袁曉奇

(遼寧宇鑫建設(shè)有限公司，沈陽(yáng) 110000)

中國(guó)北方寒區(qū)土壤和水中的硫酸鹽含量豐富，較單一因素作用受凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕耦合作用的混凝土破壞更加嚴(yán)重，對(duì)混凝土耐久性造成極大影響[1-2]。因此，研究?jī)鋈谂c硫酸鹽侵蝕下的損傷機(jī)理具有重要的工程實(shí)際意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多研究者利用各種方法探討了混凝土耐久性受凍融-硫酸鹽耦合作用下的影響機(jī)理，如張?jiān)魄宓萚3]探究了硫酸鎂侵蝕下混凝土的抗凍性，并提出混凝土性能不同則受硫酸鹽溶液的影響不同；余紅發(fā)等[4]研究了鹽湖鹵水中不同性能混凝土的破壞機(jī)理及凍蝕性能，并指出鹵水降低冰點(diǎn)引起的正效應(yīng)與鹽結(jié)晶壓引起的負(fù)效應(yīng)決定了混凝土凍蝕破壞程度；葛勇等[5]研究了不同濃度硫酸鈉溶液中非引氣與引氣混凝土的抗凍性，在水和硫酸鹽溶液中不同強(qiáng)度的混凝土抗凍性存在明顯差異，為改善混凝土抗凍性可以摻入適量的引氣劑；慕儒[6]等研究了硫酸鈉侵蝕作用下混凝土的抗凍性，提出硫酸鈉溶液對(duì)不同水灰比的混凝土影響不同。大多數(shù)學(xué)者研究鹽凍條件下混凝土損傷時(shí)，一般選用混凝土強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量以及外觀等評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]。隨著科技的快速發(fā)展，超聲檢測(cè)逐漸得到廣泛的應(yīng)用，如張峰、張鳳杰等[8-9]對(duì)氯化鈉和硫酸鹽溶液中混凝土的損傷層厚度利用超聲法進(jìn)行檢測(cè)，為合理設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度提供借鑒；Akhras、Naffa等[10-11]研究了混凝土受凍融損傷和化學(xué)腐蝕檢測(cè)中信號(hào)能量法、高頻超聲波法的應(yīng)用。目前，針對(duì)混凝土在凍融-硫酸鹽中的損傷機(jī)理研究還鮮有報(bào)道。因此，文章探討了凍融-硫酸鹽耦合作用下混凝土損傷層厚度及其腎損傷規(guī)律，旨在為水工結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及提高混凝土耐久性提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

原材料有：①水泥：鞍山鋼都水泥廠P·O 42.5級(jí)水泥；②粉煤灰：大連國(guó)泰Ⅱ級(jí)粉煤灰；③骨料：粒徑5-15mm石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石，細(xì)度模數(shù)2.70的大凌河廣達(dá)中砂；④減水劑：大連科諾QW-4聚羧酸高效減水劑；⑤引氣劑：中鋁聚能MA高效引氣劑；⑥拌合水：自來(lái)水。試驗(yàn)配合比，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)配合比

1.2 試件制作及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)考慮同一配合比混凝土凍融損傷受不同溶液種類(lèi)及濃度的影響，H2O及質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的編號(hào)為W、M、S5、S1，試樣尺寸400mm×100mm×100mm，共4組，每組3塊。澆筑完成后室溫靜置24h拆模、編號(hào)，及時(shí)放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28d，然后取出自然條件下再養(yǎng)護(hù)60d。為保證試樣吸水飽和，在達(dá)到預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)提前5d取出，并放入配有水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的試件盒內(nèi)，將試件盒裝入快速凍融試驗(yàn)箱并開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)推薦的“快凍法”凍融試驗(yàn)；設(shè)定100、150、200、250、300、350作為凍融循環(huán)次數(shù)，混凝土損傷層厚度利用非金屬NM-4B型超聲檢測(cè)儀測(cè)定[12]。

1.3 表面損傷層厚度檢測(cè)

