高溫變溫條件下噴射混凝土硫酸鹽侵蝕力學性能劣化試驗

羅虎 童建軍 趙文治 李果 劉晉升 王祥 蔡延山

【摘 要】?文章選取初始養護溫度和硫酸鈉侵蝕天數為影響因素，設立橫向與縱向對照試驗組，開展12組噴射混凝土的硫酸鹽侵蝕試驗，試件養護采用高溫變溫養護方法。結果表明：初始養護溫度越高的噴射混凝土，其耐久性能越差;噴射混凝土在干濕循環過程中，其質量先在短期內有所增加，然后降低;經過干濕循環后，噴射混凝土強度基本呈下降趨勢，并且硫酸鹽侵蝕對噴射混凝土力學性能的劣化會隨著初始養護溫度的升高而加快。

【關鍵詞】噴射混凝土; 高溫變溫養護; 硫酸鹽侵蝕; 力學性能; 耐久性

1 噴射混凝土硫酸鹽侵蝕研究

工程建設已由大范圍新建階段進入使用維護階段，既有混凝土結構的可靠性分析的重要性應該得到重視;而結構耐久性的研究是既有結構整體可靠性分析的重要組成部分[1]。工程實踐經驗表明：與普通混凝土相比，噴射混凝土具有極短的終凝時間和高早齡期強度[2]。而引起混凝土結構耐久性破壞的四大主因分別是硫酸根離子侵蝕、鋼筋銹蝕、堿-硅反應和凍-融循環，這其中硫酸鹽侵蝕更應引起高度重視，被認為是引起混凝土結構耐久性破壞的最主要因素[3]。

混凝土結構受硫酸鹽侵蝕之后力學性能會有不同程度的劣化[4]，硫酸鹽侵蝕作用可以分為物理侵蝕和化學侵蝕[5]，是由于硫酸鹽環境中的侵蝕性離子進入混凝土內部，與水泥石中一些組分發生化學反應，生成膨脹性產物，導致混凝土細觀結構產生缺陷[6]，并分解水泥石中的重要組分，造成混凝土開裂、剝落及強度下降，由表及里形成損傷層，最終導致混凝土發生破壞[7]。這是一個極其復雜的物理化學過程，在不同的環境下侵蝕機理也不同[8]，是長期以來混凝土相關研究的主要內容之一。

已有研究均是基于常溫環境，但近年來高巖溫特殊地質條件下的隧道工程開始大量出現，國內外學者們關于隧道高地熱問題開展了大量研究，成果主要集中在溫度對巖體及襯砌的力學特性影響、摻和料使用、隔熱通風設計及施工工藝等方面[9]，本文主要探究高溫變溫條件和硫酸鹽侵蝕下對噴射混凝土的影響。高溫容易導致支護結構開裂、支護材料力學性能及耐久降低[10]。在高巖溫隧道環境下，由于施工通風的降溫作用，噴射混凝土在施作后會高溫到常溫的降溫過程[11]，該過程會改變噴射混凝土的力學性能。因此，本文基于高巖溫隧道施工期溫度場研究成果，通過高溫變溫養護方法，進行硫酸鹽干濕循環試驗，以質量損失率、抗壓試驗、劈裂抗拉強度為指標來研究高溫變溫條件下噴射混凝土硫酸鹽侵蝕后力學性能的劣化情況。

2 試驗概況

2.1 試驗用原材料及配合比

噴射混凝土各項性能指標與成分含量如表1所示。

2.2 試件制作

噴射混凝土試塊具體制作按照如圖1～圖4所示。包括準備模板及噴射混凝土原材料、噴射混凝土、高溫變溫養護與標準養護、切割成塊和編號四個主要步驟。

2.3 試件分組與編號

養護初始溫度分別取20 ℃、40 ℃、60 ℃，干濕循環時間分別取0天、15天、30天、60天。為了避免因試件個體實驗誤差過大導致數據離散問題，并滿足破壞試驗的試件需求，每組養護條件下的有效試件個數均選取為6個，抗壓試驗與劈裂抗拉試驗均使用3個有效試件，共計72個試件。

2.4 試件養護與試驗設備

根據高地溫隧道施工期間噴射混凝土的溫度演化規律，本文確立了噴射混凝土的高溫變溫養護方法：設置試驗組試件初始養護溫度T0（分別為40 ℃、60 ℃），濕度保持55 %不變，變溫養護試件從初始養護溫度T0開始等幅降溫，使溫度在5天后降至28 ℃，繼而保持28 ℃養護至26天;同時作為對照，一組試件在標準狀況（溫度20 ℃，濕度95 %）下恒溫恒濕養護26天。養護完畢后取出試件烘干48 h并進行干濕循環試驗。

建筑設備與建筑材料羅虎， 童建軍， 趙文治， 等： 高溫變溫條件下噴射混凝土硫酸鹽侵蝕力學性能劣化試驗

高溫變溫養護操作所用到的儀器為HXIHS-010L恒溫恒濕養護箱，如圖5所示。浸泡試塊所用試驗盒尺寸為550 mm×410 mm×310 mm。烘干設備為XMTE-3000A電熱鼓風數顯干燥箱，如圖6所示。

2.5 試驗方法

硫酸鹽溶液干濕循環具體過程為：烘干后的試件進行靜置冷卻至室溫后立即放入試驗盒中。試件安置完畢，倒入配置好的濃度為10 %的Na2SO4溶液使溶液表面高于試塊頂面超20 mm。一個干濕循環包括兩個階段，先在10 % Na2SO4溶液中浸泡16 h，然后在80 ℃下干燥8 h。試驗在經歷了15，30和60個循環后分別檢測質量損失率，抗壓強度和劈裂抗壓強度。

