鹽類侵蝕作用下混凝土力學性能退化規律研究

畢景瑤，汪建平，周麗娜，3*，丁 浩

(1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710043；3.新疆土木工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830017)

海洋環境、內陸鹽湖和鹽堿地都包括氯鹽、硫酸鹽在內的混合鹽，這些區域分布著大量的鋼筋混凝土結構，包括工業和民用建筑、橋梁、隧道、礦井以及水利、海港等土木工程，該環境下服役的鋼筋混凝土結構不可避免地發生腐蝕、開裂、銹脹隆起和鋼筋銹蝕等耐久性病害，導致其承載能力顯著下降，結構逐步“酥化”，造成建筑結構功能性損傷[1-2]。依據《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)規定，新疆鹽漬地區混凝土建筑物構筑物所處環境作用等級在凍融及化學腐蝕類別中均歸為非常嚴重等級。該地區特殊的氣候和地理環境導致水利建筑物和構筑物面臨更為復雜的溫度、濕度、復合鹽種類、濃度和軟水侵蝕的耦合作用，化學侵蝕交互凍融作用對于對其耐久性提出更高的要求，尤其是氯鹽與硫酸鹽侵蝕機理影響因素較多，二者耦合作用下的耐久性損傷機理尚不明確，因此揭示新疆鹽漬地區服役環境下水工混凝土臨界損傷狀態對于保障基礎設施工程的安全耐久至關重要。

礦渣和粉煤灰均以玻璃態結構為主，含鈣量較低，但兩種材料對水泥基材料的抗硫酸鈉侵蝕性能發揮作用不同，粉煤灰可以提高其抗酸鹽侵蝕性能，而礦渣對水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響[3-4]。摻加礦物摻合料降低了C3A含量，且火山灰反應消耗了大量的水化產物氫氧化鈣，摻合料的微集料填充效應提高了試件的密實度，降低了孔隙率和有害離子的侵入速度[5]。 目前，已有研究集中在氯鹽侵蝕產物Friedel鹽的穩定性影響因素[6]或者不同種類混凝土的硫酸鹽損傷規律[7-11]。礦物摻合料的物理性能和化學成分對混凝土的水化過程、工作性能、力學性能及耐久性能影響顯著，不同礦物摻合料在混凝土體系中發揮的作用有區別，隨著現代土木工程朝著超高層、大跨度發展，以及極端環境的高耐久和低碳化混凝土的需求，多種礦物摻合料復摻是提升混凝土性能的有效方法[12]。

強度是土木工程結構對材料的基本要求，混凝土力學性能與彈性模量、抗滲性、耐久性等難以測量的主要性能具有直接關系，因此常用強度數據推斷混凝土其他性能的優劣程度[12]。文獻研究表明，混凝土立方體抗壓強度較高，具有很好的穩定性，但軸心抗壓強度更符合工程實際。劈裂抗拉強度是衡量混凝土抗裂能力的指標。應力應變全曲線能較為全面的分析混凝土的各階段的變形和結構承載力情況。基于此，本文對現有的鹽類侵蝕試驗數據，從混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和峰值應力與峰值應變探究鹽類侵蝕混凝土力學性能的變化規律，以期對鹽漬環境下混凝土耐久性損傷評估與預測提供新思路。

本文圖中用到試驗編碼意義見表1。

表1 試驗代碼匯總

1 硫酸鹽侵蝕混凝土力學性能影響規律

根據目前統計的文獻，硫酸鹽侵蝕的濃度設定一般選取10%和5%，本節分別從10%硫酸鈉溶液和5%的硫酸鈉溶液中將侵蝕周期較為一致的數據歸納分析其單一硫酸鹽侵蝕與氯鹽-硫酸鹽復合侵蝕后混凝土力學性能的變化規律。

