羅虎 童建軍 趙文治 李果 劉晉升 王祥 蔡延山

【摘 要】?文章選取初始養(yǎng)護(hù)溫度和硫酸鈉侵蝕天數(shù)為影響因素，設(shè)立橫向與縱向?qū)φ赵囼?yàn)組，開展12組噴射混凝土的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，試件養(yǎng)護(hù)采用高溫變溫養(yǎng)護(hù)方法。結(jié)果表明：初始養(yǎng)護(hù)溫度越高的噴射混凝土，其耐久性能越差;噴射混凝土在干濕循環(huán)過(guò)程中，其質(zhì)量先在短期內(nèi)有所增加，然后降低;經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，噴射混凝土強(qiáng)度基本呈下降趨勢(shì)，并且硫酸鹽侵蝕對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的劣化會(huì)隨著初始養(yǎng)護(hù)溫度的升高而加快。

【關(guān)鍵詞】噴射混凝土; 高溫變溫養(yǎng)護(hù); 硫酸鹽侵蝕; 力學(xué)性能; 耐久性

1 噴射混凝土硫酸鹽侵蝕研究

工程建設(shè)已由大范圍新建階段進(jìn)入使用維護(hù)階段，既有混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性分析的重要性應(yīng)該得到重視;而結(jié)構(gòu)耐久性的研究是既有結(jié)構(gòu)整體可靠性分析的重要組成部分[1]。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：與普通混凝土相比，噴射混凝土具有極短的終凝時(shí)間和高早齡期強(qiáng)度[2]。而引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的四大主因分別是硫酸根離子侵蝕、鋼筋銹蝕、堿-硅反應(yīng)和凍-融循環(huán)，這其中硫酸鹽侵蝕更應(yīng)引起高度重視，被認(rèn)為是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的最主要因素[3]。

混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕之后力學(xué)性能會(huì)有不同程度的劣化[4]，硫酸鹽侵蝕作用可以分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕[5]，是由于硫酸鹽環(huán)境中的侵蝕性離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水泥石中一些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性產(chǎn)物，導(dǎo)致混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷[6]，并分解水泥石中的重要組分，造成混凝土開裂、剝落及強(qiáng)度下降，由表及里形成損傷層，最終導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞[7]。這是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，在不同的環(huán)境下侵蝕機(jī)理也不同[8]，是長(zhǎng)期以來(lái)混凝土相關(guān)研究的主要內(nèi)容之一。

已有研究均是基于常溫環(huán)境，但近年來(lái)高巖溫特殊地質(zhì)條件下的隧道工程開始大量出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)于隧道高地?zé)釂?wèn)題開展了大量研究，成果主要集中在溫度對(duì)巖體及襯砌的力學(xué)特性影響、摻和料使用、隔熱通風(fēng)設(shè)計(jì)及施工工藝等方面[9]，本文主要探究高溫變溫條件和硫酸鹽侵蝕下對(duì)噴射混凝土的影響。高溫容易導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、支護(hù)材料力學(xué)性能及耐久降低[10]。在高巖溫隧道環(huán)境下，由于施工通風(fēng)的降溫作用，噴射混凝土在施作后會(huì)高溫到常溫的降溫過(guò)程[11]，該過(guò)程會(huì)改變噴射混凝土的力學(xué)性能。因此，本文基于高巖溫隧道施工期溫度場(chǎng)研究成果，通過(guò)高溫變溫養(yǎng)護(hù)方法，進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)，以質(zhì)量損失率、抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)來(lái)研究高溫變溫條件下噴射混凝土硫酸鹽侵蝕后力學(xué)性能的劣化情況。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)用原材料及配合比

噴射混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)與成分含量如表1所示。

2.2 試件制作

噴射混凝土試塊具體制作按照如圖1～圖4所示。包括準(zhǔn)備模板及噴射混凝土原材料、噴射混凝土、高溫變溫養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、切割成塊和編號(hào)四個(gè)主要步驟。

2.3 試件分組與編號(hào)

養(yǎng)護(hù)初始溫度分別取20 ℃、40 ℃、60 ℃，干濕循環(huán)時(shí)間分別取0天、15天、30天、60天。為了避免因試件個(gè)體實(shí)驗(yàn)誤差過(guò)大導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散問(wèn)題，并滿足破壞試驗(yàn)的試件需求，每組養(yǎng)護(hù)條件下的有效試件個(gè)數(shù)均選取為6個(gè)，抗壓試驗(yàn)與劈裂抗拉試驗(yàn)均使用3個(gè)有效試件，共計(jì)72個(gè)試件。

2.4 試件養(yǎng)護(hù)與試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)高地溫隧道施工期間噴射混凝土的溫度演化規(guī)律，本文確立了噴射混凝土的高溫變溫養(yǎng)護(hù)方法：設(shè)置試驗(yàn)組試件初始養(yǎng)護(hù)溫度T0（分別為40 ℃、60 ℃），濕度保持55 %不變，變溫養(yǎng)護(hù)試件從初始養(yǎng)護(hù)溫度T0開始等幅降溫，使溫度在5天后降至28 ℃，繼而保持28 ℃養(yǎng)護(hù)至26天;同時(shí)作為對(duì)照，一組試件在標(biāo)準(zhǔn)狀況（溫度20 ℃，濕度95 %）下恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)26天。養(yǎng)護(hù)完畢后取出試件烘干48 h并進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。

