硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度與抗壓強度的經驗本構關系

姚志明 張興軍 黎信棉

（甘肅省公路發展集團有限公司 甘肅省高等級公路養護工程研究中心，甘肅 蘭州 730000）

硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度與抗壓強度的經驗本構關系

姚志明 張興軍 黎信棉

（甘肅省公路發展集團有限公司 甘肅省高等級公路養護工程研究中心，甘肅 蘭州 730000）

回彈法現場評估混凝土的抗壓強度是目前應用最廣泛的非破損檢測方法之一，然而關于回彈法是否適用于硫酸鹽腐蝕的混凝土的研究非常少。對硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度與腐蝕齡期的關系模型化是非常有必要的。本文基于前人的工作上，建立了硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度和抗壓強度的經驗本構關系。試驗結果擬合相關性好，驗證了硫酸腐蝕混凝土的表面硬度與抗壓強度的經驗本構模型在水灰比為0．35～0．60和腐蝕齡期30～360天的條件下具有合理性。

硫酸鹽；腐蝕；混凝土；齡期；表面硬度；表面回彈值；抗壓強度

1 引 言

在現場通過測量混凝土的表面硬度從而推測混凝土的抗壓強度是目前被容易接受和廣泛應用的非破損檢測方法。由于回彈儀構造簡單,操作方法易于掌握,檢測效率高,費用低廉等優點,得到廣泛應用,體現出現場應用的優越性。

回彈儀是用肖氏硬度原理檢測材料表面硬度的儀器。1950年，厄恩斯特·施密特發明了彈簧沖擊錘，并把肖氏硬度原理應用于該裝置，檢測出的結果為回彈值，并且可以直接在裝置上讀數，使測量表面硬度的方法更容易、快捷[1-3]。Katalin Szilágyi，Adorján Borosnyói István Zsigovics[4]提出了一種現象學的本構模型（SBZ-模型），闡述了對混凝土的表面硬度與抗壓強度的經驗本構關系，同時進行試驗在水灰比范圍為0.38-0.60以及7-180天齡期的情況下測試抗壓強度和表面回彈值，試驗結果證明了該模型的可行性。

硫酸鹽對混凝土的腐蝕主要原因是硫酸根離子通過混凝土的孔隙滲透進入混凝土內部，與水泥水化產物中的某些組分發生化學反應，生成鈣礬石和石膏等膨脹性腐蝕產物，從而使混凝土表面產生退化、剝落現象[5]。張敬書、張銀華[6]研究了硫酸鹽環境下混凝土抗壓強度耐蝕系數與腐蝕齡期的關系，提出了腐蝕系數的概念描述了腐蝕的程度。Wei-yi Ouyang，陳建康[7]通過不同水灰比的混凝土試塊浸泡在3%和8%的濃度硫酸鈉溶液中，測量不同齡期的表面回彈值，建立了一個數值模型，該模型可由表面回彈值評價混凝土硫酸鹽腐蝕的損傷程度。

關于回彈法檢測混凝土強度，很多研究都只是針對正常情況下的混凝土或發生碳化的混凝土，然而對于硫酸鹽腐蝕后混凝土的表面硬度和抗壓強度的關系缺乏研究，也沒有發展統一的理論描述兩者的關系。本文基于文獻[4]和[6]，提出了硫酸鹽腐蝕后混凝土的表面硬度和抗壓強度的經驗本構關系。

2 試 驗

試驗所采用的水泥是52.5級P?Ⅱ型硅酸鹽水泥，粗骨料為5～16mm粒徑的碎石，細骨料為中砂。水灰比分別為0.35、0.4、0.5、0.55、0.6，試件采用邊長為10cm的混凝土立方體，每組3塊。試件脫模后經過28天的標準養護，然后分別浸入0%和0.5%的NaSO4溶液。試驗的腐蝕齡期為30d、90d、150d、180d、270d、360d。于每個試驗齡期分別測試試件的表面回彈值和抗壓強度。所采用的儀器分別是ZC3-A型混凝土回彈儀和SYE-2000型壓力試驗機。

3 經驗本構模型的建立

結合文獻[4]和文獻[6]，引用以下經驗公式以建立硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度和抗壓強度的經驗本構關系。

1）混凝土28天齡期的抗壓強度與水灰比的關系由式（1）表示。

其中a1＞1，a2＜0，0＜a3＜1。擬合結果見表1和圖1。

表1 式（1）擬合結果

圖1 混凝土28天齡期的抗壓強度與水灰比的關系

2）混凝土的抗壓強度隨齡期增長的變化由式（2）表示。

其中0＜a4＜1，0＜a5＜1，a4和a5與w/c有關。擬合結果見表2和圖2。

表2 式（2）擬合結果

圖2 混凝土的抗壓強度隨齡期增長的變化

3）混凝土28天齡期的抗壓強度與28天表面回彈值的關系由式（3）表示。

其中a6＞0，a7≥1。擬合結果見表3和圖3。

表3 式（3）擬合結果

圖3 混凝土28天齡期的抗壓強度與28天表面回彈值的關系

4）混凝土的碳化現象會影響表面硬度，建立表面硬度和抗壓強度的關系的時候要考慮到碳化深度。文獻[4]指出碳化深度會隨著齡期的增長而增長，碳化深度可根據菲克定律計算。然而在硫酸鹽溶液環境下，全浸泡的混凝土試塊不會出現碳化現象，但是會出現腐蝕層。其中在混凝土試塊強化階段腐蝕層為膨脹密實區；在劣化階段，腐蝕層為裂縫發展區和膨脹密實區并存[6]。根據文獻[6]，抗壓強度耐蝕系數與腐蝕齡期的關系式為式（4）和（5），擬合結果見表4和圖4。

