硫酸鹽環(huán)境下再生混凝土的損傷演化研究

安新正，易 成，趙長彪，張結(jié)太

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083;3.邯鄲市四方建設(shè)監(jiān)理有限公司，河北邯鄲056002)

Mehta［1]曾于 1991 年指出，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕對混凝土結(jié)構(gòu)的巨大破壞作用。我國的《工業(yè)建筑防腐設(shè)計規(guī)范》也針對硫酸鹽對混凝土的腐蝕性作出了明確的等級劃分。就當(dāng)前的環(huán)境情況來看，我國還存在著較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，如SO3污染等，有害介質(zhì)環(huán)境對再生混凝土材料的劣化作用結(jié)果也將隨著混凝土結(jié)構(gòu)服役年限的逐漸增加而日益突顯出來。可以說，環(huán)境有害介質(zhì)對再生混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用已成為當(dāng)今再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化因素中一個不可忽視的重要因素。

試驗研究表明［2－4]，干濕交替條件下從外部經(jīng)滲透而進(jìn)入混凝土構(gòu)件內(nèi)部的硫酸鹽對混凝土具有較強(qiáng)的劣化作用，是混凝土材料性能劣化的一個主要因素。處于浪濺區(qū)、潮汐區(qū)的服役混凝土結(jié)構(gòu)遭受干濕循環(huán)、硫酸鹽腐蝕等環(huán)境作用是一個十分常見的現(xiàn)象，由此誘發(fā)的鋼筋銹蝕、混凝土強(qiáng)度降低之類的性能損傷與失效問題也表現(xiàn)得十分突出［5－7]。再生混凝土是由再生粗集料、細(xì)集料(或再生細(xì)集料)、水泥、水、摻合料等按一定的配合比配制而成的新型混凝土［8]，因此再生混凝土也存在著初始微裂紋、微孔隙及骨料損傷等內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，而且這些缺陷也明顯地復(fù)雜和多于普通混凝土。探討硫酸鹽侵蝕環(huán)境對再生混凝土耐久性能的影響規(guī)律，開展相關(guān)的實(shí)驗研究是必要的。

雖然針對相關(guān)環(huán)境介質(zhì)侵蝕作用下再生混凝土的耐久性問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一些試驗研究與理論分析，且獲得了一些寶貴的研究成果［9－11]。但是，相關(guān)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生混凝土材料耐久性損傷與劣化方面的研究目前還僅僅處于初期的起步階段。基于此，本文設(shè)計了一系列硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的再生混凝土耐久性試驗，通過對干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生混凝土試件相對動彈性模量、抗壓強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)的室內(nèi)試驗，研究在干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕環(huán)境作用下再生混凝土耐久性能的損傷演化規(guī)律。

1 Na2SO4環(huán)境下的再生混凝土試驗

1.1 試驗概況

(1)再生粗骨料

以舊有建筑上拆卸下來的廢棄混凝土梁作為基體，采用鉆芯取樣法檢測得到強(qiáng)度評價值為32.4MPa。經(jīng)自來水清洗并晾干后，人工破碎、小型顎式破碎機(jī)破碎，并對破碎后的再生骨料顆粒進(jìn)行篩分，制成具有連續(xù)顆粒級配的再生粗骨料(表1)。檢測得到再生粗骨料中硫化物及硫酸鹽的質(zhì)量含量(折算成SO3)為0.87%。

(2)再生混凝土配置與試件制作

水泥:太行山P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料:普通河砂，表觀密度2.65 g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.6;摻合料:磨細(xì)礦粉;拌和水:飲用自來水。配合比詳見表2所示。

采用以上配合料制作再生混凝土?xí)r，拌和方法為強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌，試件制作為鋼模一次灌注成型，分別澆筑棱柱體試件26個，立方體試件12個，試件尺寸分別為70 mm×70 mm×210 mm和100 mm×100 mm×100 mm。試件灌注后在振實(shí)臺上振搗密實(shí)，而后靜止24 h拆模。將拆模后的試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，28 d后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試。

表1 再生粗骨料指標(biāo)Tab.1 Properties of recycled coarse aggregate

表2 再生混凝土配合比及強(qiáng)度指標(biāo)Tab.2 Mix proportion and compressive strength of RAC

