干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下水工混凝土損傷研究

王逸然， 楊 杰， 趙春發， 高懿偉， 孫建偉

(1.江寧區水務局， 江蘇 南京 211100； 2.江寧區谷里街道水務管理服務站， 江蘇 南京 211164；3.江寧區水利工程質量監督站， 江蘇 南京 211100； 4.河海大學 水利水電工程學院， 江蘇 南京 210024；5.江寧區趙村水庫管理所， 江蘇 南京 211155)

本文主要從試驗視角模擬江淮地區在服役的水工建筑物，以南京市浦口區象山水庫為研究對象，依據實際工程試配混凝土配合比，采用超聲波平測法對干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土試件進行檢測，通過獲取混凝土損傷層超聲波波速、未損傷層超聲波波速等指標，進而推求出損傷層厚度的變化規律并采用回彈法檢測混凝土抗壓強度，從混凝土抗壓強度視角分析研究干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土的損傷規律，以期為服役在干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土建筑物設計與研究提供一些參考。

1 實驗方法

1.1 原材料及配合比

水泥采用南京大連山水泥廠生產的P·O42.5標號水泥。粉煤灰采用南京江海粉煤灰公司生產的Ⅱ級粉煤灰。粗骨料采用湖北石灰巖碎石，粒徑5～16 mm連續級配、無針片狀顆粒、質地堅硬且表面粗糙。細骨料采用河沙，細度模數為2.68。引氣劑采用上海馨揚有限公司的JDU-1高性能混凝土引氣劑。水采用南京市自來水，PH為6.7。實驗采用的混凝土配合比見表1。

1.2 試件制作與試驗方法

混凝土澆筑24 h后拆模，在標準養護室養護28 d后進行試驗，所有混凝土試件均采用同一配合比。試驗參照《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082—2009)[2]。為了模擬水庫大壩運行環境，減少實驗時間，本文采用自然浸泡-加熱烘干來模擬干濕交替，具體的實驗方案為：將試件放入水流流速為0.05 m/s的水槽中加壓浸泡5 min，浸泡完畢后放入烘干機中干燥5 min，此為一個干濕循環，每1 d實施6 h，共36個循環，每1 d為一個測試周期，根據水文資料，一個干濕循環平均6 d完成，可得每一個測試周期模擬188 d，考慮到高溫對混凝土結構的加速破壞作用，本次實驗一個測試周期模擬實際180 d，實驗持續20 d，混凝土試件干濕循環總次數為720次，模擬實際3 600 d。

本試驗重點研究干濕循環條件下不同濃度、種類鹽溶液對水利工程混凝土表層損傷層、混凝土抗壓強度的影響，設置0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液，0.03%NaCl溶液、 0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液共計5組，其中0.03%Na2SO4溶液、0.05%Na2SO4溶液、0.1%Na2SO4溶液組包含3塊尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件及12塊尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方體試件，0.03%NaCl溶液、0.03%NaCl+0.03%Na2SO4混合溶液僅包含3塊尺寸100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件。在干濕循環進行到第120、240、360、480、720次時采用NM-4B型非金屬超聲檢測儀對棱柱體試件混凝土損傷層Vu、Vd進行測量，并采用珀瑞克YD225C機械回彈儀、1%的酒精酚酞溶液測算混凝土抗壓強度，試驗數據均取各組混凝土試件數據的平均值。

1.3 損傷層厚度檢測原理及方法

超聲波平測法是一種無損檢測技術，如圖1所示，通常，混凝土未損傷層與損傷層之間有較為明顯的分界線，依據超聲波在損傷層與未損傷層中傳播速度的不同來測量損傷層厚度。試驗方法依據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》中的單面平測法，對棱柱體的1個100 mm×400 mm平整側面進行檢測，換能器布置如圖2，發射換能器T布置于距棱柱體邊緣50 mm處，接收換能器R沿混凝土面按一定測距進行排查，讀取不同位置的聲時值，測距依次為50、75、100、150、200、250 mm，采用凡士林為耦合劑。