圖4 抗壓強度耐蝕系數與腐蝕齡期的關系

表4 式（4）和式（5）擬合結果

其中k為硫酸鹽腐蝕環境下混凝土強化階段抗壓強度損失率影響系數，B為硫酸鹽腐蝕環境下混凝土的腐蝕系數，表示硫酸鹽溶液對混凝土試塊的腐蝕程度和速度；α、β為擬合參數物理意義，為硫酸鹽腐蝕環境下混凝土劣化階段抗壓強度損失率影響系數。硫酸鹽腐蝕混凝土的抗壓強度和腐蝕齡期可由式（6）和（7）表示。

文獻[8]根據腐蝕介質的滲透規律，并通過菲克定律計算得到硫酸鹽滲透后混凝土的腐蝕層厚度x按式（8）計算。

其中，D為硫酸鹽擴散系數，c為硫酸鹽溶液的濃度，N為單位體積混凝土吸收結合硫酸鹽的數量。文獻[6]中，腐蝕系數B按式（9）計算。

其中d為混凝土試塊的邊長。把式（9）代入式（8）得式（10）。

計算腐蝕層厚度x的時候，將劣化階段的B代入式（10）計算時與實際情況相比更合理，因此B只與腐蝕環境和混凝土的水灰比有關。在整個腐蝕齡期內，都用劣化階段的B計算腐蝕層厚度。

5）硫酸鹽腐蝕后強化階段的混凝土的表面硬度會增強，劣化階段則由于裂縫的存在而減弱。用腐蝕層厚度取代碳化層厚度，則根據文獻[4]，回彈值與腐蝕層厚度的關系式由式（11）表示。

混凝土強化階段腐蝕層與碳化層對混凝土表面硬度的影響類似，所以強化階段時a8＜0，a9＞0；劣化階段時，腐蝕層厚度增大，表面裂縫增多，延伸到混凝土內部越深，表面硬度減少，所以a8＜0，a9＜0。擬合結果見表5和圖5。

圖5 表面回彈值與腐蝕齡期的關系

式（6）、（7）和（11）表示，在相同水灰比的情況下，硫酸鹽腐蝕混凝土的抗壓強度和表面回彈值R(t )都與腐蝕齡期t有關系，所以可建立

表5 式（11）擬合結果

圖6 (t )和R(t )的關系

由此可見，硫酸鹽腐蝕混凝土無論是強化階段還是劣化階段，都有較好的擬合相關性。相同腐蝕條件下，硫酸鹽腐蝕混凝土的抗壓強度與腐蝕齡期和混凝土的水灰比有關。相同水灰比的情況下，抗壓強度隨著腐蝕齡期的遞增而遞增。然而，不同的腐蝕溶液濃度和水泥種類以及用摻和料替代水泥的量都會影響該本構關系，有待日后進一步研究。

4 結 語

1）回彈法現場評估混凝土的抗壓強度是目前應用最廣泛的非破損檢測方法之一，同樣適用于硫酸鹽腐蝕的混凝土。對硫酸鹽腐蝕混凝土的表面硬度與腐蝕齡期的關系模型化是非常有必要的。

2）硫酸鹽腐蝕混凝土的經驗本構模型是基于文獻[4]的混凝土抗壓強度與表面回彈值的經驗本構關系和文獻[6]硫酸鹽腐蝕混凝土抗壓強度耐蝕系數與腐蝕齡期的關系組合而成的。

3）本次試驗結果驗證了硫酸腐蝕混凝土的表面硬度與抗壓強度的經驗本構模型在水灰比為0.35～0.6和腐蝕齡期30～360天的條件下具有合理性。

[1]Schmidt E．Rebound hammer for concrete testing [J]．Schweiz Bauztg 1950;68(28):378-9．

[2]Shore AT．Property of Hardness in Metals and Materials．Proceedings ASTM 1911;11:733-9．

[3]Schmidt E．Quality control of concrete by rebound hammer testing (Versuchemit dem neuen Beton-Prüfhammer zur Qualit?tsbestimmung des Betons)．Schweiz Arch angew Wiss Tech May 1951;17:139-43．

[4]Katalin Szilágyi, Adorján Borosnyói,István Zsigovics．Rebound surface hardness of concrete:Introduction of an empirical constitutive model[J]．Construction and Building Materials,2011,25:2480–2487．

[5]杜健民,梁詠寧,張風杰．地下結構混凝土硫酸鹽腐蝕機理及性能退化[M]．北京:中國鐵道出版社,2011:11-12．

[6]張敬書,張銀華,馮立平等．硫酸鹽環境下混凝土抗壓強度耐蝕系數研究[J]．建筑材料學報,2014,17(03):369-377．

[7]Wei-yi Ouyang,Jian-kang Chen．Evolution of surface hardness of concrete under sulfate attack [J]．Construction and Building Materials,2014,53:419–424．

[8]曹雙寅．受腐蝕混凝土的力學性能[J]．東南大學學報,1991,21(4):89-95．

The empirical constitutive relation between rebound surface hardness of concrete corroded by sulfate and compressive strength

Rebound testing is one of the most widespread NDT methods for in situ strength estimation of concrete structures nowadays．However,studies on whether rebound method is available in concrete corroded by sulfate are very few．It is greatly necessary to model the rebound surface hardness of concrete corroded by sulfate as a time dependent material property．Based on previous researchers,the empirical constitutive relation between rebound surface hardness of concrete under sulfate condition and compressive strength was established．A good fitting correlation was revealed by experimental results which clearly verified its rationality for a wide range of water–cement ratios (w/c = 0．35–0．60) and ages of concrete under sulfate condition at testing (30–360 days)．

sulfate；corrosion；concrete；age；rebound surface hardness；rebound value；compressive strength

TU528．33

B 文章標號：1003-8965（2017）03-0012-04