1.1 抗壓強度

圖1為10%硫酸鈉溶液侵蝕下侵蝕制度、水膠比及礦物摻合料對混凝土抗壓強度影響規律[13-15]。從圖中可以看出，無論是全浸泡還是干濕循環制度下，混凝土抗壓強度大致為先上升后下降的情況。水膠比在0.35左右時，混凝土的初始強度較大，強度提升明顯，強度下降較為明顯；摻礦粉混凝土強度較素混凝土和摻粉煤灰混凝土有明顯的提升，摻加粉煤灰和礦粉減緩了硫酸鹽侵蝕混凝土抗壓強度的下降程度，但單摻粉煤灰的混凝土后期抗壓強度有很大變化，可能是因為粉煤灰摻量過大，使混凝土變得酥脆，加快了破壞進程。將粉煤灰和礦粉復摻進混凝土，在前中期試塊的抗壓強度一直在增長，說明礦物摻合料復摻對于混凝土抗壓強度的改善有良好的作用。水膠比在0.45左右時，混凝土的初始強度較小，摻加粉煤灰對混凝土抗壓強度影響不明顯，最大強度值的出現時間明顯晚于水膠比0.35組混凝土，說明礦物摻合料對硫酸鹽侵蝕過程中混凝土的力學性能改善效果取決于其自身的性能。

圖1 10%硫酸鈉溶液侵蝕不同類型混凝土抗壓強度變化規律

在考慮水膠比、侵蝕方式和摻料種類的因素，結合上述的強度變化，可以得出水膠比對混凝土的初始抗壓強度有很大影響，水膠比越小，在前中期抗壓強度提升的幅度越大；干濕循環相較于浸泡，明顯增強了硫酸鹽對混凝土的侵蝕，原因在于干濕循環的侵蝕方式有利于混凝土孔隙的發展；在一定水膠比范圍內，粉煤灰或者礦粉的摻加可以顯著提升混凝土的強度、延緩混凝土劣化進程，二者復摻的效果優于單摻，且從侵蝕后期數據發現，摻加粉煤灰的效果不如摻加礦粉的效果好。

圖2為5%硫酸鈉溶液侵蝕水膠比0.40的不同玄武巖纖維摻量混凝土抗壓強度的變化曲線[16]。由圖可知，隨著侵蝕齡期的增長，混凝土抗壓強度大致為先上升后下降，但不同侵蝕方式、干濕循環周期和玄武巖纖維摻量下侵蝕混凝土強度最大值出現的時間存在差異。分析結果表明，長期浸泡的混凝土初期的抗壓強度提升最快，其次是干濕循環周期為15 d的試塊、干濕循環周期為30 d的試塊，最后為干濕循環周期為1 d的試塊；在前中期，干濕循環的試塊抗壓強度下降速率明顯快于長期浸泡的試塊，說明干濕循環對混凝土的侵蝕更快，且循環周期越小，侵蝕越厲害；初期上升較慢是因為混凝土孔隙結構還未出現損傷，混凝土內部的化學反應沒有持續進行。粉煤灰摻量為20%時，玄武巖纖維的摻量在0.2%的情況下混凝土的抗壓強度提升最大，抗侵蝕效果最好。

圖2 5%硫酸鈉溶液侵蝕條件下玄武巖纖維復摻粉煤灰混凝土抗壓強度變化曲線

1.2 劈裂抗拉強度

硫酸鹽侵蝕早期造成的表面損傷用拉力測試評估是較為明顯的，它能反映混凝土的抗裂能力。圖3為5%硫酸鈉溶液浸泡不同類型混凝土劈裂抗拉強度的變化情況。從圖3可以看出，在5%硫酸鈉溶液中，混凝土劈裂抗拉強度的變化規律與抗壓強度的變化規律相似，均有小段提升，隨后下降。對比同一水膠比和相同侵蝕制度，可以發現PVA纖維的摻加對于劈裂抗拉強度的提升相較于粉煤灰有明顯的提高，說明PVA纖維的摻加對于混凝土內部的黏固作用很大，增強骨料之間的拉結；當PVA纖維摻量在2%時，混凝土的劈裂抗拉強度提升最大，當摻量繼續增加時對混凝土劈裂抗拉強度的提升效果減小，說明在一定范圍內，PVA纖維的使用能有效延緩混凝土的劣化。