(3)硫酸鹽－干濕循環(huán)侵蝕實(shí)驗設(shè)計

由于干濕循環(huán)通常發(fā)生在港工混凝土工程的浪濺區(qū)、潮汐區(qū)部分，同時考慮到我國南方地區(qū)在干濕循環(huán)頻發(fā)季節(jié)浪濺區(qū)、潮汐區(qū)的地面平均溫度情況，本文設(shè)計的室內(nèi)實(shí)驗干濕循環(huán)制度(Qtest)為:再生混凝土試件在烘箱中(50℃ ±2℃)烘12 h，室溫冷卻12 h，然后在配制好的Na2SO4侵蝕溶液中(20℃ ±2℃)浸泡24 h，至此完成一個Na2SO4侵蝕溶液侵蝕的干濕循環(huán)周期。

1.2 Na2SO4環(huán)境下全再生粗骨料混凝土的退化

將Na2SO4侵蝕溶液濃度(Sl)分別設(shè)計為3%、5%和10%。基于全再生混凝土棱柱體試件在不同的Na2SO4侵蝕溶液濃度水平和設(shè)定的干濕循環(huán)次數(shù)下的實(shí)驗結(jié)果，可以得到Na2SO4侵蝕溶液的濃度水平對全再生混凝土相對動彈性模量(Er)及線膨脹率(△L)演化的影響規(guī)律(圖1、圖2)。

由圖1、圖2可以得知，干濕循環(huán)－Na2SO4溶液侵蝕作用對全再生混凝土的相對動彈性模量Er和線膨脹率△L具有顯著的影響，其影響的顯著程度與浸泡溶液的濃度水平Sl及干濕循環(huán)次數(shù)都有著十分密切的相關(guān)關(guān)系。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在相同的干濕循環(huán)條件下，Sl=3%時，△L最小，體積穩(wěn)定性最好;而Sl=3%時，△L最大，體積穩(wěn)定性最差，△L隨Sl的增加而增大。

在干濕循環(huán)－Na2SO4侵蝕的作用下，全再生混凝土Er的演化過程基本上呈現(xiàn)為非線性發(fā)展，其發(fā)展趨勢可用以下3個階段來描述。

(1)初期的緩慢增長階段(T1)。在這一時期，Er開始非線性緩慢增長并累積達(dá)到最大值Emax(r)，3種濃度水平Na2SO4溶液侵蝕引起Er的變化趨勢大致上是一致的，但達(dá)到Emax(r)時所需的干濕循環(huán)次數(shù)卻隨Sl的增大而減少。通過對比可以得知，Sl從3%增大到5%，相應(yīng)地達(dá)到Emax(r)所需的干濕循環(huán)次數(shù)N也從50次左右下降到了近20次左右;

(2)中期的非線性緩慢衰減退化階段(T2)。在這一時期，Er以Emax(r)為起點(diǎn)開始出現(xiàn)非線性緩慢衰減退化，T2將隨Sl的減小而增大，隨Sl的增大而縮短;

(3)后期的快速破壞階段(T3)。在這一時期，Er開始加速衰減退化并達(dá)到損傷臨界值，即:相對動彈性模量值等于60%(當(dāng)Er≥60%時，表明全再生混凝土已達(dá)到技術(shù)性失效狀態(tài))。

對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，T1約占整個破壞過程的1/10左右。Er的下降速度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。同時，所有試件相對動彈性模量的最大值都基本上接近于1.07。

1.3 不同再生粗骨料取代率混凝土的退化

由于再生混凝土的力學(xué)性能和其自身體積穩(wěn)定性與再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、安全性息息相關(guān)，因此開展再生混凝土力學(xué)性能及其自身體積穩(wěn)定性的相關(guān)實(shí)驗研究很有必要。為了研究不同再生粗骨料取代率再生混凝土在Na2SO4侵蝕溶液侵蝕條件下的力學(xué)性能損傷演化規(guī)律及體積膨脹變化規(guī)律，進(jìn)行了A組、B組、C組和D組試件在Na2SO4侵蝕溶液濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水平 Sl=5%侵蝕條件下的相對動彈性模量和線膨脹性實(shí)驗。

基于5%Na2SO4侵蝕溶液濃度水平下不同再生粗骨料取代率再生混凝土棱柱體試件的干濕循環(huán)實(shí)驗結(jié)果，可以得到再生粗骨料取代率對再生混凝土的線膨脹率△L及相對動彈性模量演化的影響規(guī)律(圖3、圖4)。

