初始應力損傷對再生混凝土硫酸鹽腐蝕的影響

蔣建華，眭 源，翁偉新

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024)

目前，大部分研究都集中在普通混凝土的硫酸鹽腐蝕上，對再生混凝土硫酸鹽腐蝕的研究還不夠。本試驗設計了多組再生骨料取代率互不相同的試件，并對其預加了三種不同程度的初始應力損傷，通過模擬加速試驗研究了再生混凝土在硫酸鈉腐蝕下的劣化過程。

1 試驗方案

1.1 試件設計

試驗設計了尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，并對二者進行了物理力學性能測試。所用的混凝土水灰比為0.4，其配合比見表1。試驗所采用的水泥是海螺牌普通硅酸鹽水泥，型號為P.O 42.5；粉煤灰為F級粉煤灰，減水劑為液體標準型高效能減水劑，摻量為0.40%。制作試塊使用的骨料分為再生粗骨料(RCA)、天然粗骨料(NCA)和細骨料三種。再生粗骨料為建筑垃圾資源回收再利用項目出產的連續級配的碎石，其粒徑范圍為5～16 mm，壓碎指標值為21%，含泥量為2.5%；天然粗骨料為粒徑10～25 mm的碎石，級配連續，壓碎指標為16%，含泥量為0.7%；細骨料為河砂，細度模數為2.7。拌和用水為普通自來水。

表1 不同初始應力損傷再生混凝土配合比

本試驗設計了三種再生骨料的取代率ρr分別為30%、65%和100%。為了研究初始損傷的影響，還設計了三種初始應力水平，即0.2、0.4、0.6倍的混凝土抗壓強度。對于ρr為30%的混凝土，每種初始應力水平設計了三個棱柱體試塊和九個立方體試塊；對于ρr為65%和100%取代率的混凝土試塊，每種初始應力水平設計了三個棱柱體試塊和三個立方體試塊。

在混凝土澆筑24 h后，對各混凝土試件進行脫模，然后將試塊置于相對濕度不低于95%、溫度(20±2)℃的環境中養護28 d。

1.2 試驗方法

1.2.1 抗壓強度測試

采用萬能力學試驗機對混凝土試塊進行力學試驗。選擇垂直于澆筑面的平整表面作為加載面，以3 kN/s的速率連續均勻加載，其峰值載荷作為試樣的抗壓強度。根據試驗規范，三個試件抗壓強度的實測值的平均值作為混凝土強度的代表值。

1.2.2 初始應力損傷的施加

對養護后不同取代率的再生混凝土進行抗壓強度試驗，測得其抗壓強度值(表2)，并以其28 d強度作為預制初始應力損傷的加載控制指標。

表2 不同取代率再生混凝土28 d抗壓強度均值

根據表1中各試件的初始應力水平設計值，通過加載對試件施加相應的初始應力。根據損傷力學理論，根據混凝土試件加載前后的超聲波速計算損傷程度[12]。

本試驗采用對測法確定混凝土損傷度，原理如下：首先，選定混凝土的一個平整表面(非澆筑面)作為預制初始損傷的加載面。將兩個超聲探頭置于與加載面垂直的兩個相對表面中心點位置。加載前，測得混凝土的初始聲時T0。然后對混凝土進行五次往復加載，應力損傷預制完成后，再利用超聲檢測儀測量試件損傷后的超聲聲時T。可根據公式(1)計算混凝土的損傷度D0[12]。

(1)

計算得到不同ρr混凝土的損傷度D0，其統計結果見表3、表4。

表3 ρr=30%混凝土初始損傷度

表4 ρr=65%及ρr=100%混凝土初始損傷度

1.2.3 模擬硫酸鹽腐蝕試驗

試驗設計了混凝土硫酸鹽腐蝕試驗裝置如圖1所示：一個水箱、混凝土試件、數顯加熱棒、攪拌器和硫酸鹽溶液，整個裝置處于密封環境里。

圖1 硫酸鹽腐蝕裝置圖Fig.1 Device for sulfate corrosion of concrete

在進行硫酸鹽腐蝕試驗時，將混凝土試件浸泡于15%Na2SO4溶液中，設置恒定溫度值(20±2)℃，通過加熱棒對溶液進行加熱，溶液的實時溫度可以通過數顯溫度表觀察。利用攪拌器使得溶液處于流動狀態，保證溶液受熱均勻。此外，用于浸泡試驗的硫酸鹽溶液每2周更新一次，以盡量保持溶液的pH值穩定。