接受換能器按一定測(cè)距沿混凝土表面連續(xù)掃查，測(cè)點(diǎn)A處固定發(fā)射換能器T，檢測(cè)過(guò)程中及時(shí)讀取聲時(shí)值，超聲檢測(cè)原理圖，見(jiàn)圖1。

圖1 超聲檢測(cè)原理圖

換能器R、T的間距等于測(cè)距l(xiāng)0時(shí)，超聲波從未損傷層穿過(guò)損傷層經(jīng)兩次傳播達(dá)到接受換能器的時(shí)間正好等于沿?fù)p傷層直接傳播達(dá)到接受換能器，該條件下符合以下公式：

(1)

將上式進(jìn)一步轉(zhuǎn)換處理，可以利用下式計(jì)算混凝土的損傷層厚度hf(mm)，即：

(2)

式中：Vf、Va為混凝土損傷層和未損傷層中超聲波的傳播速度，km/s；l0為聲速突變時(shí)換能器間的距離，mm。根據(jù)超聲平測(cè)法檢測(cè)結(jié)果可以繪制時(shí)-距關(guān)系圖，聲速改變轉(zhuǎn)折點(diǎn)l0的前、后代表混凝土損傷及未損傷時(shí)l與t的相關(guān)直線(xiàn)，即混凝土損傷、未損傷的l與t關(guān)系可以利用回歸方法進(jìn)行求解，具體表達(dá)式為：

lf=Af+Vftf、la=Aa+Vata

(3)

式中：lf、la為轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距，mm；tf、ta為其對(duì)應(yīng)的聲時(shí)，μs；Af、Aa為回歸系數(shù)，即損傷；Vf、Va為未損傷回歸直線(xiàn)的截距與斜率。最終，可以利用下式計(jì)算聲時(shí)突變時(shí)的l0值，即：

(4)

聯(lián)合公式(3)和公式(2)可以計(jì)算損傷層厚度hf。將測(cè)點(diǎn)布置于側(cè)面平整的400mm×100mm棱柱體上，由于混凝土損傷厚度較小，為了保證測(cè)量精度選擇初始測(cè)量間距25mm，然后依次增大測(cè)距為50、75、100、150、200、250，耦合劑選用凡士林。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲平測(cè)時(shí)-距關(guān)系

對(duì)混凝土試件利用超聲平測(cè)法檢測(cè)并生成各測(cè)點(diǎn)時(shí)-距關(guān)系，受文章篇幅限制僅列出M組各測(cè)點(diǎn)的時(shí)-距曲線(xiàn)，硫酸鎂溶液中的時(shí)-距關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。混凝土內(nèi)部超聲波的傳播速率即為直線(xiàn)的斜率，其速率的變化就是斜率的變化，凍融循環(huán)初期時(shí)-距曲線(xiàn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，隨著凍融循環(huán)的增大逐漸成為交點(diǎn)明顯的兩條直線(xiàn)。

(a)凍融循環(huán)100次

(b)凍融循環(huán)150次

(c)凍融循環(huán)200次

(d)凍融循環(huán)250次

(e)凍融循環(huán)300次

(f)凍融循環(huán)350次

從圖2可以看出，混凝土損傷層中超聲波速(即交點(diǎn)的前半段直線(xiàn)斜率)較小，直線(xiàn)斜率隨凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增大逐漸下降；混凝土損傷層中超聲波速(即交點(diǎn)的后半段直線(xiàn)斜率)較大，兩直線(xiàn)交點(diǎn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大不斷上移，交點(diǎn)的后半段直線(xiàn)也右移。

采用公式(2)-(3)計(jì)算各參數(shù)平均值，從而反映混凝土凍融損傷受不同溶液種類(lèi)及濃度的影響，損傷層厚度hf測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 損傷層厚度hf測(cè)試結(jié)果