(1)再生粗骨料取代率對相對動彈性模量的影響。由圖3可以得知，在相同的干濕循環(huán)－Na2SO4溶液侵蝕作用下，不同再生粗骨料取代率r引起Er的變化趨勢基本上是一致的，但達(dá)到Emax(r)時所需的干濕循環(huán)次數(shù)卻隨再生粗骨料取代率r的增大而減少。通過對比還可以發(fā)現(xiàn)，r從0%增大到100%，相應(yīng)地達(dá)到Emax(r)所需的干濕循環(huán)次數(shù)N也從50次左右下降到了近30次左右。Er的衰減退化期將隨r的減小而加長，隨r的增大而縮短，而且Er的下降速度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。同時，試驗結(jié)果也表明，不論r如何變化Er的最大值都大致上接近于1.07。

(2)再生粗骨料取代率對再生混凝土線膨脹率的影響。基于再生混凝土試件線性膨脹率實(shí)驗數(shù)據(jù)，可以得到在5%NaSO4溶液－干濕循環(huán)侵蝕作用下，不同再生粗骨料取代率r的再生混凝土試件的線膨脹率的經(jīng)時變化規(guī)律(圖4)。可以發(fā)現(xiàn)，在5%NaSO4溶液－干濕循環(huán)侵蝕作用下，r=0%的再生混凝土(基準(zhǔn)混凝土)，其線膨脹率△L最小，體積穩(wěn)定性最好。r=100%的再生混凝土(全再生混凝土)△L最大，體積穩(wěn)定性也最差。在相同的干濕循環(huán)條件下，△L隨r的增加而增大。這是因為隨著再生粗骨料的摻入量的增大，再生混凝土的抗?jié)B性能就逐漸變差，在相同時間里硫酸根離子經(jīng)滲透進(jìn)入到再生混凝土內(nèi)部的量就越大，反應(yīng)生成膨脹性鈣礬石、石膏的量也就越多。再生混凝土的體積膨脹是由膨脹性鈣礬石、石膏造成其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)體積膨脹造成的。顯然，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，硫酸根離子繼續(xù)向再生混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，生成膨脹性鈣礬石、石膏的量也就更多，再生混凝土的線長度變化將繼續(xù)增大并最終引發(fā)再生混凝土體積穩(wěn)定性失效。

2 Na2SO4環(huán)境下再生混凝土的損傷演化

相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明［12－14]，在硫酸鹽侵蝕溶液的作用下，混凝土的侵蝕破壞會因侵蝕方式(全侵蝕、半侵蝕、干濕交替侵蝕)、侵蝕環(huán)境的溫度、硫酸鹽溶液的濃度水平的不同而呈現(xiàn)出不同的破壞特征。在干濕循環(huán)作用過程中，由于硫酸根離子與混凝土材料中的水泥水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成體積膨脹的鈣礬石(或石膏)，同時這些生成物逐漸沉積于再生混凝土的原始微裂紋、微孔隙之中，所以混凝土在干濕循環(huán)的初期，其基本性能將得到一定程度的提高，從而致使該階段內(nèi)結(jié)構(gòu)的可靠度也將有一定程度的提高［15－17]。但是，隨著時間的推移，當(dāng)鈣礬石(或石膏)的累積量超過臨界閥值時生成物累積的膨脹壓力就會超過再生混凝土的抗拉強(qiáng)度，致使再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生開裂損傷，并通過損傷積累最終引起再生混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀破壞。

目前，干濕循環(huán)下混凝土硫酸鹽侵蝕損傷的預(yù)測模型，主要有基于經(jīng)驗的預(yù)測模型，如Schneider等［18]提出了預(yù)測混凝土硫酸鹽腐蝕壽命的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停M硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土相對強(qiáng)度的演變規(guī)律。我國學(xué)者對硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土的耐久性預(yù)測也進(jìn)行了一些研究，陳靜等［19]基于自然衰變規(guī)律并結(jié)合硫酸鹽侵蝕作用的實(shí)際情況，建立的硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性的經(jīng)驗預(yù)測模型;李士偉等［20]從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于Fick第二定律及Loland損傷模型，提出的硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土立方體損傷度的理論預(yù)測模型。但是，針對相關(guān)硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生混凝土損傷模型方面的研究，卻鮮有報導(dǎo)。

2.1 基于實(shí)驗結(jié)果的Er演化研究

假定Er與N的關(guān)系符合拋物線的演化規(guī)律，那么Er與N可建立如下的相關(guān)函數(shù)式:

式中:a、b、c—實(shí)驗參數(shù)。

邊界條件:當(dāng)N=0時，Er=1，可得到參數(shù)a=1。則

結(jié)合本文的研究內(nèi)容，b、c為與再生混凝土材料性能及外部侵蝕環(huán)境(侵蝕溶液濃度水平)因素有關(guān)的參數(shù)，可通過試驗獲得。由拋物線的基本特性可知在此c是負(fù)值(c＜0)，且|c|的值越大，拋物線的開口就越寬闊，即|c|的值越大，曲線Er的變化趨勢就越緩慢。反之，曲線Er的變化趨勢就越陡峭。

影響再生混凝土耐久性能劣化的因素很多，考慮到Na2SO4侵蝕溶液濃度水平、再生粗骨料取代率、再生混凝土強(qiáng)度這些因素對再生混凝土耐久性演化的影響，同時考慮到實(shí)際干濕循環(huán)－Na2SO4侵蝕環(huán)境下再生混凝土相對動彈性模量計算模型的一般性，在此以Na2SO4溶液濃度水平Sl=5%和再生粗骨料取代率r=100%作為基準(zhǔn)條件，以Er隨環(huán)境干濕循環(huán)次數(shù)N的損傷演化規(guī)律符合拋物線變化特征為前提。同時，依據(jù)實(shí)驗結(jié)果并結(jié)合式(2)，可以建立如下再生混凝土相對動彈性模量計算模型。

式中:k1—Na2SO4侵蝕溶液濃度水平Sl的修正系數(shù)，k1= －0.003+0.026 5Sl+0.961 2;k2—再生粗骨料取代率修正系數(shù)，k2=1.017 7e－0.0002r;k3—再生混凝土強(qiáng)度修正系數(shù)，k3=0.920 7e0.0026fcu，0;α—損傷變量調(diào)整系數(shù)，可由實(shí)驗確定，在此取 1.0;g= － 9.037 5 × 10－5，h=5.512 6×10－3。

在此引入?yún)?shù)相對誤差絕對值Δ，對式(3)進(jìn)行檢驗:

基于干濕循環(huán)－Na2SO4環(huán)境下再生混凝土Er的計算模型，對不同 Sl、fcu，0和 r下試件 Er隨 N變化的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和Δ計算。設(shè)N=50次，比較結(jié)果詳見表3所示。

表3 Er演化方程的各項系數(shù)Tab.3 Coefficients of evolution function for Er

由表3可知，Er計算模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差絕對值均在5%以內(nèi)，計算結(jié)果與實(shí)際的腐蝕演化過程具有較好的吻合性。

2.2 再生混凝土腐蝕損傷預(yù)測模型的建立

再生混凝土的 Na2SO4侵蝕損傷，是指在Na2SO4侵蝕過程中初期的再生混凝土材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化和后期微裂紋的形成與擴(kuò)展。而且再生混凝土的Na2SO4侵蝕損傷過程是一個不可逆的累積損傷過程。假定再生混凝土在Na2SO4侵蝕過程中所造成的累積損傷是各向同性的，依據(jù)文獻(xiàn)［21] 對損傷變量的定義，可以得知經(jīng)歷N次干濕循環(huán)－Na2SO4溶液侵蝕之后，再生混凝土的累積損傷DN與其相應(yīng)時刻的相對動彈性模量Er存在如下的相關(guān)關(guān)系。

代入式(3)得

式(6)即為在干濕循環(huán)－Na2SO4侵蝕環(huán)境下，摻入不同用量再生粗骨料的再生混凝土在不同干濕循環(huán)次數(shù)N下的累積損傷變量DN表達(dá)式。DN＜0時表示試件無腐蝕損傷發(fā)生，此時取DN=0，DN=1時表示試件已經(jīng)發(fā)生腐蝕破壞，因此0≤DN≤1。式(6)中各系數(shù)的計算方法與式(3)的相同。

3 結(jié)論

1)在全再生混凝土情況下，Er的衰減退化期將隨Na2SO4溶液濃度水平Sl的增大而縮短，隨Sl的減小而加長，而且Er的下降速度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大;Sl=5%時，不同再生粗骨料取代率r引起Er的變化趨勢基本上是一致的，但達(dá)到Emax(r)時所需的干濕循環(huán)次數(shù)卻隨再生粗骨料取代率r的增大而減少。Er的衰減退化期將隨r的減小而加長，隨r的增大而縮短，而且Er的下降速度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。同時，不論r與Sl如何變化，比值Emax(r)/Er大致上接近于 1.07。