圖3 5%硫酸鈉溶液侵蝕不同類型混凝土劈裂抗拉強度[17-18]變化曲線

此外，PVA纖維組整體的強度變化較為平緩，粉煤灰組的強度變化較為明顯，可能與混凝土的密實度有關，二者都能改善混凝土的孔隙結構，細化密實孔隙，但隨著侵蝕的發生，孔隙不斷發展，加速侵蝕，PVA纖維之間的橋接作用能有效延緩裂縫的發展[17]，所以硫酸鹽侵蝕產物吸水膨脹提供的強度有限，直至超過纖維和混凝土自身的拉應力，試塊在后期才有一個較為明顯的下降段。粉煤灰的摻加在一定程度上密實了混凝土，提升了其強度，但不能延緩裂縫的發展，侵蝕嚴重時混凝土易酥脆，所以強度提升得快，但劣化得也快。

1.3 單軸受壓峰值應力

單軸受壓峰值應力的大小表征混凝土的耐久性和強度，確保混凝土的安全性和可靠性。圖4為10%硫酸鈉溶液侵蝕不同摻量粉煤灰混凝土峰值應力的變化情況[12，18]。

圖4 10%硫酸鈉溶液侵蝕不同類型混凝土峰值應力變化曲線

從圖4可以看出，在10%硫酸鈉溶液侵蝕的情況下，混凝土的峰值應力變化大致為先上升后下降的情況，與混凝土抗壓強度的變化規律相似，但水平應力軸壓荷載比例在60%時，混凝土的峰值應力一直在快速下降，說明荷載與硫酸鹽侵蝕耦合作用加快了混凝土力學性能的損傷。

當水膠比為0.47左右時，荷載作用對混凝土峰值應力的影響隨著侵蝕齡期的增長略有提升再下降，但荷載比例越大，中后期混凝土的峰值應力下降越多。施加荷載會密實混凝土，對混凝土的強度提升有一定作用，同時也能延緩硫酸鹽侵蝕混凝土，但荷載過大時會導致混凝土內部結構的破壞，產生微小裂縫，促進硫酸鹽的侵蝕，且荷載比例越大，促進效果越明顯，混凝土劣化越快。無荷載混凝土在侵蝕后期峰值應力下降幅度比荷載比例為30%的大，說明一定的外部荷載對硫酸鹽侵蝕混凝土的變形具有抑制作用。綜上所述，荷載比例在30%和45%時，對延緩混凝土的劣化有一定的正反饋，其中荷載比例在30%時，效果最好。荷載比例在60%時，呈現負反饋的作用，導致混凝土劣化加速。

圖5為5%硫酸鈉溶液浸泡不同齡期混凝土峰值應力的變化情況[14，19-20]。從圖5中可以看出，硫酸鹽侵蝕對混凝土的峰值應力有一定的影響，在荷載-硫酸侵蝕-長期浸泡的耦合作用下的試塊，初期峰值應力值不大，其變化規律與圖4大致相同，但變化幅度<10%硫酸鈉溶液，說明溶液濃度對鹽類侵蝕混凝土強度的影響較大。

圖5 5%硫酸鈉溶液侵蝕不同類型混凝土峰值應力變化規律

水膠比為0.52的普通混凝土在硫酸鹽侵蝕過程中出現了2個峰值應力，且第一個峰值提高幅度較大，可能是因為膨脹侵蝕產物的快速積累，導致強度增加；峰值應力二次提升的原因可能是混凝土出現損傷后孔隙發展過程中持續生成的水化產物填充，密實了混凝土，強度二次提升；水膠比為0.47時，也呈現這樣的趨勢，但由于混凝土內部結構更密實，抵抗了強度下降，當達到最大抵抗能力后，混凝土開始出現劣化。水膠比為0.42時，普通混凝土最大值出現的時間晚于0.52和0.47的普通混凝土，說明水膠比越小，混凝土內部之間的黏結度越大，反而有利于延緩硫酸鹽的侵蝕混凝土，水膠比在一定范圍時，混凝土的黏結度好，孔隙結構穩定，達到延緩侵蝕的作用。粉煤灰的摻加使得混凝土的初始峰值應力反而變小，后期峰值應力的下降也快于單摻纖維的混凝土，說明礦物摻合料和纖維之間的相互作用存在臨界值。

