的硫酸鈉溶液[28].因此，本試驗中硫酸鈉質(zhì)量分數(shù)分別取5%、10%、15%，以研究不同質(zhì)量分數(shù)硫酸鹽溶液對混凝土侵蝕的影響.

根據(jù)灌注樁的幾何特點，試件的尺寸采用圓柱體試件Φ100 mm×200 mm.對于預(yù)制混凝土試件，將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室24 h后脫模，脫模后置于養(yǎng)護室(溫度(20±2) ℃，濕度95%)中28 d；對于現(xiàn)澆混凝土試件，直接置于常溫室內(nèi)24 h后脫模，脫模后置于硫酸鹽溶液中.

硫酸鹽進入及新產(chǎn)物生成、混凝土損傷使混凝土的質(zhì)量和抗壓強度發(fā)生變化，因此混凝土質(zhì)量變化率與抗壓強度損失率是評價混凝土受侵蝕損傷的2個常用指標(biāo)[14, 29-31].將混凝土試件分別經(jīng)過4個侵蝕齡期(30、90、180、270 d)后取出，擦干試件表面水分，放入105 ℃烘箱中干燥24 h，然后進行質(zhì)量和抗壓強度測試.混凝土試件抗壓強度試驗按照普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[32]進行，加載前測量試件2個垂直方向的直徑以及2個直徑端部的4個高度.當(dāng)試件上表面與上承壓板接觸均衡時，采用150 kN·min-1的加載速度；當(dāng)試件接近破壞、開始迅速變形時，記錄破壞荷載.經(jīng)測量，待測混凝土試件直徑和高度的尺寸公差不超過1 mm，滿足規(guī)范[32]要求.抗壓強度值按照普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[32]進行計算，計算結(jié)果精確到0.1 MPa.

采用精度為0.1 g、量程為7.5 kg的APTP457A型電子天平對試件稱量.試件抗壓強度測試采用YE-1850型液壓式壓力試驗機，量程為2 000 kN.試件幾何尺寸采用游標(biāo)卡尺測量，量程為300 mm，分度值為0.02 mm.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量變化規(guī)律

現(xiàn)澆混凝土試件經(jīng)過硫酸鹽溶液270 d的腐蝕，其外觀經(jīng)歷從完整到輕微剝落，直至整個侵蝕面剝蝕的一系列損傷變化，同時伴隨著質(zhì)量的改變.因此，可采用質(zhì)量變化率對混凝土試件侵蝕過程進行量化分析，當(dāng)損失率達到5%及以上時，依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[33]判定為損傷失效.混凝土試件質(zhì)量變化率按下式進行計算：

(1)

式中：Δm為一定侵蝕齡期混凝土試件質(zhì)量變化率，%；m0為同批未腐蝕3個混凝土試件質(zhì)量平均值，g；mt為腐蝕后任一齡期的混凝土試件質(zhì)量，g.Δm為正時，表示質(zhì)量增加；Δm為負時，表示質(zhì)量損失.

2.1.1溶液質(zhì)量分數(shù)

圖1為水灰比0.400時，不同硫酸鹽溶液質(zhì)量分數(shù)下，現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土試件的質(zhì)量變化率曲線.從圖1可以看出，腐蝕前期混凝土試件質(zhì)量總體呈增長趨勢，現(xiàn)澆混凝土試件質(zhì)量的最大增長幅度為2.05%，預(yù)制混凝土試件質(zhì)量的最大增長幅度為3.02%.在侵蝕齡期180 d后，質(zhì)量分數(shù)為5%和15%硫酸鹽溶液中混凝土試件質(zhì)量開始呈現(xiàn)不同幅度的下降.當(dāng)硫酸鹽溶液質(zhì)量分數(shù)為5%時，現(xiàn)澆混凝土試件的質(zhì)量變化率從峰值1.74%下降至0.91%，預(yù)制混凝土試件的質(zhì)量變化率從峰值3.02%下降至1.40%，這表明混凝土試件質(zhì)量已從增長趨勢變?yōu)橄陆第厔?對于質(zhì)量分數(shù)為15%硫酸鹽溶液中的現(xiàn)澆混凝土試件，侵蝕齡期為270 d時，質(zhì)量變化率為-0.68%，出現(xiàn)了質(zhì)量損失，劣化最嚴重.在腐蝕前期，進入混凝土的硫酸鹽與混凝土水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，從而填充混凝土孔隙，使混凝土更加致密，質(zhì)量增加；隨著侵蝕產(chǎn)物增多，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋，加劇了硫酸鹽的侵入，裂紋拓展致使混凝土剝落，進而引起質(zhì)量損失.現(xiàn)澆混凝土試件直接置于硫酸鹽侵蝕環(huán)境，未經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，抗拉強度未完全形成，導(dǎo)致抗開裂能力較弱.由此可知，預(yù)制混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土試件.

