張立明，余紅發(fā)，寧作君

(1.南京航空航天大學土木工程系，江蘇南京 210016;2.吉林交通職業(yè)技術學院，吉林長春 130012;3.甘肅土木工程研究院，甘肅蘭州 730020)

在海洋、鹽湖、鹽漬土和高含量的腐蝕鹽的地下水等環(huán)境下，硫酸鹽腐蝕、干濕循環(huán)、氯離子銹蝕鋼筋是引起混凝土耐久性不足的主要原因［1－4］。Hekal等［5－6］研究了混凝土 10%MgSO4 溶液中在不同試驗環(huán)境下 (室溫、60℃和60℃的浸烘循環(huán)下)的抗腐蝕損傷能力。結果表明只有在60℃的浸烘循環(huán)是一種加速混凝土腐蝕的一種方法。金祖權等［7－9］關注了不同濃度硫酸鹽、氯鹽復合溶液，在浸烘循環(huán)下，普通混凝土的相對動彈模量規(guī)律，混凝土劣化速度與硫酸鹽濃度成正相關，復合溶液中氯鹽存在，延緩了混凝土損傷劣化速度。余紅發(fā)等［10－14］進行的調查研究表明，西部鹽漬土地區(qū)的混凝土結構因受到外部荷載、干濕循環(huán)和化學腐蝕作用，服役3～5年就遭受嚴重破壞?；炷猎诜圻^程中還承受一定的荷載，許多研究者對混凝土施加彎曲荷載，然后浸泡到一定濃度的溶液中來研究荷載對混凝土性能劣化的影響。但對于混凝土在荷載+浸烘循環(huán)復合作用下，力學與環(huán)境因素復合對在混凝土應力腐蝕有待探討。

為了研究這些地區(qū)的混凝土耐久性問題，選取青海鹽湖鹵水為腐蝕溶液，進行在現(xiàn)場暴露試驗、和一個循環(huán)包括在鹽湖鹵水中浸泡2 d和60℃烘1 d的浸烘循環(huán)和浸烘循環(huán)+30%彎曲荷載。深入討論不同環(huán)境下混凝土的腐蝕應力腐蝕規(guī)律。并采用現(xiàn)代測試技術分析了不同腐蝕環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物和微結構損傷。

1 實驗

1.1 原材料

湖北黃石水泥廠生產(chǎn)的華新牌P.Ⅰ52.5硅酸鹽水泥。鎮(zhèn)江諫壁電廠華源Ⅰ級粉煤灰。江蘇江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級磨細礦渣，比表面積461 m2/kg。膠凝材料化學成分見表1。蘭州產(chǎn)河砂，Ⅱ區(qū)級配，中砂細度模數(shù)為2.5。甘肅省臨洮河口產(chǎn)石灰?guī)r碎石，5～20 mm連續(xù)級配，最大粒徑20 mm。飲用水。江蘇省蘇博特PCA?(I)聚羧酸類高性能減水劑，減水率達20%以上。

表1 膠凝材料的化學成分Table 1 Chemical Compositions of binder material w/%

1.2 配合比

試件尺寸500 mm×100 mm×75 mm棱柱體。礦物摻合料 (w)分別為:硅灰摻10%，粉煤灰摻量30%，礦粉摻量50%。水灰比為0.35。其配比及28 d抗壓強度見表2。

青海鹽湖運回鹵水，到中科院青海鹽湖研究所進行等離子光譜測定化學成分件見表3。

表2 混凝土配合比及抗壓強度Table 2 Mixed proportions and compressive strength of concretes

表3 青海察爾汗鹽湖鹵水化學成分Table 3 The chemical composition of salt lake

1.3 試驗方法

相對動彈模量用北京康科瑞公司生產(chǎn)的NM－4B非金屬超聲波檢測儀測定?；炷恋南鄬訌椖Ａ靠捎孟率接嬎?

