受“滲流-應力場”及作用后高性能混凝土性能研究

尹蓉蓉， 劉 宇， 吳 慶

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院， 江蘇 鎮江 212003)

0 引言

在地下工程中，混凝土結構(如盾構隧道管片)往往會處在很復雜的侵蝕環境之中[1-3]，除了承受地層壓力外，在水系發達的地區還要承受地下水的滲透作用[4-8]，當地下水中含有腐蝕介質時，還會受到這些腐蝕介質的侵蝕作用。如西北鹽湖地區、東部沿海等地的地下水中含有大量的氯離子與硫酸根等侵蝕性離子[9-11]，這些地區的地下混凝土結構會受到“滲流-應力場”及侵蝕性離子共同作用。地下混凝土結構受到荷載、水壓力及侵蝕性離子共同作用時，荷載會使混凝土出現微裂縫； 水壓力對混凝土產生的劈裂作用不僅會產生裂縫，而且會使裂縫連通并擴大； 荷載與水壓力的共同作用為侵蝕性離子的滲透提供通道，相同時間內混凝土與更多的氯離子和硫酸根離子接觸發生反應，加速混凝土的腐蝕，嚴重影響混凝土的耐久性。

盾構隧道管片通常采用高性能混凝土制造[12]，高性能混凝土水膠比低， 拌合物流動性大、黏聚性好，混凝土均勻，因此混凝土的孔隙率、孔徑小，混凝土密實，減少了腐蝕性物質的傳輸通道，同時其本身承載力也高于普通混凝土，因此，高性能混凝土抗侵蝕性優于普通混凝土[13]。目前，方萬里[14]研究了氯鹽對高性能混凝土的侵蝕規律，表明混凝土抗氯離子滲透性能隨齡期的延長而顯著提高，氯離子擴散系數符合指數衰減規律，其齡期系數與混凝土水膠比和礦物摻合料摻量等因素有關； 喬紅霞等[15]研究了硫酸鹽侵蝕對高性能混凝土耐久性的影響，結果顯示在干濕交替的水侵蝕和硫酸鹽侵蝕環境中，摻加復合摻和料的高性能混凝土對硫酸鹽侵蝕有較好的抵抗性能； 劉金濤[16]通過不同配比的高性能混凝土受氯鹽與硫酸鹽侵蝕試驗，得出了改良后的配比，并且得出改良過后的混凝土對于2種鹽都有很高的抗腐蝕性能； A.Konin等[17-18]通過研究高性能混凝土(45、80、100 MPa)從施加荷載到破壞時的微裂紋發展情況來探索混凝土的應力腐蝕，得到了混凝土強度與施加荷載之間的關系和腐蝕離子擴散系數與強度以及荷載之間的關系； 陳聰等[19]進行了不同性能等級混凝土(C30、C50、C70)在不同水壓、氯離子質量分數等條件下的滲透試驗，得出水頭作用均會提高不同性能混凝土各層自由氯離子的含量，對腐蝕離子的傳輸做了研究但未深入研究侵蝕后高性能混凝土的力學性能和內部微觀情況。目前已有較多對單侵蝕因素條件下高性能混凝土結構耐久性的研究，但由于問題的復雜性，對高性能混凝土受多種侵蝕因素共同作用下的耐久性研究較少； 同時由于問題的特殊性，目前缺乏對地下結構(如盾構隧道管片)在“滲流-應力場”耦合作用下受氯鹽、硫酸鹽侵蝕的耐久性問題研究。因此，為了研究地下高性能混凝土劣化的規律，為受環境腐蝕介質影響的地下結構長期安全性評估提供基礎理論和方法，有必要研究“滲流-應力場”及硫酸鹽與氯離子復合作用下高性能混凝土的性能。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，所用粗骨料為5～20 mm碎石，細骨料為中砂、天然河沙，細度模數為2.7，水為清潔的自來水，外加劑為高效減水劑。混凝土配合比與標準養護28 d混凝土立方體抗壓強度見表1。

表1 混凝土配合比及力學性能

1.2 試驗方法

本試驗所用混凝土試塊是圓臺和棱柱體的組合體，底部圓臺部分為專門定做的鋼模具，下底直徑為175 mm，上底直徑為165 mm，高150 mm；上部棱柱部分用清水模版訂制，尺寸為200 mm×200 mm×200 mm(長×寬×高)，如圖1所示。

