凍融循環與硫酸鹽侵蝕損傷水工混凝土機理研究

袁曉奇

(遼寧宇鑫建設有限公司，沈陽 110000)

中國北方寒區土壤和水中的硫酸鹽含量豐富，較單一因素作用受凍融循環與硫酸鹽侵蝕耦合作用的混凝土破壞更加嚴重，對混凝土耐久性造成極大影響[1-2]。因此，研究凍融與硫酸鹽侵蝕下的損傷機理具有重要的工程實際意義。近年來，國內諸多研究者利用各種方法探討了混凝土耐久性受凍融-硫酸鹽耦合作用下的影響機理，如張云清等[3]探究了硫酸鎂侵蝕下混凝土的抗凍性，并提出混凝土性能不同則受硫酸鹽溶液的影響不同；余紅發等[4]研究了鹽湖鹵水中不同性能混凝土的破壞機理及凍蝕性能，并指出鹵水降低冰點引起的正效應與鹽結晶壓引起的負效應決定了混凝土凍蝕破壞程度；葛勇等[5]研究了不同濃度硫酸鈉溶液中非引氣與引氣混凝土的抗凍性，在水和硫酸鹽溶液中不同強度的混凝土抗凍性存在明顯差異，為改善混凝土抗凍性可以摻入適量的引氣劑；慕儒[6]等研究了硫酸鈉侵蝕作用下混凝土的抗凍性，提出硫酸鈉溶液對不同水灰比的混凝土影響不同。大多數學者研究鹽凍條件下混凝土損傷時，一般選用混凝土強度、相對動彈性模量、質量以及外觀等評價指標[7]。隨著科技的快速發展，超聲檢測逐漸得到廣泛的應用，如張峰、張鳳杰等[8-9]對氯化鈉和硫酸鹽溶液中混凝土的損傷層厚度利用超聲法進行檢測，為合理設計保護層厚度提供借鑒；Akhras、Naffa等[10-11]研究了混凝土受凍融損傷和化學腐蝕檢測中信號能量法、高頻超聲波法的應用。目前，針對混凝土在凍融-硫酸鹽中的損傷機理研究還鮮有報道。因此，文章探討了凍融-硫酸鹽耦合作用下混凝土損傷層厚度及其腎損傷規律，旨在為水工結構方案設計以及提高混凝土耐久性提供理論依據。

1 試驗方案

1.1 原材料及配合比設計

原材料有：①水泥：鞍山鋼都水泥廠P·O 42.5級水泥；②粉煤灰：大連國泰Ⅱ級粉煤灰；③骨料：粒徑5-15mm石灰巖質錘破碎石，細度模數2.70的大凌河廣達中砂；④減水劑：大連科諾QW-4聚羧酸高效減水劑；⑤引氣劑：中鋁聚能MA高效引氣劑；⑥拌合水：自來水。試驗配合比，見表1。

表1 試驗配合比

1.2 試件制作及試驗方法

試驗過程中重點考慮同一配合比混凝土凍融損傷受不同溶液種類及濃度的影響，H2O及質量分數5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的編號為W、M、S5、S1，試樣尺寸400mm×100mm×100mm，共4組，每組3塊。澆筑完成后室溫靜置24h拆模、編號，及時放入標養室養護28d，然后取出自然條件下再養護60d。為保證試樣吸水飽和，在達到預定養護齡期時提前5d取出，并放入配有水和質量分數5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的試件盒內，將試件盒裝入快速凍融試驗箱并開展標準推薦的“快凍法”凍融試驗；設定100、150、200、250、300、350作為凍融循環次數，混凝土損傷層厚度利用非金屬NM-4B型超聲檢測儀測定[12]。

1.3 表面損傷層厚度檢測

接受換能器按一定測距沿混凝土表面連續掃查，測點A處固定發射換能器T，檢測過程中及時讀取聲時值，超聲檢測原理圖，見圖1。

圖1 超聲檢測原理圖

換能器R、T的間距等于測距l0時，超聲波從未損傷層穿過損傷層經兩次傳播達到接受換能器的時間正好等于沿損傷層直接傳播達到接受換能器，該條件下符合以下公式：

(1)

將上式進一步轉換處理，可以利用下式計算混凝土的損傷層厚度hf(mm)，即：

(2)

式中：Vf、Va為混凝土損傷層和未損傷層中超聲波的傳播速度，km/s；l0為聲速突變時換能器間的距離，mm。根據超聲平測法檢測結果可以繪制時-距關系圖，聲速改變轉折點l0的前、后代表混凝土損傷及未損傷時l與t的相關直線，即混凝土損傷、未損傷的l與t關系可以利用回歸方法進行求解，具體表達式為：

lf=Af+Vftf、la=Aa+Vata

(3)

式中：lf、la為轉折點前后各測點的測距，mm；tf、ta為其對應的聲時，μs；Af、Aa為回歸系數，即損傷；Vf、Va為未損傷回歸直線的截距與斜率。最終，可以利用下式計算聲時突變時的l0值，即：

(4)