圖1 混凝土損傷截面示意圖

圖2 非金屬超聲檢測儀換能器布置圖

當T、R換能器距離較近時，超聲波在損傷層中的傳播時間較短，首先到達接收換能器，此時接受換能器讀取的聲時值為損傷層中的傳播波速Vd；當T、R換能器距離較遠時，超聲波透過損傷層在未損傷層混凝土中的傳播時間較短，此時接受換能器讀取的聲時值為未損傷混凝土中的傳播波速Vu，當T、R間距為某一測距l0時，超聲波在損傷層中傳播到達R的時間和2次透過損傷層在未損傷混凝土傳播到達R的時間相等，此時有式(1)：

表1 混凝土配合比特征值

(1)

由式(1)可得混凝土損傷層厚度hf：

(2)

式中：hf為損傷層厚度，mm；l0為聲速突變處T、R的測距，mm；Vu為未損傷層混凝土中超聲波波速，km/s；Vd為損傷層混凝土中超聲波波速，km/s；x為超聲波穿過損傷層中的水平投影，mm。

按超聲波平測法原理進行檢測，可繪制出時-距關系曲線，見圖3。

圖3 超聲波傳播時間-換能器測距關系曲線

由圖3可得聲速改變點l0，l0點前為混凝土損傷層l與t關系曲線，l0點后為混凝土未損傷層l與t關系曲線，用線性回歸法求出混凝土損傷、未損傷l與t的回歸直線方程：

ld=Ad+Vdtd

(3)

lu=Au+Vutu

(4)

式中：ld為l0點前各測點的測距，mm；td為對應于ld的聲時，μs，如l1與t1；lu為l0點后各測點的測距，mm；tu為對應于lu的聲時，μs，如l4與t4；Vd、Ad、Vu、Au為回歸系數，即圖3中損傷層混凝土和未損傷層混凝土回歸直線方程的斜率和截距。聲時突變處l0可用式(5)求得，即，

(5)

將l0帶入式(2)即可求得混凝土損傷層厚度hf[3]。

1.4 混凝土抗壓強度檢測原理及方法

根據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23—2011)，采用回彈法檢測混凝土現有抗壓強度。回彈法是根據回彈儀中運動的重錘以一定沖擊動能撞擊頂在混凝土表面的沖擊桿后，重錘回彈并帶動一指針滑塊，得到反映重錘回彈高度的回彈值，以回彈值推算混凝土強度。

本次實驗在尺寸200 mm×200 mm×200 mm的棱方體試件中，選取沒有疏松層和蜂窩麻面的原狀混凝土面，抽樣布置回彈測區(面積200 mm×200 mm)若干。在每一個測區內用回彈儀彈擊16個測點并讀取回彈測值(N)，剔除其中3個最大值和3個最小值，將剩余的10個測值的平均值作為該測區的回彈值(N)，同時在結構混凝土上用電錘打一小孔，滴入1%的酒精酚酞溶液，測量未變紅色的混凝土厚度即碳化深度值(H)。根據回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強度(f)的關系曲線計算得到測區混凝土強度平均值。

(6)

2 實驗結果與分析

2.1 超聲波平測法實驗結果與分析

2.1.1 時-距關系曲線

采用超聲波平測法檢測混凝土損傷層，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液為例，對檢測結果進行線性回歸分析，得到不同侵蝕時期混凝土的時-距關系曲線，見圖4。

圖4 0.03%Na2SO4溶液不同侵蝕時期混凝土時-距關系曲線

2.1.2 溶液濃度對混凝土損傷層厚度的影響

根據式(1)～(5)，繪制超聲波傳播時間-換能器測距關系曲線，計算出干濕循環作用下不同濃度的硫酸鈉溶液中混凝土損傷層特征值，制得表2。從表2中可以發現，Na2SO4溶液濃度相同的條件下，隨著混凝土干濕循環的周期數增加，混凝土未損傷層的超聲波波速Vu呈現上升趨勢，波速上升速度隨著時間的推移逐漸下降，其原因在于隨著時間推移，混凝土水化導致混凝土的密實度不斷增加，水化速度逐漸降低。混凝土損傷層的超聲波波速Vd呈現快速下降趨勢，下降速度明顯快于未損傷層中超聲波波速的上升速度。混凝土干濕循環的周期數相同的條件下，隨著硫酸鹽溶液濃度的提高，侵蝕程度越來越高，侵蝕速度逐漸加快。經過3 600 d，侵蝕程度達到最高，在10%Na2SO4濃度下，混凝土損傷層厚度達到19.38 mm。