圖1 混凝土試塊模具

持續加載裝置由鋼板和螺栓組成(見圖2)，左右兩邊為2塊260 mm×160 mm×10 mm(長×寬×厚)的鋼板，由4根10 mm螺栓連接，混凝土試塊棱柱體部分置于鋼板之間，通過螺母和螺桿施加荷載，荷載方向垂直于離子滲透方向，荷載大小通過傳感器(量程為20 t)和顯示器顯示出來，需要施加的荷載大小根據C50混凝土強度設計值23.1 N/mm和受壓面積100 mm×120 mm得出，按照上述力的20%和 40%給試塊施加外荷載，把外荷載為0 kN 作為對比分組。試塊加荷如圖3所示。

壓力水頭采用HP-4.0自動加壓混凝土抗滲儀的穩定水壓功能來實現。滲透溶液選用5%NaCl+5%Na2SO4的混合溶液，采用直接將混凝土試塊放在水箱中浸泡和使用抗滲機的方式來實現壓力水頭為0、0.4、0.6 MPa的情況，浸泡時間綜合考慮試驗周期、強度和微觀檢測的需要，擬采取浸泡25 d。試驗過程如圖4所示。

本試驗主要考慮水頭差、外荷載大小的影響，擬定9組試驗工況，如表2所示。

(a)

(b)

圖3 加載示意圖

圖4 試驗過程

對于不同的工況，可通過調節圖3和圖4所示的試驗裝置實現“滲流-應力場” 、氯鹽及硫酸鹽對混凝土試塊的作用條件，采用壓力試驗機檢測腐蝕后混凝土試塊的承載力； 將腐蝕后混凝土試塊研磨成粉末，采用XRD-6000X射線衍射儀進行 X 射線衍射分析，定量分析的樣品細度應在45 μm左右，選取θ值為20°～80°； 采用JSM-6480掃描電鏡檢測腐蝕后混凝土試塊衍射圖譜和SEM形貌，分析試塊內部的結晶狀況，觀察試塊的形貌，放大倍數為4 000倍。

表2 試驗工況

2 受腐蝕高性能混凝土承載力

2.1 受腐蝕混凝土承載力測量

將所有受腐蝕混凝土試塊進行承載力測量，混凝土試塊承載力檢測試驗見圖5，測量具體承載力值見表3。

圖5 混凝土試塊承載力檢測試驗

Table 3 Compressive strengths of concrete specimens under different conditions kN

針對實驗中每一個試塊，通過混凝土試塊壓力試驗機對同一工況下的3個平行試塊進行承載力檢測，得到原始數據p1、p2、p3，按照式(1)計算出的承載力平均值作為該工況下的混凝土試塊的承載力p。

(1)

式中：p為該工況下混凝土試塊的承載力值，kN；pi為同一工況下第i個試塊的承載力值，kN；i為同一工況下的混凝土試塊的個數，i=1，2，3。

不同工況下混凝土試塊的承載力-位移曲線如圖 6 所示。

2.2 試驗結果

2.2.1 荷載對高性能混凝土承載力的影響

混凝土試塊受到外部的荷載作用時會出現微裂縫，這些微裂縫會為侵蝕性介質在混凝土中的滲透提供通道，使外部侵蝕介質更容易進入到混凝土內部，加劇混凝土的腐蝕，降低混凝土的耐久性。圖6檢測結果示出，在不同荷載及氯鹽和硫酸鹽共同作用下，混凝土試塊 A2(60 kN)和 A3(120 kN)承載力相比 A1(0 kN)降低了13.2%和26.4%。由此可得，荷載加劇高性能混凝土腐蝕，荷載越大作用效果越明顯，原因是荷載的存在會使混凝土試塊產生更多微裂縫，促進離子滲透。

(a) 荷載0 kN、不同水壓力 (b) 荷載60 kN、不同水壓力

(c) 荷載120 kN、不同水壓力 (d) 水壓0 MPa、不同荷載

(e) 水壓0.4 MPa、不同荷載 (f) 水壓0.6 MPa、不同荷載

2.2.2 水頭差對高性能混凝土承載力的影響

水壓對試塊滲透性能影響顯著。滲流場導致侵蝕性離子滲透系數和滲透量發生變化，同時水壓力通過裂縫直接作用于混凝土結構，對混凝土內部結構產生劈裂的作用，因此水壓力加速侵蝕性離子在混凝土試塊中的滲透，從而影響混凝土試塊承載力。圖6檢測結果示出，在不同水壓及氯鹽和硫酸鹽共同作用下，混凝土試塊 B1(0.4 MPa)和 C1(0.6 MPa)承載力相比 A1(0 MPa)降低了18.4%和25%。由此可知，水頭差越大高性能混凝土承載力下降越明顯，水頭差對高性能混凝土試塊承載力的影響比荷載作用大，隨著水頭差的提高與荷載的增加，這一差距逐漸縮小。

