寇佳亮， 楊 順， 趙嘉偉， 王 棟， 張 晶， 周 恒

(1 西安理工大學土木建筑工程學院， 西安 710048； 2 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048； 3 陜西省西咸新區(qū)建設工程質量安全監(jiān)督站， 西安 712000; 4 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 西安 710065)

0 引言

對建筑物而言，其正常使用壽命周期主要取決于混凝土和鋼筋的性能，而混凝土材料的性能決定了混凝土內部鋼筋的工作環(huán)境進而影響建筑物的正常工作性能，氯鹽對鋼筋的銹蝕作用、硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用是導致混凝土結構提前失效的主要原因。

Shekarchi M等[1]在海洋環(huán)境中進行了長達10年的鋼筋混凝土試件暴露試驗，研究在海潮區(qū)混凝土氯離子擴散規(guī)律、鋼筋銹蝕規(guī)律以及混凝土強度損失等。Cheewaket等[2]進行了硅灰混凝土在潮汐區(qū)的試驗研究，測試氯離子擴散系數，得出當硅灰摻量為7.5%時，可有效降低混凝土的氯離子擴散系數。在國內，金祖權等[3-4]通過研究混凝土在硫酸鹽-氯鹽環(huán)境下的損傷失效，得出復合溶液中的氯鹽的存在顯著減緩了硫酸鹽侵蝕破壞的程度和速度，并建立了考慮氯鹽、硫酸鹽濃度的混凝土損傷演化方程。梁詠寧等[5]測試了不同腐蝕環(huán)境中混凝土的抗壓、抗折強度隨浸泡時間的變化規(guī)律，得出結論，氯鹽存在可延緩混凝土硫酸鹽損傷進程。姜磊等[6]建立了硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)作用下混凝土單軸受壓應力-應變全曲線方程，并得到了損傷層混凝土應力-應變方程的確定方法。杜修力等[7]總結了荷載對氯離子在混凝土中擴散的影響。陳達等[8]研究硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕對水泥基材料力學性能的影響，根據試驗結果，建立了硫酸鹽侵蝕水泥基材料的彈塑性-化學損傷本構模型。肖前慧等[9]通過分析不同凍融循環(huán)次數的抗壓強度，建立了混凝土抗壓強度指數衰減規(guī)律和壽命預測模型。談亞文等[10]以不同摻量聚乙烯纖維的硫酸鹽長期浸泡和干濕循環(huán)試驗為基礎，研究了腐蝕前后的彎曲韌性和最佳纖維摻量的問題。

目前針對HDC試件在氯鹽和硫酸鹽復合侵蝕環(huán)境中耐久性研究尚屬空白。為進一步研究長期處于鹵水環(huán)境中HDC試件的耐久性能，本課題組通過不同濃度鹵水-長期浸泡試驗，研究不同濃度鹵水溶液下長期浸泡對HDC試件的影響，包括表觀特征及其基本力學性能，為實際工程中HDC的使用提供工程設計經驗和研究依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料及配合比

鹵水浸泡-長期浸泡試驗所用水泥選用銅川某公司生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，細骨料為最大粒徑1.18mm的灞河精細河砂，粉煤灰為大唐某發(fā)電廠一級粉煤灰，減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為22%。PVA型號為日本KURARAYK-II，體積摻量2.0%。配合比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶纖維∶減水劑=1∶1∶0.72∶0.58∶0.043∶0.03。

1.2 試件設計與制作

本次試驗所用試件72組，共216塊，每組3塊，試件尺寸為40×40×160，采用三聯(lián)模制作，見圖1。同時選用該抗折試件尺寸測得抗折強度和抗壓強度。

圖1 HDC試件

1.3 試驗方案

本次鹵水侵蝕-長期浸泡試驗采用6種不同濃度的Cl-，SO42-侵蝕溶液，溶液中主要侵蝕性離子為Cl-，SO42-。各溶液中含有的主要離子含量見表1。試塊制作完成并在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護90d后，進行長期浸泡試驗。在試塊浸泡至預定齡期(28，60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360d)后，進行表觀現(xiàn)象觀察，稱重，測試其抗折、抗壓強度。