式中:Er為相對動彈模量;E0和Vr分別為混凝土實驗前的初始動彈模量和超聲波波速;Et和Vt分別為混凝土在t時刻的動彈模量和超聲波波速。參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［15］，當降低到60%，質量損失率達到5%以上可認為混凝土已經(jīng)發(fā)生應力破壞。

抗壓試件邊長100 mm的立方體，棱柱體試件為100 mm×75 mm×500 mm，混凝土試件標準養(yǎng)護28 d。測定好初始超聲波值后，依次放置在如下持續(xù)浸泡環(huán)境、干濕循環(huán)環(huán)境及現(xiàn)場暴露環(huán)境下。分別在90、180、270、330、390、480和540 d測定各棱柱體的相對動彈模量。

通過四點抗彎拉試驗確定最大抗彎拉應力，利用設計加載裝置對各試件進行加載，加載裝置和加載過程見圖1。

圖1 加載裝置及加載過程Fig.1 The load device and loading process

2 結果與討論

2.1 不同試驗環(huán)境對OPC、HSC和HPC耐腐蝕能力的影響

圖2所示:在不同試驗環(huán)境下，各混凝土的相對動彈模量都經(jīng)歷強化和劣化的過程。相對動彈模量強化階段:因腐蝕產(chǎn)物在混凝土孔隙、缺陷處生成，密實了混凝土結構。①在現(xiàn)場暴露環(huán)境下，混凝土強化階段還沒達到最大值，其中OPC在540 d時，增加了18.9%，HSC在540 d增加了5.63%;HPC在540 d增加了9.35%。增長的速率隨水灰比的增大而增大，強化階段的時間長度隨水灰比的增大而減小。②在浸烘循環(huán)中，OPC在180 d達到最大值，增加了15.2%;HSC在330 d達到最大值，增加了21.5%;HPC在270 d達到最大值，增加了20.7%，增長的速率隨水灰比的增大而增大，強化階段的時間長度隨水灰比的增大而減小。③浸烘+30%加載環(huán)境中，OPC在180 d達到最大值，增加了24.8%;HPC在 180 d達到最大值，增加了25.5%;HSC在270 d時，增加了25.7%，還沒達到最大值;增長的速率隨水灰比的增大而增大，強化階段的時間長度隨水灰比的增大而減小。性能劣化階段:因腐蝕產(chǎn)物填滿孔隙后，產(chǎn)生裂紋導致混凝土孔壁破壞，裂紋引發(fā)、擴展，并最終導致混凝土破壞。①在暴露環(huán)境中，OPC、HSC和HPC都沒到達劣化階段。②在浸烘循環(huán)中，OPC在540 d時降低了 22.7%，在劣化階段下降了 38.4%;HSC在540 d時增加了7.8%，在劣化階段下降了11.1%;HPC在540 d時增加了0.5%，在劣化階段下降了14.1%;劣化的速率隨水灰比的增大而增大。③在浸烘+30%加載環(huán)境中，OPC下降0.6%，在劣化階段下降了25.4%;HSC增加了10.8%，在劣化階段下降了14.9%;HPC增加了4.1%，在劣化階段下降了21.1%。在相同試驗環(huán)境下，水灰比越大劣化速度越快。

圖2 不同試驗環(huán)境下對OPC﹑HSC和HPC耐腐蝕能力的影響Fig.2 The influence of the ability of stress for OPC、HSC and HPC in different test conditions