1.2.4 硫酸鹽腐蝕深度的無損檢測

硫酸鹽侵蝕是一個從外部到內部逐漸深入的過程，侵蝕過程會在混凝土內部產生一定的結構損傷，而超聲波在損傷層和未損傷層傳播速度不同，見圖2。

圖2 超聲波平測法測混凝土腐蝕深度Fig.2 Ultrasonic indirect method

采用超聲平測法[13]測量腐蝕不同齡期的混凝土腐蝕深度dc，其公式見式(2)：

(2)

式中：dc為混凝土損傷層厚度(mm)；va混凝土未損傷層傳播的超聲波速(m/s)；vf是損傷層的超聲波速(m/s)；l0是與超聲波速度突變點對應的換能器距離(mm)。

2 試驗結果與分析

2.1 腐蝕深度

為了進一步研究初始損傷后混凝土的腐蝕行為，設計30%、65%、100%骨料取代率的棱柱體試塊腐蝕齡期為 90、120、150、180、210、240 d，根據超聲波平測法測量每一個棱柱體試塊的超聲測距隨聲時的變化規律，并計算不同取代率再生混凝土的腐蝕深度dc，如圖3所示：

圖3 不同再生骨料取代率混凝土腐蝕深度隨初始損傷度的演變Fig.3 Evolution of dc of concrete with different D0

由圖3可以得出以下結論：初始損傷度的增加會直接導致不同腐蝕齡期下腐蝕深度的增加，但初始損傷對于混凝土的影響存在閾值效應，即當初始損傷D0大于0.2時，才會對混凝土的腐蝕行為產生明顯的影響。當腐蝕齡期一定時，取代率較大的工況受硫酸鹽腐蝕的程度明顯高于取代率較小的工況。例如當腐蝕齡期達到180 d時，對比不同取代率的試塊初始損傷D0由0.2增加到0.4，30%取代率的腐蝕深度增加1.7 mm，65%取代率的腐蝕深度增加2.0 mm，100%取代率的腐蝕深度增加2.6 mm；其余腐蝕齡期下的試塊也基本符合這一規律。同時，由于再生骨料內部存在較多裂紋，在相近的初始損傷情況下，取代率高的試塊在同等腐蝕齡期下受到的腐蝕越嚴重，因此初始損傷度對取代率低的試件影響明顯比取代率高的試件要小。

2.2 質量損失率

在每個腐蝕齡期后測定試塊的質量，計算得到不同初始損傷度混凝土在每個腐蝕齡期的質量損失率，并進行對比分析。圖4為30%、65%和100%取代率再生混凝土質量損失率隨腐蝕時間和初始損傷度D0的變化曲線。

圖4 不同再生骨料取代率混凝土質量損失率隨初始損傷度的演變Fig.4 Evolution of mass loss rate of concrete specimen with different D0

如圖4所示，在相同的腐蝕齡期下，D0=0.2是質量損失率變化的一個轉折點。D0小于0.2的試件與未損傷混凝土的質量損失率幾乎相同，而D0大于0.2的試件隨著其損傷度的進一步增長，質量損失率的變化更加顯著。

隨著ρr的增大，試件的質量損失率的變化展現出增長的趨勢。以腐蝕240 d的混凝土為例，30%RCA取代率、初始損傷度D0為0.43的混凝土質量損失率為0.23%；RCA取代率65%、初始損傷度D0為0.43的混凝土質量損失率為0.24%；RCA取代率100%、初始損傷度D0為0.45的混凝土質量損失率為0.30%。此外，當腐蝕齡期變長時，試件的質量損失率隨D0增長的速度開始加快。

2.3 抗壓強度

對于30%取代率的試塊，研究了三個不同的腐蝕齡期(90、160以及240 d)后的抗壓強度變化規律，其結果如圖5所示。

圖5 不同腐蝕齡期30%取代率混凝土抗壓強度隨初始損傷度變化曲線Fig.5 Compressive strength of corroded concrete with the ρr of 30%