1.4 單軸受壓峰值應變

圖6為10%硫酸鈉溶液干濕循環下不同類型混凝土峰值應變的變化情況[19，21]。由圖可知，10%硫酸鈉溶液中，隨著侵蝕時間的增加，峰值應變與強度的變化相反，先下降后上升，但其變化規律是一致的。隨著侵蝕產物的生成不斷填充孔隙，強度有所提升，對應的峰值應變降低，但隨著侵蝕物質的積累，裂縫開始發展，混凝土不斷劣化，變形量也快速增加。

圖6 10%硫酸鈉溶液干濕循環下不同類型混凝土峰值應變曲線

對比礦物摻合料和纖維摻量對侵蝕混凝土峰值應變的影響，可以發現，普通混凝土的峰值應變發展最快，其次是摻有纖維的混凝土，最后是雙摻纖維和粉煤灰的混凝土峰值應變發展最慢。說明纖維與粉煤灰雙摻可以優勢互補，對混凝土的性能提升較大。單摻纖維對前期的峰值應變發展有較大影響，但后期劣化速度加快。

圖7為不同荷載對5%硫酸鈉溶液浸泡粉煤灰混凝土峰值應變的影響化情況[14，22]。從圖7中可以看出，混凝土的峰值應變隨侵蝕齡期呈上升趨勢，前期增長速率較慢，中后期增長速率較快，原因在于侵蝕中后期混凝土內部出現損傷，開始不斷劣化。總體來看，荷載施加能明顯抑制變形，但荷載過大，對于變形的抑制效果反而不如無荷載的混凝土。對比圖6和圖7可以發現，外加荷載使得硫酸鹽侵蝕破壞對混凝土峰值應變的規律不同，證實了荷載作用在一定程度上可以影響改善混凝土內部的微觀裂縫和膨脹侵蝕產物造成的變形規律。

圖7 不同荷載作用下5%硫酸鈉溶液浸泡粉煤灰混凝土的峰值應變曲線

2 復合鹽侵蝕混凝土力學性能影響規律

復合鹽耦合侵蝕混凝土較硫酸鹽侵蝕混凝土的情況更復雜，因為硫酸鹽和氯鹽的交互作用產生了超疊加的效應，造成混凝土的性能變化規律的探究過程復雜。

2.1 抗壓強度

圖8為0.40水膠比不同復合鹽溶液濃度的纖維混凝土抗壓強度的變化情況[23-24]。從圖8中可以看出，從不同組中纖維混凝土抗壓強度的變化可以發現，每組試塊的變化趨勢大致相同，都是先上升后下降，前期混凝土的強度提升較為平緩，但中后期開始快速增加，且都在侵蝕齡期210 d時達到最大值。在圖中還可以得出，在5%的硫酸鈉溶液中，抗壓強度是混雜纖維混凝土>鋼纖維混凝土>PF纖維混凝土。在復合鹽侵蝕過程中，摻量為0.7%的PF纖維對于混凝土的抗壓強度的提升有一個快速上升期，但隨之又會快速下降，且隨著溶液濃度的提高，抗壓強度的增加越快。從材料因素分析，摻加纖維能有效延緩混凝土裂縫的出現和發展，是因為摻加纖維改善了混凝土孔隙結構，使其與混凝土的界面黏結能力提升以及纖維之間的橋接作用，達到增韌緩裂的作用，從而延緩了混凝土的劣化。前期抗壓強度增加平緩是因為混凝土結構還是良好的，阻礙了離子的擴散，對強度的影響不大。纖維的使用在中后期明顯提高了混凝土的抗壓強度，且鋼纖維對抗壓強度的提升更為明顯。