溶液中離子含量 表1

1.4 試驗設備

本次試驗所用容器為6個40L塑料收納箱，配置溶液時先向箱中倒入15L水，再倒入對應的試劑，充分攪拌使溶劑溶解后，靜置1d，確定溶液中無結晶現(xiàn)象后，將養(yǎng)護到期的試件立向置于溶液中，見圖2。為了保持溶液濃度不變，每隔2d測定溶液濃度，及時補充試劑，而且每隔1個月將溶液徹底更換1次。在12個測試周期，采用圖3所示WAW-1000C萬能材料試驗機上進行抗折強度、抗壓強度試驗，進行觀察并記錄。

圖2 浸泡階段

圖3 WAW-1000C萬能試驗機

2 試驗結果及分析

HDC試件在溶液1～6中浸泡360d后分別見圖4。本次浸泡所采用的侵蝕溶液前三種為氯鹽侵蝕，后三種為鹵水侵蝕。兩類溶液的侵蝕效果具有較明顯的差異，其中在濃度為5%氯鹽侵蝕條件下，試件表面基本無明顯變化，見圖4(a)；在濃度為10%，15%氯鹽侵蝕條件下，試件結晶現(xiàn)象明顯，且結晶物質多為顆粒狀，但除結晶外無其他侵蝕特征，見圖4(b)，(c)；不同于氯鹽下的侵蝕，鹵水侵蝕下試件在本次試驗的三種濃度溶液下均表現(xiàn)出了明顯的侵蝕特征，見圖4(d)～(f)，表面結晶明顯且呈塊狀形態(tài)，但試件表面及邊角仍無基體脫落現(xiàn)象，達到360d的浸泡周期時，仍具有良好的完整性，說明HDC試件在鹵水溶液的浸泡侵蝕作用下具有一定的抵抗能力。

圖4 HDC試件侵蝕后狀態(tài)

綜合6種溶液侵蝕下的表觀特征進行觀察分析，當溶液中Cl-濃度大于10%時，表面的侵蝕特征才較為明顯。當溶液中SO42-濃度較高時，試件表面的結晶物質主要為片狀鈣礬石，試件在浸泡180d后棱角部位出現(xiàn)微裂縫，同時由于鈣礬石附著在試件表面，減緩了試件的整體損傷程度。當溶液中Cl-濃度高時，試件表面的結晶主要為針狀的透明結晶物質。

綜上所述，在長期浸泡過程中，硫酸鹽對HDC的侵蝕效果要比氯鹽侵蝕嚴重，當溶液中SO42-濃度一定時，隨著溶液中Cl-濃度的增加，表面侵蝕特征越不明顯。

2.1 質量變化分析

對6種溶液下的試件在達到預定浸泡周期(28，60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360d)時進行相應齡期的質量稱重、強度測試及觀察表觀現(xiàn)象，抗折試件(40×40×160)質量結果詳見表2～4，表中m0為試件試驗前質量，m1為試件達到預定浸泡周期時的質量，質量變化率曲線見圖5。從圖5可以看出，在6種溶液下進行長期浸泡的試件在浸泡30d后質量均減小，隨著浸泡周期的延長，試件在溶液4、溶液6中質量呈先下降后上升的趨勢，而試件在溶液1、溶液2、溶液3、溶液5中，質量均保持穩(wěn)定增長。試件在溶液1～3中質量分別增長了2.77%，2.86%，2.9%。質量增長為溶液3>溶液2>溶液1。溶液1、溶液2、溶液3均為單一氯鹽溶液。由此看出，氯鹽濃度越高，試件后期的質量增長越大。分析其原因，溶液中離子濃度越高，與混凝土內部的濃度差越大，加速了氯離子的滲透作用；大量的氯離子進入混凝土內部與水化產物生產南極石(六水氯化鈣H12CaCl2O6)，填充了內部的孔隙，相應地增加了試件的密實性，同時減少了混凝土材料脫落的路徑，因此導致試件質量上的增加。試件在溶液4～6中質量分別增長了3.35%，3.33%，3.34%。溶液4～6中同時存在氯鹽和硫酸鹽，對比溶液4與溶液5發(fā)現(xiàn)，當Cl-濃度一定時，SO42-濃度越高，對試件侵蝕后的質量變化率影響越大。對比溶液4和溶液6，發(fā)現(xiàn)在300d浸泡周期內，溶液4中試件質量增長比溶液6要高，說明氯鹽對硫酸鹽侵蝕具有抑制作用。