2.2 超聲波速變化規(guī)律

隨凍融循環(huán)次數(shù)變化混凝土損傷層、未損傷層中超聲波波速在不同溶液中的變化特征，超聲波速變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。從圖3(a)可以看出，未損傷層中的超聲波速Va隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大有所上升，這表明混凝土未損傷層的密實(shí)度相對(duì)較高。①摻入適量的粉煤灰參與二次水化，提高了內(nèi)部密實(shí)度；②未損傷混凝土內(nèi)部滲入的鹽溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、物理結(jié)晶，內(nèi)部孔隙被生成的產(chǎn)物填充，這使得混凝土的密實(shí)程度以及未損傷層中的超聲波速增大。鹽溶液對(duì)提高混凝土的密實(shí)程度隨著溶液濃度和滲透作用的增加逐漸增大，從而提高了超聲波在未損傷層中的傳播速率[13-16]。

從圖3(b)可以看出，損傷層中的超聲波速Va隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大有所下降，并且低于未損傷層中的Va，這表明混凝土損傷層的密實(shí)度相對(duì)較低，混凝土劣化加重，即聲速下降，傳播的時(shí)間變長(zhǎng)。凍融次數(shù)相同的情況下，從大到小損傷層中超聲波的傳播速率為S5>W>S1>M，即凍融條件下混凝土損傷層受不同溶液的劣化程度具有一定差異。

(a)未損傷層中超聲波速Va

(b)損傷層中超聲波速Vf

2.3 超聲平測(cè)損傷層厚度變化

隨凍融循環(huán)次數(shù)變化不同溶液中的損傷層厚度，損傷層厚度hf變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，混凝土損傷層厚度hf總體呈線(xiàn)性上升趨勢(shì)，凍融次數(shù)相同情況下從小到大損傷層厚度排列為S5

受凍融-硫酸鹽耦合作用的混凝土損傷程度可以利用損傷層厚度來(lái)衡量，損傷層密實(shí)度和超聲波速隨凍融次數(shù)的增大逐漸下降，混凝土的損傷層厚度及其損傷程度不斷增加。凍融次數(shù)相同的條件下，不同溶液引起的損傷程度存在明顯差異，這是由于硫酸鹽既有促進(jìn)又有抑制凍融破壞的功能。一方面，硫酸鹽溶液的存在能夠提高并的可壓縮性，使得孔隙水冰點(diǎn)下降，抑制了凍融破壞；另一方面，硫酸鹽溶液提高了內(nèi)部飽水程度，即增大了混凝土的冰水含量和凍脹力，此外混凝土內(nèi)部滲入的硫酸鹽會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、物理結(jié)晶生成無(wú)膠凝性或膨脹性產(chǎn)物，在一定程度上促進(jìn)了凍融破壞。因此，上述兩方面作用的疊加最終決定了混凝土凍融破壞程度，即硫酸鹽溶液促進(jìn)凍融破壞的作用>抑制作用時(shí)則表現(xiàn)為促進(jìn)破壞，反之則為抑制破壞。

圖4 損傷層厚度hf變化曲線(xiàn)

混凝土凍融破壞受不同種類(lèi)及濃度的鹽溶液影響不同，硫酸鈉的促進(jìn)作用隨硫酸鈉濃度的升高轉(zhuǎn)變成抑制作用，硫酸鎂的雙重腐蝕作用使得其促進(jìn)凍融破壞的作用最大，即混凝土內(nèi)部滲入的硫酸鎂溶液與C-S-H反應(yīng)生成M-S-H，而這種產(chǎn)物的膠結(jié)能力極低，因此其促進(jìn)凍融破壞的作用最為顯著。

3 結(jié) 論

1)混凝土受凍融-硫酸鹽耦合作用的損傷程度可以利用損傷層厚度來(lái)衡量。凍融循環(huán)與不同溶液耦合作用下，超聲波在損傷層中的傳播速率存在一定差異，并且未損傷層中的波速高于損傷層?；炷翐p傷層密實(shí)度和超聲波速隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大逐漸下降，混凝土的損傷層厚度及其損傷程度不斷增加。

2)凍融次數(shù)相同的條件下，不同溶液引起的損傷程度具有明顯差異，這是由于硫酸鹽既有促進(jìn)又有抑制的雙重作用；濃度較低時(shí)硫酸鈉發(fā)揮促進(jìn)作用而濃度較高時(shí)發(fā)揮抑制作用，硫酸鎂的雙重腐蝕作用使得其促進(jìn)凍融破壞最為顯著。