圖8 0.40水膠比不同復合鹽溶液濃度的不同纖維混凝土抗壓強度變化規律

基于5%硫酸鈉溶液下，氯離子濃度變化對混凝土抗壓強度的影響分析，硫酸鹽與氯鹽的耦合侵蝕過程是復雜的競爭關系，也是相互促進和抑制的過程。PF摻量為0.7%的混凝土抗壓強度隨著氯鹽濃度的增加影響程度越大。由圖可知，復合鹽溶液中浸泡混凝土的抗壓強度增加較為平緩，說明侵蝕較為緩慢，有少量物質沉積填充了孔隙。氯離子濃度為10%時，強度提升較其他兩組提升較大，說明10%的氯離子濃度對于硫酸根離子的促進作用最明顯，反應生成物沉積程度大。在中期，混凝土抗壓強度驟然上升，氯離子濃度越高，抗壓強度上升越大。因為氯離子濃度越大，混凝土內部發生反應生成的Friedel鹽越多，自由氯離子的濃度降低，Friedel鹽的穩定性越好。同時纖維分擔了部分應力，使得膨脹侵蝕產物繼續生成，增加了混凝土的密實度，混凝土強度得到二次提升，但混凝土結構還是遭到破壞，所以后期劣化較快。

2.2 劈裂抗拉強度

圖9為復合鹽侵蝕中混凝土劈裂抗拉強度隨侵蝕齡期的變化情況[24-25]。從圖9中可以看出，水膠比相近，其劈裂抗拉強度的變化并不相同，再生粗骨料取代率為50%的混凝土，在復合鹽侵蝕下混凝土的劈裂抗拉強度呈現下降趨勢；使用聚丙烯醇纖維的混凝土，劈裂抗拉強度呈先上升后下降的趨勢。使用再生粗骨料能顯著提升混凝土的劈裂抗拉強度，其初始劈裂抗拉強度約在10MPa，遠遠大于PF纖維混凝土的劈裂抗拉強度值，但經過硫酸鹽-鎂鹽-氯鹽的多重侵蝕后再生骨料混凝土的劈裂抗拉強度直線下降；摻加PF纖維的試塊在初期對強度的提升并無影響，直到膨脹物質處于完全積累的狀態時，PF纖維抵抗了一部分的拉應力，延緩了復合鹽侵蝕的進程。

圖9 復合鹽侵蝕不同類型混凝土劈裂抗拉強度變化曲線

考慮氯鹽與硫酸鹽耦合作用對混凝土強度的影響，可以發現氯鹽濃度在5%和10%時，能有效抑制硫酸鹽的侵蝕，但氯離子濃度在15%時，出現促進硫酸鹽侵蝕和強度二次提升的現象，說明離子濃度對氯離子和硫酸根離子之間的競爭關系不只是抑制也有促進[25]。

2.3 峰值應力與峰值應變

圖10為不同復合鹽侵蝕與凍融耦合作用下混凝土峰值應力隨凍融循環次數的變化情況[26-27]。

圖10 復合鹽凍融侵蝕下混凝土峰值應力變化曲線

從圖10中可以看出，混凝土在凍融-復合鹽侵蝕條件下，峰值應力下降較快，呈下降趨勢。對比水膠比為0.49的C40再生混凝土在不同濃度的復合鹽溶液中的變化，可以發現峰值應力下降速度為：濃度為3.7%的復合鹽溶液(一倍基準濃度)<濃度為7.4%的復合鹽溶液(二倍基準濃度)<濃度為11.1%的復合鹽溶液(三倍基準濃度)。