2)在5%Na2SO4溶液－干濕循環(huán)侵蝕作用下，r=0%的再生混凝土(基準(zhǔn)混凝土)，其線膨脹率△L最小，體積穩(wěn)定性最好。而r=100%的再生混凝土(全再生混凝土)，其△L最大，體積穩(wěn)定性最差。在相同的干濕循環(huán)條件下，△L隨r的增加而增大。

3)建立的干濕循環(huán)－Na2SO4作用環(huán)境下再生混凝土的拋物線型損傷計算模型，其計算值與實(shí)測值有較好的吻合，能夠在實(shí)驗室環(huán)境下較好地反映干濕循環(huán)－Na2SO4侵蝕環(huán)境下Er的演化規(guī)律。

［1] MEHTA P K.Concrete duriability － fifty year＇s progress［C] //Proceeding 2nd International Conference on Concrete Durability.US:American Concrete Institution，ACI SP－126，1991(1):1－31.

［2] CODY R D，CODY A M，SPRY P J，et al.Reduction of concrete deterioration by ettringite using crystal growth inhibition techniques ［R] . US: Iowa State University，2001.

［3] 梁詠寧，袁迎曙.硫酸鹽侵蝕環(huán)境因素對混凝土性能退化的影響［J] .中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(4):452－457.

［4] 左曉寶，孫 偉.硫酸鹽侵蝕下的混凝土損傷破壞全過程［J] .硅酸鹽學(xué)報，2009，37(7):1063－1067.

［5] 安新正，易成，劉燕，等.硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)作用下混凝土損傷試驗研究［J] .混凝土與水泥制品，2010(2):1－3.

［6] 安新正，易成，劉燕，等.鋼筋混凝土梁腐蝕損傷超聲檢測試驗研究［J] .河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，33(1):108－112.

［7] 高潤東，趙順波，李慶斌，等.干濕循環(huán)作用下混凝土硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理試驗研究［J] .土木工程學(xué)報，2010，43(2):48－54.

［8] 肖建莊.再生混凝土材料與結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展［J] .世界科學(xué)，2006(12):29－31.

［9] 安新正，易成，劉燕，等.硫酸鹽環(huán)境下再生混凝土性能試驗研究［J] .混凝土，2010(7):31－33.

［10] 肖建莊，雷斌.再生混凝土耐久性能研究［J] .混凝土，2010(5):83－89.

［11] 安新正，易成，姜新佩，等.海水環(huán)境下再生混凝土的腐蝕研究［J] .河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，28(1):5－9.

［12] BOUAZZA A，JEFFERIS S，VANGPAISAL T.Investigation of the effects and degree of calcium exchange on the atterberg limits and swelling of geosynthetic clay liners when subjected to wet－dry cycles［J] .Geotextiles and Geomembranes，2007，25(3):170 －185.

［13] SANTHANAM M，COHEN M D，OLEK J.Sulfate attack research－wither now［J] .Cement and Concrete Research，2001，31(6):845－851.

［14] SANTHANAM M，COHEN M D，OLEK J.Modeling the effects of solution temperature and concentration during sulfate attack on cement mortars［J] .Cement and Concrete Research，2002，32(4):585－592.

［15] 喬宏霞，何忠茂，劉翠蘭.硫酸鹽環(huán)境混凝土動彈性模量及微觀研究［J] .哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40(8):1302－1306.

［16] 王 琴，楊鼎宜，鄭佳明.干濕交替環(huán)境下混凝土硫酸鹽侵蝕的試驗研究［J] .混凝土，2008(6):29－31.

［17] 袁曉露，李北星，崔 鞏，等.干濕循環(huán)－硫酸鹽侵蝕下混凝土損傷機(jī)理的分析［J] .公路，2009，(2):163－166.

［18] SCHNEIDER U，CHEN S W.Modell and empirical formulas for chemical corrosion and stress corrosion of cementitious materials ［J] .Mater.Struct，1998，31(10):662－668.

［19] 陳靜，劉學(xué)文，杜應(yīng)吉，等.混凝土抗硫酸鹽侵蝕耐久壽命預(yù)測模型［J] .人民黃河，2009，31(4):95－96.

［20] 李士偉，王迎飛，王勝年.硫酸鹽環(huán)境下混凝土損傷預(yù)測模型［J] .武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32(14):35－39.

［21] 關(guān)宇剛，孫 偉，繆昌文.基于可靠度與損傷理論的混凝土壽命預(yù)測模型Ⅱ:模型驗證與應(yīng)用［J] .硅酸鹽學(xué)報，2001，29(6):535－540.