溶液1、溶液2中HDC試件質量/g 表2

溶液3、溶液4中HDC試件質量/g 表3

圖5 質量變化率

溶液5、溶液6中HDC試件質量/g 表4

綜上所述，在長期浸泡過程中，硫酸鹽對HDC的侵蝕效果要比氯鹽侵蝕嚴重，當溶液中SO42-濃度一定時，隨著氯鹽含量的增加，表面侵蝕特征越明顯。

2.2 強度變化分析

在6種溶液浸泡下的HDC試件在達到預定浸泡周期時，對其進行抗折、抗壓強度測試，試驗結果見表5。試件在6種溶液下試件的抗折、抗壓強度隨浸泡周期的耐蝕系數變化趨勢圖見圖6，7。由圖表可知，試件在6種不同侵蝕離子濃度溶液下經過浸泡后，隨著浸泡周期的增長，其抗折強度及抗壓強度耐蝕系數變化趨勢基本相似，在浸泡初期有小幅增長，隨后出現(xiàn)大幅降低。

2.2.1 抗折強度耐蝕系數

由圖6可知，溶液1～3和溶液4～6中的試件在浸泡初期變化趨勢相反：溶液1～3中試件的抗折強度耐蝕系數出現(xiàn)小幅增大，且在浸泡90d時，抗折強度耐蝕系數基本大于1，說明在浸泡前期，HDC試件的強度仍在繼續(xù)增長；在浸泡240d內時，溶液2中試件的強度要高于溶液1中的試件，說明離子濃度在一定范圍內，其抗折強度耐蝕系數與離子濃度成正比；當浸泡超過240d時，溶液1中試件的抗折強度耐蝕系數開始大于溶液2中的試件。溶液3中試件的抗折強度要小于溶液1、溶液2中的試件，說明當Cl-離子濃度超過10%時，其抗折強度耐蝕系數隨浸泡周期逐漸降低；當浸泡至360d時，溶液1～3的抗折強度耐蝕系數分別為0.880，0.849，0.826；溶液4～6在浸泡至90d時才開始出先下降，隨后

圖6 抗折強度耐蝕系數

溶液1～6中HDC試件抗折、抗壓強度試驗強度值 表5

抗折強度耐蝕系數大幅度下降，通過將溶液4與溶液5、溶液4與溶液6中的試件的抗折強度耐蝕系數進行對比，發(fā)現(xiàn)當侵蝕介質中同時存在Cl-，SO42-復合作用時，SO42-濃度高的溶液比Cl-濃度高的溶液對試件強度影響大。從整體分析，HDC試件在不同溶液下經過360d浸泡后，溶液5對試件影響最大，其抗折強度耐蝕系數下降18.8%，溶液2對試件影響最小，其抗折強度耐蝕系數下降13.7%。

2.2.2 抗壓強度耐蝕系數

從圖7中可看出，試件在6種溶液中浸泡前180d時，其抗壓強度耐蝕系數較集中，變化趨勢也基本相似，前90d抗壓強度耐蝕系數出現(xiàn)小幅度增長，隨后逐漸降低，當浸泡超過180d時，各溶液中的試件抗壓強度耐蝕系數開始有明顯的區(qū)別，該系數降低程度為：溶液6>溶液5>溶液4>溶液3>溶液2>溶液1。分析原因，試件內部與溶液存在濃度差，溶液濃度越大，滲透進入試件內部的侵蝕性離子越多，一方面在試件空隙中結晶，另一方面在試件內部發(fā)生化學反應，生成難溶性的南極石和鈣礬石，對試件內部空隙產生膨脹應力，導致其強度降低，但由于高延性纖維混凝土含有纖維，能抵抗部分由于結晶和化學產物產生的膨脹應力，因此，試件的抗壓強度耐蝕系數降低較少。