2.2 OPC、HSC和HPC耐腐蝕能力和試驗環(huán)境的關系

圖3(a)所示:OPC在不同試驗環(huán)境下，相對動彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強化階段階段還未完成，浸烘和浸烘+30%加載環(huán)境下強化階段時間長度均為180 d。因此，與暴露環(huán)境相比，浸烘和浸烘+30%加載可以顯著縮短強化階段時間長度，浸烘和浸烘+30%荷載的強化階段時間長度至多是暴露強化階段時間長度的33.3%倍。圖3(b)所示:HSC在不同試驗環(huán)境下，相對動彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強化階段階段還未完成，浸烘和浸烘+30%荷載環(huán)境下強化階段時間長度為330 d;浸烘可以顯著縮短強化階段時間長度;因此，與暴露環(huán)境相比，浸烘和浸烘+30%加載可以顯著縮短強化階段時間長度，浸烘和浸烘+30%加載的強化階段時間長度至多是暴露強化階段時間長度的50%倍。圖3(c)所示:HPC在不同試驗環(huán)境下，相對動彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強化階段還未完成，浸烘和浸烘+30%荷載，強化階段時間長度分別為270 d和180 d;浸烘+30%荷載可以顯著縮短強化階段時間長度;浸烘和浸烘+30%荷載環(huán)境的強化階段時間長度至少是暴露強化階段時間長度的33.3%和50%倍。與暴露環(huán)境相比，浸烘+30%荷載環(huán)境可以顯著的縮短強化階段時間長度，OPC、HSC和HPC分別暴露強化階段時間長度的33.3%、61%和33.3%倍;而浸烘環(huán)境下OPC、HSC和HPC分別暴露強化階段時間長度的33.3%、61%和50%倍。因此，與現(xiàn)場暴露環(huán)境相比，浸烘+30%荷載環(huán)境對混凝土應力腐蝕最大，其次是浸烘環(huán)境。

圖3 OPC﹑HSC和HPC耐腐蝕能力與試驗環(huán)境的關系Fig.3 The relationship between OPC、HSC、HPC and test environment

2.3 鹽湖鹵水腐蝕混凝土的微觀分析

浸烘循環(huán)下，分別對90，330和540 d的HSC進行SEM分析混凝土空洞中微觀結構的變化，如圖4所示:90 d時有少量的腐蝕產(chǎn)物，330 d隨腐蝕產(chǎn)物有大量的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過540 d的浸烘循環(huán)，混凝土孔洞幾乎完全被針狀產(chǎn)物充填，并形成裂紋混凝土。裂縫并在進一步發(fā)展，通過對腐蝕產(chǎn)物進行確定為鈣礬石和石膏。這是因為SO2－4擴散到混凝土近表面區(qū)，在孔隙和界面區(qū)生成鈣礬石和石膏，當鈣礬石和石膏結晶長大，一旦其膨脹力超過混凝土的抗拉強度，就會差生大量裂縫，相對動彈模量開始劣化，隨著試驗的繼續(xù)，裂縫進一步擴展，促進鈣礬石和石膏的生成，相對動彈模量迅速下降。

圖4 鈣礬石晶體在不同腐蝕齡期對混凝土孔洞的充填情況Fig.4 Ettrigite crystals filled in void pore of the concrete specimens for different ages

3 結論

混凝土在應力腐蝕作用下的相對動彈性模量要經(jīng)歷強化階段與試驗環(huán)境和混凝土類型密切相關。

1)水灰比越大強化階段的時間越短，說明腐蝕產(chǎn)物多，混凝土結構迅速密實。對于同一混凝土而言，浸烘循環(huán)+30%荷載的強化階段時間最短，其次是浸烘循環(huán)，最后是現(xiàn)場暴露。

2)浸烘循環(huán)+30%荷載作用顯著加速了混凝土應力腐蝕破壞進程。OPC應力腐蝕的強化段在浸烘循環(huán)+30%荷載時間與長度暴露環(huán)境條件的相應時間長度分別壓縮了67%。在浸烘+30%荷載循環(huán)作用下，在強化階段HSC發(fā)生應力腐蝕的干濕循環(huán)次數(shù)分別比OPC和HPC延長了1.8倍，因此，在中國鹽湖地區(qū)，HSC表現(xiàn)出更強的抗應力腐蝕能力。

3)通過微觀分析，可知混凝土應力腐蝕的產(chǎn)物是鈣礬石和石膏。這是因為SO2－4擴散到混凝土近表面區(qū)，在孔隙和界面區(qū)生成鈣礬石和石膏，當鈣礬石和石膏結晶長大，一旦其膨脹力超過混凝土的抗拉強度，就會差生大量裂縫，相對動彈模量開始劣化。

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