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制圖1 硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)對混凝土試件質(zhì)量變化率的影響Fig.1 Effect of sulfate mass fraction on mass change rate of concrete specimen

從圖1還可以看出，不論現(xiàn)澆混凝土試件還是預(yù)制混凝土試件，并沒有完全遵循硫酸鹽溶液質(zhì)量分數(shù)越高，混凝土質(zhì)量劣化越快的規(guī)律.質(zhì)量分數(shù)10%硫酸鹽溶液中的混凝土試件還處于質(zhì)量增長的階段，即在270 d的侵蝕齡期內(nèi)，現(xiàn)澆混凝土試件和預(yù)制混凝土試件的質(zhì)量分別增加到1.36%和2.21%，比質(zhì)量分數(shù)5%、15%硫酸鹽溶液中的混凝土試件出現(xiàn)質(zhì)量損失的時間晚.

2.1.2水灰比

圖2為硫酸鹽溶液質(zhì)量分數(shù)為5%時，不同水灰比條件下，現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土試件的質(zhì)量變化率曲線.從圖2可以看出，所有混凝土試件的質(zhì)量都是呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢.圖2a中，侵蝕齡期180 d時，水灰比為0.400、0.485、0.550的混現(xiàn)澆凝土試件質(zhì)量變化率分別增加至1.7%、2.0%、1.2%；侵蝕齡期270 d時，水灰比為0.400、0.485、0.550的現(xiàn)澆混凝土試件質(zhì)量變化率分別減少了0.8%、1.3%、1.6%，尤其水灰比為0.550的混凝土試件，質(zhì)量降低幅度大于增加幅度，質(zhì)量變化率為-0.4%，出現(xiàn)了質(zhì)量損失.圖2b中，侵蝕齡期180 d時，水灰比為0.400、0.485、0.550的預(yù)制混凝土試件質(zhì)量變化率為3.0%、1.4%、2.5%；侵蝕齡期270 d時，水灰比為0.400、0.485、0.550的預(yù)制混凝土試件質(zhì)量變化率分別從峰值下降至1.4%、0.2%、0.4%，質(zhì)量變化率分別減少了1.6%、1.2%、2.1%.

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制圖2 水灰比對混凝土試件質(zhì)量變化率的影響Fig.2 Effect of water-cement ratio on mass change rate of concrete specimen

綜上所述，不論是現(xiàn)澆還是預(yù)制混凝土試件，水灰比越大，侵蝕后期出現(xiàn)的質(zhì)量變化率減少幅度越大.這一規(guī)律表明，水灰比越大，混凝土試件的抗硫酸鹽侵蝕性能越低，后期混凝土劣化速度越快，部分現(xiàn)澆混凝土試件出現(xiàn)了質(zhì)量損失.

2.2 抗壓強度變化規(guī)律

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[33]，混凝土抗硫酸鹽侵蝕的指標(biāo)為混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù).該指標(biāo)適用于干濕交替環(huán)境中，以最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示混凝土的抗硫酸鹽性能.除此之外，還有采用混凝土剩余強度比率表示混凝土在硫酸鈉溶液中的強度變化規(guī)律[34].本文研究對象為現(xiàn)澆混凝土，根據(jù)硫酸鹽侵蝕機理可知：硫酸鹽侵蝕混凝土初期，侵蝕產(chǎn)物填充混凝土孔隙，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高混凝土強度；繼續(xù)生成的侵蝕產(chǎn)物使混凝土孔隙受拉，超過混凝土抗拉強度后，混凝土出現(xiàn)開裂損傷，混凝土抗壓強度下降.現(xiàn)澆混凝土試件受硫酸鹽溶液侵蝕后抗壓強度的變化規(guī)律采用下式表征：

(2)

式中：Rc為抗壓強度相對值；fcs為各侵蝕齡期混凝土抗壓強度；fc0為水中養(yǎng)護30 d的混凝土抗壓強度.

2.2.1溶液質(zhì)量分數(shù)

圖3～5為不同水灰比時質(zhì)量分數(shù)5%、10%、15%硫酸鹽溶液中預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土試件抗壓強度相對值變化曲線.從圖3可以看出，水灰比為0.400的混凝土試件，抗壓強度相對值波動不大，先輕微增加后降低.同時，質(zhì)量分數(shù)10%的硫酸鹽溶液中現(xiàn)澆混凝土試件出現(xiàn)抗壓強度損失，損失約31%.從圖4可以看出，水灰比為0.485的混凝土試件，抗壓強度相對值波動明顯，變化趨勢為先增后減.現(xiàn)澆混凝土試件出現(xiàn)強度損失，質(zhì)量分數(shù)10%和15%的硫酸鹽溶液中現(xiàn)澆混凝土試件抗壓強度分別損失了15%和21%.從圖5可以看出，水灰比為0.550時，現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土試件均出現(xiàn)抗壓強度損失.其中，質(zhì)量分數(shù)10%硫酸鹽溶液中的預(yù)制混凝土試件強度損失最嚴重，損失率為25%.