圖7 抗壓強度耐蝕系數

3 混凝土抗折、抗壓強度衰減模型

3.1 抗折強度衰減模型

混凝土的抗折強度隨侵蝕時間的變化大致符合二次多項式規(guī)律，則混凝土抗折強度fzct與侵蝕時間t的關系可以表示為：

fzct=kfzc0(c+bt+at2)

(1)

式中：c，b，a，k為待定系數；t為混凝土經歷的侵蝕時間；fzct為鹵水侵蝕t天后HDC試件抗折強度；fzc0為沒有鹵水侵蝕時HDC試件的抗折強度。

本文以溶液4(5%NaCl+5%Na2SO4)的試驗條件作為標準，采用最小二乘法對鹵水侵蝕和長期浸泡共同作用360d內混凝土抗折強度試驗結果回歸分析得出：

fzct=kfzc0(0.974-5.932×10-5t-1.228×10-6t2)

(2)

設Kc為不同鹵水溶液濃度C的抗折強度修正系數，則相對抗壓強度比fzct/fzc0與鹵水侵蝕時間t的關系為：

fzct/fzc0=Kc(0.974-5.932×10-5t-1.228×10-6t2)

(3)

根據試驗結果，對不同濃度鹵水溶液下混凝土相對抗折強度分別進行以溶液4(5%NaCl+5%Na2SO4)的混凝土為標準做歸一化處理，此時C1=0.05,C2=0.05(C1為Cl-濃度，C2為SO42-濃度)，經回歸計算得出修正系數Kc與溶液濃度的關系為：

Kc=-0.032C1+0.074C2+0.999 7

(4)

根據式(2)～(4)可得出不同濃度鹵水溶液長期浸泡下HDC試件的抗折強度預測模型如下：

(5)

HDC試件在12個測試周期內的抗折強度公式計算值及與試驗實測值誤差見表6。由表6的各個浸泡周期的誤差計算結果可知，計算值比較貼合實測值，誤差均在10%以內，說明該抗折強度衰減模型能較準確地預測試驗周期范圍內的抗折強度。

3.2 抗壓強度衰減模型

混凝土的抗壓強度與抗折強度存在一定的比例關系，比例系數M=抗壓強度/抗折強度。由抗折強度及抗壓強度試驗值，計算出比例系數的平均值M0=4.38，采用式(5)HDC抗折衰減模型，則抗壓強度的計算公式為：

抗折強度計算值與誤差 表6

抗壓強度計算值與誤差 表7

(6)

HDC試件在12個測試周期內的抗壓強度公式計算值及與試驗實測值誤差見表7。從表7可看出，數值計算結果與試驗結果基本吻合，說明該強度衰減模型能較好地預測試驗周期范圍內HDC試件的抗壓強度。

4 結論

(2)HDC試件在不同溶液下經過360d浸泡后，其抗折強度及抗壓強度均降低：5%濃度的Cl-，10%濃度的SO42-鹵水溶液對HDC試件的抗折強度影響最大，其值由21.29MPa降至17.48MPa，強度降低18.8%；10%濃度的Cl-、5%濃度的SO42-鹵水溶液對HDC試件的抗壓強度影響最大，其值由95.75MPa降至81.02MPa，強度降低15.4%。

(3)對HDC試件經過侵蝕試驗后的破壞狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)兩種試驗方法下侵蝕后的試件破壞形態(tài)主要為側面豎向斜裂縫的開展及出現(xiàn)多條裂縫，且保持較大的應變，破壞后未出現(xiàn)大的貫通縫，說明HDC試件在侵蝕后仍具有一定的抑制裂縫出現(xiàn)及裂縫發(fā)展的能力，整體性良好。

(4)建立了長期浸泡作用下考慮不同溶液濃度影響的HDC試件的抗折、抗壓強度衰減規(guī)律預測模型，通過計算發(fā)現(xiàn)，計算值與試驗值誤差較小，表明

HDC試件的強度衰減模型可以為工程應用提供可靠的計算數據。