表2 干濕循環作用下不同濃度的Na2SO4溶液中的混凝土損傷層特征值

2.1.3 溶液種類對混凝土損傷層厚度的影響

根據式(1)～(5)，繪制超聲波傳播時間-換能器測距關系曲線，計算出干濕循環作用下不同溶液中混凝土損傷層特征值，制得表3。從表3中可以發現，溶液中的混凝土損傷層的厚度hf大小關系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，且混凝土損傷層中超聲波波速Vd下降速度的大小關系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，這說明了氯鹽的存在減緩了混凝土損傷的速率。

表3 干濕循環作用下不同溶液中的混凝土損傷層特征值

2.2 回彈法實驗結果與分析

采用回彈法檢測混凝土抗壓強度，以具有代表性的0.03%Na2SO4溶液為例，得到不同侵蝕時期混凝土的回彈值、碳化深度、抗壓強度關系曲線，如圖5。

圖5 0.03%Na2SO4溶液不同侵蝕時期混凝土的回彈值、碳化深度、抗壓強度關系曲線

2.2.1 溶液濃度對混凝土抗壓強度的影響

根據實驗測得的平均回彈值、碳化深度和式(6)計算出干濕循環作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強度特征值，查閱回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強度(f)的關系曲線制得表4。從表4中可以發現，隨著干濕循環的周期數增加，混凝土平均回彈值近似線性上升，混凝土碳化深度H不斷增加，增速不斷增大，與此同時，混凝土強度平均值加速減小，原因在于隨著空氣中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2反應生成的CaCO3加速了碳化反應。溶液中的混凝土碳化深度H大小關系為0.1%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.03%Na2SO4，抗壓強度的大小關系為0.03%Na2SO4>0.05%Na2SO4>0.1%Na2SO4，干濕循環次數達到720次時，0.1%Na2SO4溶液中混凝土試件碳化深度達到6 mm，抗壓強度平均值下降至36.1 MPa。

表4 干濕循環作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強度特征值

2.2.2 溶液種類對混凝土抗壓強度的影響

根據實驗測得的平均回彈值、碳化深度和式(6)計算出干濕循環作用下不同濃度溶液中的混凝土抗壓強度特征值，查閱回彈值(N)、碳化深度值(H)～混凝土強度(f)的關系曲線制得表5。從表5中可以發現，各溶液中混凝土平均回彈值均近似線性下降，混凝土碳化深度H增速均呈逐漸增大趨勢。溶液中的混凝土碳化深度H大小關系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，抗壓強度的大小關系為0.03%Na2SO4>0.03%NaCl+0.03%Na2SO4>0.03%NaCl，0.03%NaCl的加入顯著降低了混凝土碳化深度，混凝土平均抗壓強度顯著提高。

3 結 論

(1)在干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，在前期的1年多時間里，混凝土的損傷層厚度增加至10年期的約50%。隨后，隨著時間的推移，混凝土的損傷層厚度的增速緩慢下降。經過3 600 d，混凝土損傷層的厚度基本達到鋼筋保護層厚度的50%～90%。

表5 干濕循環作用下不同溶液中的混凝土抗壓強度特征值

(2)在干濕循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用下，混凝土碳化深度逐漸增加，增速不斷提高。早期混凝土抗壓強度下降速度較慢，隨著時間的推移，增速逐漸加大。在耦合作用后期，容易產生縫寬0.3≤δ<0.4 mm，縫深100≤h<200 cm，且大于結構厚度1/4的深層裂縫，局部甚至能產生縫寬δ≥0.4 mm，縫深h≥200 cm或大于2/3結構厚度的貫穿性裂縫，對水工結構安全造成一定的危害。

(3)NaCl溶液能顯著減少混凝土損傷層厚、減小混凝土表層碳化深度，有效提高混凝土耐久性。