試驗過程中，為了使溶液濃度保持在一定水平，每15天更換一次溶液。溶液溫度始終保持在25～30 ℃范圍內。

根據國家標準GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定的試驗方法，混凝土抗壓試驗利用CSS-WAW600DL電液伺服萬能試驗機進行，測定試塊的抗壓強度值，見圖7（a）。

混凝土試塊劈裂抗拉強度試驗利用電子萬能試驗機進行，測定試塊的劈裂抗拉強度，見圖7（b）。

3 試驗結果分析

3.1 質量損失率

不同初始養護溫度下，質量損失率隨干濕循環天數變化情況如圖8所示。隨著干濕循環次數的增加，噴射混凝土試塊的質量先增加后降低。這是因為在干濕循環初期，鈣礬石等腐蝕產物在微裂縫中的堆積使試件密實度相對增大;而后，腐蝕產物大量生成及結晶作用導致內部膨脹應力增大、試件微裂紋大量生成并擴展，試件表面及邊角處砂漿及骨料開始大量剝落，導致噴射混凝土質量減少[8]。同時，高溫變溫養護的噴射混凝土，內部結構比較疏松，孔隙及微裂縫較多，使得噴射混凝土在干濕循環前期質量增加更多。 其中60 ℃養護的試件在循環30次后質量大幅度下降，試件表層剝落嚴重。這表明，高溫養護條件下的噴射混凝土耐久性能更差。

3.2 抗壓強度

圖9反映了不同初始溫度和干濕循環天數對噴射混凝土抗壓性能的影響?？梢钥闯?，隨著干濕循環次數的增加，噴射混凝土抗壓強度整體上呈下降趨勢。在未進行干濕循環之前，高溫變溫養護的初始溫度越高，噴射混凝土抗壓強度越低。另外初始養護溫度越高，干濕循環的次數越多，噴射混凝土的抗壓強度劣化越明顯，初始養護溫度為60 ℃的噴射混凝土，干濕循環時間為60天時，抗壓強度僅為4.6 MPa。

3.3 劈裂抗拉強度

圖10反映了不同初始溫度和干濕循環天數對噴射混凝土劈裂抗拉性能的影響。高溫變溫養護的初始溫度越高，噴射混凝土的劈裂抗拉強度越低。硫酸鹽的侵蝕和干濕循環的作用，會讓噴射混凝土的劈裂抗拉強度整體呈現下降趨勢。然而，經過60 ℃高溫變溫養護后的噴射混凝土，前期其抗拉強度有所上升，后期抗拉強度開始下降。這是因為，高溫養護的噴射混凝土內部孔隙較多，侵蝕產物會堆積在孔隙內使其密實度增大，進而使得其強度有所增大，而后期侵蝕嚴重，抗拉強度又急劇下降。

4 結論

（1）噴射混凝土在干濕循環過程中，其質量先在短期內有所增加，然后降低。高溫變溫養護的初始溫度越高，會使噴射混凝土隨著干濕循環，前期質量增加越多、越快，后期下降趨勢越大、下降越多。

（2）噴射混凝土在高溫變溫養護時，較高的初始養護溫度會降低其抗壓與劈裂抗拉強度。

（3）經過高溫變溫養護的噴射混凝土在長期的干濕循環過程中，抗拉與抗壓強度整體是呈現下降趨勢的。并且，初始養護溫度越高的噴射混凝土在干濕循環后其力學性能劣化越明顯。

參考文獻

[1] 李濤，孫忠民，丁凱倫.硫酸鹽侵蝕混凝土力學性能及侵蝕產物研究進展[J].混凝土與水泥制品，2019（1）：1-5.

[2] 劉新榮，祝云華，李曉紅，等.隧道鋼纖維噴射混凝土單層襯砌試驗研究[J].巖土力學，2009，30（8）：2319-2323.

[3] 白衛峰，劉霖艾，管俊峰，等.基于統計損傷理論的硫酸鹽侵蝕混凝土本構模型研究[J].工程力學，2019，36（2）：66-77.

[4] 朱孔峰，逯靜洲，劉亞，等.歷經荷載后受硫酸鹽侵蝕的混凝土力學性能[J].長江科學院院報，2018，35（1）：143-146.

[5] 姜磊，牛荻濤.硫酸鹽侵蝕與干濕循環下混凝土本構關系研究[J].中國礦業大學學報，2017，46（1）：66-73.

[6] 姜磊，牛荻濤.硫酸鹽侵蝕作用下混凝土損傷層與微觀研究[J].硅酸鹽通報，2015，34（12）：3462-3467.

[7] 王海龍，董宜森，孫曉燕，等.干濕交替環境下混凝土受硫酸鹽侵蝕劣化機理[J].浙江大學學報：工學版，2012，46（7）：1255-1261.

[8] 亢景富.混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題[J].混凝土，1995（3）：9-18.

[9] 劉喜康.高巖溫對隧道支護結構的影響及隔熱層方案研究[J].工程建設與設計，2020（19）：101-103.

[10] 王明年，胡云鵬，童建軍，等.高溫變溫環境下噴射混凝土-巖石界面剪切特性及溫度損傷模型研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（1）：63-75.

[11] 王明年，唐興華，吳秋軍，等.高巖溫隧道圍巖-支護結構溫度場演化規律[J].鐵道學報，2016，38（11）：126-131.

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