再生骨料的使用和強度等級對于混凝土峰值應力的提升是較為明顯的，在圖中有四組曲線重合程度較高的曲線，分別為水膠比為0.42和水膠比為0.46的C50混凝土、水膠比為0.49和水膠比為0.64的C40混凝土、水膠比為0.77的C30再生混凝土和水膠比為0.39的C40普通混凝土、水膠比為0.65的C30再生混凝土和水膠比為0.49的C40普通混凝土，可以發現再生粗骨料的添加使得水膠比對混凝土的峰值應力影響程度變小，但再生粗骨料的添加使得峰值應力得到很大提升，水膠比0.49使用40%再生骨料代替普通骨料的C40混凝土初始峰值應力增加了20%。在凍融-復合鹽侵蝕破壞早期再生混凝土的強度有提升，但由于凍融破壞加劇混凝土內部損傷，有利于復合鹽離子的傳輸，因此在中后期各組混凝土峰值應力快速下降，說明在凍融-侵蝕的條件下，凍融有利于侵蝕的發生。

圖11為不同復合鹽侵蝕與凍融耦合作用下混凝土峰值應變隨凍融循環次數的變化情況[26，28]。從圖11中可以看出，混凝土在凍融-復合鹽侵蝕條件下，峰值應變呈現上升趨勢。對比水膠比為0.49的C40再生混凝土在不同濃度的復合鹽溶液中的變化，可以發現峰值應變上升速度為：濃度為3.7%的復合鹽溶液(一倍基準濃度)<濃度為7.4%的復合鹽溶液(二倍基準濃度)<濃度為11.1%的復合鹽溶液(三倍基準濃度)。

圖11 復合鹽凍融侵蝕下混凝土峰值應變變化曲線

再生粗骨料的使用和強度等級對于混凝土形變的抑制程度在前期大致相同，在中后期才體現出明顯差距，在中后期中應變上升較快的依次為：0.49-DR-ZSC40-FH11.1>0.65-DR-ZSC30-FH3.7>0.49-DR-PTC40-FH3.7>0.49-DR-ZSC40-FH3.7；通過對比發現，復合鹽溶液濃度對混凝土的變形影響最大，其次是再生粗骨料的影響，最后是混凝土強度等級的影響。

此外，凍融破壞有利于混凝土裂縫的發展，加快侵蝕速度，但粗骨料的添加能抑制混凝土的劣化。

3 單一鹽與復合鹽侵蝕下的力學性能對比分析

圖12為干濕循環制度下單一鹽類侵蝕和復合鹽類侵蝕對混凝土抗壓強度的影響規律[15，27]。由圖可以看出，在干濕循環的條件下，普通素混凝土在單一鹽或復合鹽侵蝕下的抗壓強度變化對比發現，抗壓強度變化先上升后下降，水膠比對混凝土的強度影響較大，水膠比越小，初始強度值越大。侵蝕程度大小為：10%的硫酸鈉溶液>復合鹽溶液>清水組；說明單一硫酸鹽的侵蝕危害較復合鹽侵蝕的危害更大，對混凝土侵蝕破壞的程度愈快。

圖12 單一鹽和復合鹽侵蝕下混凝土抗壓強度變化曲線

4 結 論

(1) 在10%、5%的硫酸鈉溶液和復合鹽溶液侵蝕下，混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和峰值應力的變化規律大致相似，呈先上升后下降。鹽類侵蝕混凝土力學性能上升段和下降段的速率及最大值與侵蝕方式、摻合料種類及其數量、鹽類濃度等因素息息相關。

(2) 氯鹽濃度不同時，復合鹽侵蝕后混凝土力學性能的發展歷程不同，說明氯鹽對混凝土硫酸鹽侵蝕發揮的作用存在臨界值。

(3) 再生骨料混凝土是當前雙碳目標下的研究熱點，其力學性能及耐久性能的研究較多，但針對鹽類侵蝕的損傷機理及改善措施仍存在不足和空白。此外，通過歸納鹽類侵蝕混凝土力學性能的損傷規律可知，提升混凝土早期強度及改善其變形能力均可改善其抗鹽類侵蝕能力。