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制

圖3硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)對混凝土試件抗壓強度相對值的影響(水灰比0.400)

Fig.3Effectofsulfatemassfractiononrelativevalueofcompressivestrengthofconcretespecimen(water-cementratio0.400)

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制圖4 硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)對混凝土試件抗壓強度相對值的 影響(水灰比0.485)

Fig.4Effectofsulfatemassfractiononrelativevalueofcompressivestrengthofconcretespecimen(water-cementratio0.485)

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制圖5 硫酸鹽質(zhì)量分數(shù)對混凝土試件抗壓強度相對值的 影響(水灰比0.550)

Fig.5Effectofsulfatemassfractiononrelativevalueofcompressivestrengthofconcretespecimen(water-cementratio0.550)

2.2.2水灰比

圖6為質(zhì)量分數(shù)5%的硫酸鹽溶液中預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土試件抗壓強度相對值隨侵蝕齡期變化曲線.從圖6a可以看出，當(dāng)水灰比為0.400時，現(xiàn)澆混凝土試件直接置于硫酸鹽溶液中，其強度發(fā)展緩慢，經(jīng)過270 d才達到水中養(yǎng)護30 d的混凝土試件抗壓強度.這是因為水灰比較小時，混凝土密實，硫酸鹽侵蝕進入混凝土內(nèi)部緩慢.當(dāng)水灰比為0.485和0.550時，混凝土試件抗壓強度相對值先增加后降低，水灰比越大，增加和降低的幅度越大，最大強度增加幅度達到了29%.現(xiàn)澆混凝土試件強度的增長，是混凝土在硫酸鹽溶液中水化和侵蝕產(chǎn)物致密雙重作用的結(jié)果.現(xiàn)澆混凝土試件成型后未經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，完全水化需要的時間比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下混凝土完全水化更長.所謂的侵蝕產(chǎn)物致密作用是指硫酸鹽進入混凝土與水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成膨脹性產(chǎn)物，初期填充混凝土孔隙，使混凝土更加密實，強度提高.后期孔隙填滿，侵蝕產(chǎn)物的持續(xù)生成使混凝土裂紋發(fā)展，從而混凝土損傷，強度下降.混凝土水灰比越大，混凝土內(nèi)部孔隙越多，更容易受到硫酸鹽的侵蝕，孔隙被侵蝕產(chǎn)物填充得也越多，抗壓強度漲幅越大；孔隙填充后，新生成的膨脹產(chǎn)物使混凝土開裂，裂紋越多，抗壓強度損失越大.當(dāng)水灰比為0.550時，在180～270 d齡期之間出現(xiàn)了強度損失，損失率為6%.

a 現(xiàn)澆

b 預(yù)制圖6 水灰比對混凝土試件抗壓強度相對值的影響 (質(zhì)量分數(shù)5%硫酸鹽溶液)

Fig.6Effectofwater-cementratioonrelativevalueofcompressivestrengthofconcretespecimen(massfraction5%sulfatesolution)

從圖6b可以看出，預(yù)制混凝土試件抗壓強度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢.30 d侵蝕齡期內(nèi)抗壓強度相對值下降是因為混凝土在侵蝕溶液中的水化程度不如水中養(yǎng)護的水化程度.后續(xù)預(yù)制混凝土試件抗壓強度的增加與降低和現(xiàn)澆混凝土試件抗壓強度變化趨勢的原理一致.同樣，水灰比為0.550時預(yù)制混凝土試件在180～270 d的侵蝕齡期內(nèi)也出現(xiàn)了強度損失，損失率為6%.由此可知，水灰比越大，混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能越低.

3 結(jié)論

(1) 混凝土試件質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢.同一侵蝕環(huán)境中，現(xiàn)澆混凝土試件先于預(yù)制混凝土試件出現(xiàn)了質(zhì)量損失.270 d的侵蝕齡期內(nèi)，水灰比為0.550的現(xiàn)澆混凝土試件的質(zhì)量變化率為-0.4%，而預(yù)制混凝土質(zhì)量變化率為正值.混凝土水灰比越大，質(zhì)量損失出現(xiàn)越早.

(2) 腐蝕過程中，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律.質(zhì)量分數(shù)10%和15%的硫酸鹽溶液中，水灰比為0.485的現(xiàn)澆混凝土試件強度分別損失了15%和21%，現(xiàn)澆混凝土先于預(yù)制混凝土出現(xiàn)強度損失.水灰比越小，強度變化幅度越小.質(zhì)量分數(shù)10%和15%的硫酸鹽溶液中混凝土試件抗壓強度損失較為嚴重.