2.2.3 荷載、水頭差共同作用對高性能混凝土承載力的影響

當水頭差和荷載共同作用時，荷載引起混凝土產生微裂縫，同時，水的劈裂作用會使混凝土試塊中的裂縫增大，水頭差會導致離子滲透量的變化，水頭差和荷載共同作用使得侵蝕性介質進入混凝土內部的量增加，腐蝕加劇。圖6檢測結果示出，混凝土試塊 B2(0.4 MPa、60 kN)和 C2(0.6 MPa、60 kN)承載力相比 A2(0 MPa、60 kN)降低了12%和21.1%；混凝土試塊 B2(0.4 MPa、60 kN)和 B3(0.4 MPa、120 kN)承載力相比B1(0.4 MPa、0 kN)降低了6.3%和10.8%，混凝土試塊C2(0.6 MPa、60 kN)和 C3(0.6 MPa、120 kN)承載力相比C1(0.6 MPa、0 kN)降低了8.7%和17.5%。對比水頭差和荷載單獨作用的結果可知，水頭差和荷載共同作用時，高性能混凝土承載力下降程度比荷載或水頭差單獨作用時要大，侵蝕更為嚴重，同時可以看出荷載和水壓力耦合作用時的侵蝕情況更加復雜。

2.2.4 荷載、水頭差作用下氯鹽及硫酸鹽侵蝕混凝土機制分析

氯離子與硫酸根離子滲透到混凝土內部，硫酸根離子與水泥的水化產物發生反應，生成腐蝕產物鈣礬石，在生成過程中結合了大量的水分子，固相的絕對體積增大了數倍，其中水頭差會加大入侵腐蝕離子的量，加劇腐蝕產物的生成，孔隙會被不斷生成的鈣礬石填充擠壓，孔隙被填滿時，繼續生成的產物會使得孔隙產生拉應力，出現裂縫導致材料強度下降。氯離子與混凝土中的鋁相結合生成水化氯鋁酸鹽Friedel’s，氯離子也能與水泥水化產物氫氧化鈣反應生成氯化鈣。氯化鈣是膠凝材料，荷載的存在及水的劈裂作用使得混凝土微裂縫寬度變大，加劇氯離子和硫酸根離子在混凝土中的傳輸，導致混凝土強度比未受荷載和水頭差作用時有所下降。

2.3 受腐蝕高性能混凝土承載力模型

以水頭差為X軸、荷載為Y軸，混凝土試塊承載力為Z軸，采用專業繪圖軟件ORIGIN9.0擬合不同工況下受腐蝕混凝土試塊承載力三維圖形如圖7所示。受腐蝕混凝土試塊承載力值取自表3，曲面方程見式(2)，公式擬合度平均在95%左右。

圖7 不同工況下受腐蝕高性能混凝土試塊承載力三維曲面

Fig. 7 3D surface of compressive strength of corroded high-performance concrete specimen under different conditions

Z=1 620.50+(-444.14)X+(-3.29)Y+(-406.88)X2+0.002 4Y2+3.38XY。

(2)

式中：X為水頭差，X≥0；Y為荷載，Y≥0；Z為受腐蝕混凝土承載力。

表4受腐蝕混凝土承載力試驗值與計算值比較

Table 4 Comparison between experimental values and calculated values of compressive strength of corroded concrete

編號水頭壓力/MPa荷載/kN試驗值/kN計算值/kN相對誤差/%A100166416202.6A2060144514320.9A30120122512612.9B10.40135713781.3B20.460127112700.01B30.4120121111802.6C10.60124812073.3C20.660114011400C30.6120103010905

3 受腐蝕高性能混凝土微觀結構

3.1 高性能混凝土試塊腐蝕物的XRD分析

為了進一步解析以上宏觀現象產生的機制，對受“滲流-應力場”及硫酸鹽-氯鹽復合作用下高性能混凝土的腐蝕產物進行了XRD分析。為了清晰、直觀比較分析各影響因素對高性能混凝土腐蝕的影響程度，選取A1(0 MPa、 0 kN)、 A3(0 MPa、 120 kN)、C1(0.6 MPa、0 kN)、C3(0.6 MPa、120 kN)4種具有代表性的工況下的試塊做XRD分析。圖8(a)—8(d)為高性能混凝土試塊A1、A3、C1、C3的粉晶 X 射線衍射圖，可通過對衍射圖進行解譜，依據PDF卡對各腐蝕溶液中混凝土內部的腐蝕產物進行分析。