圖5表明，隨著初始損傷度D0的增加，試件的抗壓強度降低。與未預制損傷的試件相比，當腐蝕90 d時，D0為0.1和0.7的試件抗壓強度下降了3.25%和25%；當腐蝕160 d時，D0為 0.21和0.62的試件抗壓強度下降了12.83%和34.32%；當腐蝕240 d時，D0為0.13和0.62的試件抗壓強度下降了4.94%和38.82%。由此得出，對于腐蝕齡期更長的混凝土試件，其抗壓強度隨D0增長而下降的速度更快。

此外，對于ρr為30%、65%和100%的試件，對硫酸鹽腐蝕160 d的試塊抗壓強度進行了對比分析，結果如圖6所示。

圖6 不同取代率混凝土160 d抗壓強度Fig.6 Compressive strength of concrete with different ρr at160 d

圖6顯示了隨著ρr和D0的增長，試件的抗壓強度均呈現下降的趨勢。腐蝕齡期為160 d時，ρr為30%、D0為0.38的混凝土試件抗壓強度為37.05 MPa；ρr為65%、D0為0.39的混凝土試件抗壓強度為33.54 MPa；ρr為100%、D0為0.37的混凝土試件抗壓強度為28.85 MPa。另外，隨著ρr的增大，D0對腐蝕后混凝土抗壓強度的影響更為顯著。

2.4 動彈模量Ed

動彈模量Ed也是混凝土力學性能的重要指標，也可以用于評估再生骨料取代率和初始損傷度對混凝土硫酸鹽腐蝕的影響。Ed是評價混凝土性能的最常用的無損檢測參數，因為它表達了混凝土試件的內部密實度，可以反映試件腐蝕損傷中的變化。Ed可以由式(3)[14]得到：

(3)

式中：Ed為混凝土動彈性模量(MPa)；μ為混凝土泊松比，本文統一取0.2；ρ為混凝土的密度(kg/m3)；vr為混凝土表面波速(m/s)。

圖7是ρr為30%、65%、100%的混凝土試塊的Ed隨D0的變化曲線。由圖7可以看出，初始應力損傷對于動彈模量Ed存在負面影響，腐蝕后的再生混凝土的Ed隨D0和ρr的增大而減小，這是由于舊砂漿包裹的再生粗骨料的剛度小于天然骨料的剛度所致。對于不同的腐蝕齡期，同一ρr的損傷后混凝土試件的腐蝕速率隨D0的增加有相似的下降趨勢。然而，初始應力損傷對腐蝕后混凝土抗蝕性能的影響在ρr較小的情況更為顯著。

圖7 不同再生骨料取代率混凝土動彈模量隨初始損傷度的演變Fig.7 Evolution of Ed of concrete with different D0

3 結論

本章研究了不同取代率(30%、65%和100%)以及不同初始損傷度D0對于再生混凝土腐蝕性能變化的影響規律：

1)再生混凝土硫酸鹽腐蝕深度dc隨腐蝕齡期和RCA取代率的增加而增大，初始應力損傷D0對再生混凝土硫酸鹽腐蝕深度dc的影響有閾值效應。當D0小于0.2時，對dc影響不大；當D0大于0.2時，dc隨D0的增大而顯著增大。

2)質量損失率的變化趨勢與腐蝕深度類似，初始應力損傷對腐蝕后再生混凝土的質量損失率也存在閾值效應，其變化拐點也在D0=0.2附近?；炷猎嚰馁|量損失率隨ρr的增大而增大，腐蝕齡期越長，初始應力損傷對質量損失率的影響越顯著。

3)腐蝕后再生混凝土抗壓強度隨D0的增加呈線性下降趨勢，且腐蝕齡期越長，RCA取代率越高，初始應力損傷對抗壓強度的影響越明顯。

4)腐蝕后再生混凝土的動彈性模量Ed隨D0和ρr的增大而減小，對于不同的腐蝕齡期下的再生混凝土，ρr相同的試件的Ed隨D0的增大有相似的下降趨勢。而初始應力損傷對ρr較小的混凝土的影響更為顯著。