建筑設(shè)備與建筑材料羅虎， 童建軍， 趙文治， 等： 高溫變溫條件下噴射混凝土硫酸鹽侵蝕力學(xué)性能劣化試驗(yàn)

高溫變溫養(yǎng)護(hù)操作所用到的儀器為HXIHS-010L恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，如圖5所示。浸泡試塊所用試驗(yàn)盒尺寸為550 mm×410 mm×310 mm。烘干設(shè)備為XMTE-3000A電熱鼓風(fēng)數(shù)顯干燥箱，如圖6所示。

2.5 試驗(yàn)方法

硫酸鹽溶液干濕循環(huán)具體過(guò)程為：烘干后的試件進(jìn)行靜置冷卻至室溫后立即放入試驗(yàn)盒中。試件安置完畢，倒入配置好的濃度為10 %的Na2SO4溶液使溶液表面高于試塊頂面超20 mm。一個(gè)干濕循環(huán)包括兩個(gè)階段，先在10 % Na2SO4溶液中浸泡16 h，然后在80 ℃下干燥8 h。試驗(yàn)在經(jīng)歷了15，30和60個(gè)循環(huán)后分別檢測(cè)質(zhì)量損失率，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)過(guò)程中，為了使溶液濃度保持在一定水平，每15天更換一次溶液。溶液溫度始終保持在25～30 ℃范圍內(nèi)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的試驗(yàn)方法，混凝土抗壓試驗(yàn)利用CSS-WAW600DL電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)度值，見圖7（a）。

混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，測(cè)定試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度，見圖7（b）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量損失率

不同初始養(yǎng)護(hù)溫度下，質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)天數(shù)變化情況如圖8所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，噴射混凝土試塊的質(zhì)量先增加后降低。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)初期，鈣礬石等腐蝕產(chǎn)物在微裂縫中的堆積使試件密實(shí)度相對(duì)增大;而后，腐蝕產(chǎn)物大量生成及結(jié)晶作用導(dǎo)致內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大、試件微裂紋大量生成并擴(kuò)展，試件表面及邊角處砂漿及骨料開始大量剝落，導(dǎo)致噴射混凝土質(zhì)量減少[8]。同時(shí)，高溫變溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較疏松，孔隙及微裂縫較多，使得噴射混凝土在干濕循環(huán)前期質(zhì)量增加更多。 其中60 ℃養(yǎng)護(hù)的試件在循環(huán)30次后質(zhì)量大幅度下降，試件表層剝落嚴(yán)重。這表明，高溫養(yǎng)護(hù)條件下的噴射混凝土耐久性能更差。

3.2 抗壓強(qiáng)度

圖9反映了不同初始溫度和干濕循環(huán)天數(shù)對(duì)噴射混凝土抗壓性能的影響?？梢钥闯觯S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度整體上呈下降趨勢(shì)。在未進(jìn)行干濕循環(huán)之前，高溫變溫養(yǎng)護(hù)的初始溫度越高，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度越低。另外初始養(yǎng)護(hù)溫度越高，干濕循環(huán)的次數(shù)越多，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度劣化越明顯，初始養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃的噴射混凝土，干濕循環(huán)時(shí)間為60天時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為4.6 MPa。

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖10反映了不同初始溫度和干濕循環(huán)天數(shù)對(duì)噴射混凝土劈裂抗拉性能的影響。高溫變溫養(yǎng)護(hù)的初始溫度越高，噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度越低。硫酸鹽的侵蝕和干濕循環(huán)的作用，會(huì)讓噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而，經(jīng)過(guò)60 ℃高溫變溫養(yǎng)護(hù)后的噴射混凝土，前期其抗拉強(qiáng)度有所上升，后期抗拉強(qiáng)度開始下降。這是因?yàn)?，高溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土內(nèi)部孔隙較多，侵蝕產(chǎn)物會(huì)堆積在孔隙內(nèi)使其密實(shí)度增大，進(jìn)而使得其強(qiáng)度有所增大，而后期侵蝕嚴(yán)重，抗拉強(qiáng)度又急劇下降。

4 結(jié)論

（1）噴射混凝土在干濕循環(huán)過(guò)程中，其質(zhì)量先在短期內(nèi)有所增加，然后降低。高溫變溫養(yǎng)護(hù)的初始溫度越高，會(huì)使噴射混凝土隨著干濕循環(huán)，前期質(zhì)量增加越多、越快，后期下降趨勢(shì)越大、下降越多。

（2）噴射混凝土在高溫變溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，較高的初始養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)降低其抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度。

（3）經(jīng)過(guò)高溫變溫養(yǎng)護(hù)的噴射混凝土在長(zhǎng)期的干濕循環(huán)過(guò)程中，抗拉與抗壓強(qiáng)度整體是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的。并且，初始養(yǎng)護(hù)溫度越高的噴射混凝土在干濕循環(huán)后其力學(xué)性能劣化越明顯。

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