(a) 試塊A1

(b) 試塊A3

(c) 試塊C1

(d) 試塊C3

Fig. 8 XRD spectrums of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

1)對比圖8(a)和8(b)，并由XRD解譜結果可知： A1與A3在主相的對比上差了一個物相，即氯化鈣，化學式為CaCl2，另外相較于A1、A3中的CaCO3含量有所減少； 相較于試塊A1中CaSO4的含量，A3中CaSO4的含量有所增加。因此，可判斷硫酸鹽和氯鹽混凝土中組分發生的反應可用以下反應式表達：

2Cl-+Ca(OH)2=CaCl2+2OH-；

(3)

Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O 。

(4)

CaSO4的增加以及新物相CaCl2的出現說明腐蝕程度的增加。與未受荷載試塊A1相比，受到外在荷載的試塊A3的腐蝕程度更大。原因在于，試塊受到荷載作用，內部及表面會產生微裂縫，這些微裂縫降低了試塊抵抗侵蝕物質的能力，因此荷載的存在加快了試塊的劣化程度。

3.2 高性能混凝土試塊腐蝕物的電鏡掃描(SEM)分析

為了進一步了解混凝土內部侵蝕情況，對受“滲流-應力場”及硫酸鹽-氯鹽復合作用下的高性能混凝土試塊進行了電鏡掃描(SEM)分析，結果見圖9。

1)由圖9(a)可知：無水頭差、無荷載作用時受氯鹽和硫酸鹽侵蝕的高性能混凝土試塊水泥水化良好，大部分混凝土表面光滑，鮮有腐蝕產物生成，與XRD分析結果一致，說明試塊A1未發生明顯的侵蝕現象。

(a) 試塊A1

(b) 試塊A3

(c) 試塊C1

(d) 試塊C3

Fig. 9 SEM charts of corroded high-performance concrete specimens under different conditions

2)對比圖9(a)和圖9(b)可知，圖9(b)表面粘附許多針片狀的產物，說明侵蝕程度增加。對比圖9(b)和圖9(c)可以發現，圖9(c)不僅粘附許多針片狀的產物，而且相較于圖9(b)，針片狀數量明顯增加，腐蝕產物明顯增多。

3)由圖9(d)可知，混凝土充滿針片狀的腐蝕生成物，表面幾乎看不出平整的地方，與前幾圖相比腐蝕情況最為嚴重，腐蝕產物生成最多，這也與XRD分析結果相一致。結果表明，水頭差和荷載作用同時存在的情況下，水頭差作用相對于荷載作用對試塊的劣化程度有所提高，同時荷載作用相對于水頭差作用對試塊的劣化程度也有所提高，這樣2種作用同時存在會急劇加速混凝土性能的劣化。

4 結論與討論

1)荷載和水頭差單獨作用都會促進硫酸鹽和氯鹽對高性能混凝土試塊的侵蝕，荷載作用越大效果越明顯，水頭差越大腐蝕程度越嚴重。水頭差對受腐蝕混凝土抗壓性能的影響要高于荷載，但是隨著水頭差的提高與荷載的增加，這一差距將逐漸縮小。

2)荷載和水頭差共同作用時，高性能混凝土受硫酸鹽和氯鹽侵蝕情況更加嚴重，荷載和水頭差共同作用下受腐蝕混凝土試塊承載力比荷載和水頭差單獨作用時減小得更加明顯。

3)對受腐蝕混凝土的微觀測試和分析表明，荷載和水頭差作用會加快混凝土內腐蝕產物的生成，降低混凝土耐久性能，水頭差對混凝土抗壓性能的影響要略高于荷載，與受腐蝕高性能混凝土試塊承載力測試分析結果一致。

4)“滲流-應力場”及硫酸鹽和氯鹽復合作用下混凝土受侵蝕情況較為復雜。一方面生成物會在短期內填充混凝土孔隙，導致混凝土承載力會有略微提升； 另一方面當生成物填滿孔隙會膨脹致使混凝土開裂，降低強度。本試驗通過研究短期的侵蝕得到了一些有價值的結論，而多場耦合作用下高性能混凝土的長期侵蝕還有待進一步研究。

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