聯合公式(3)和公式(2)可以計算損傷層厚度hf。將測點布置于側面平整的400mm×100mm棱柱體上，由于混凝土損傷厚度較小，為了保證測量精度選擇初始測量間距25mm，然后依次增大測距為50、75、100、150、200、250，耦合劑選用凡士林。

2 結果與分析

2.1 超聲平測時-距關系

對混凝土試件利用超聲平測法檢測并生成各測點時-距關系，受文章篇幅限制僅列出M組各測點的時-距曲線，硫酸鎂溶液中的時-距關系曲線，見圖2。混凝土內部超聲波的傳播速率即為直線的斜率，其速率的變化就是斜率的變化，凍融循環初期時-距曲線是過原點的直線，隨著凍融循環的增大逐漸成為交點明顯的兩條直線。

(a)凍融循環100次

(b)凍融循環150次

(c)凍融循環200次

(d)凍融循環250次

(e)凍融循環300次

(f)凍融循環350次

從圖2可以看出，混凝土損傷層中超聲波速(即交點的前半段直線斜率)較小，直線斜率隨凍融循環次數的不斷增大逐漸下降；混凝土損傷層中超聲波速(即交點的后半段直線斜率)較大，兩直線交點隨凍融循環次數的逐漸增大不斷上移，交點的后半段直線也右移。

采用公式(2)-(3)計算各參數平均值，從而反映混凝土凍融損傷受不同溶液種類及濃度的影響，損傷層厚度hf測試結果，見表2。

表2 損傷層厚度hf測試結果

2.2 超聲波速變化規律

隨凍融循環次數變化混凝土損傷層、未損傷層中超聲波波速在不同溶液中的變化特征，超聲波速變化曲線，見圖3。從圖3(a)可以看出，未損傷層中的超聲波速Va隨著凍融循環次數的增大有所上升，這表明混凝土未損傷層的密實度相對較高。①摻入適量的粉煤灰參與二次水化，提高了內部密實度；②未損傷混凝土內部滲入的鹽溶液發生化學反應、物理結晶，內部孔隙被生成的產物填充，這使得混凝土的密實程度以及未損傷層中的超聲波速增大。鹽溶液對提高混凝土的密實程度隨著溶液濃度和滲透作用的增加逐漸增大，從而提高了超聲波在未損傷層中的傳播速率[13-16]。

從圖3(b)可以看出，損傷層中的超聲波速Va隨著凍融循環次數的增大有所下降，并且低于未損傷層中的Va，這表明混凝土損傷層的密實度相對較低，混凝土劣化加重，即聲速下降，傳播的時間變長。凍融次數相同的情況下，從大到小損傷層中超聲波的傳播速率為S5>W>S1>M，即凍融條件下混凝土損傷層受不同溶液的劣化程度具有一定差異。

(a)未損傷層中超聲波速Va

(b)損傷層中超聲波速Vf

2.3 超聲平測損傷層厚度變化

隨凍融循環次數變化不同溶液中的損傷層厚度，損傷層厚度hf變化曲線，見圖4。從圖4可以看出，混凝土損傷層厚度hf總體呈線性上升趨勢，凍融次數相同情況下從小到大損傷層厚度排列為S5

受凍融-硫酸鹽耦合作用的混凝土損傷程度可以利用損傷層厚度來衡量，損傷層密實度和超聲波速隨凍融次數的增大逐漸下降，混凝土的損傷層厚度及其損傷程度不斷增加。凍融次數相同的條件下，不同溶液引起的損傷程度存在明顯差異，這是由于硫酸鹽既有促進又有抑制凍融破壞的功能。一方面，硫酸鹽溶液的存在能夠提高并的可壓縮性，使得孔隙水冰點下降，抑制了凍融破壞；另一方面，硫酸鹽溶液提高了內部飽水程度，即增大了混凝土的冰水含量和凍脹力，此外混凝土內部滲入的硫酸鹽會發生化學反應、物理結晶生成無膠凝性或膨脹性產物，在一定程度上促進了凍融破壞。因此，上述兩方面作用的疊加最終決定了混凝土凍融破壞程度，即硫酸鹽溶液促進凍融破壞的作用>抑制作用時則表現為促進破壞，反之則為抑制破壞。

圖4 損傷層厚度hf變化曲線

混凝土凍融破壞受不同種類及濃度的鹽溶液影響不同，硫酸鈉的促進作用隨硫酸鈉濃度的升高轉變成抑制作用，硫酸鎂的雙重腐蝕作用使得其促進凍融破壞的作用最大，即混凝土內部滲入的硫酸鎂溶液與C-S-H反應生成M-S-H，而這種產物的膠結能力極低，因此其促進凍融破壞的作用最為顯著。

3 結 論

1)混凝土受凍融-硫酸鹽耦合作用的損傷程度可以利用損傷層厚度來衡量。凍融循環與不同溶液耦合作用下，超聲波在損傷層中的傳播速率存在一定差異，并且未損傷層中的波速高于損傷層。混凝土損傷層密實度和超聲波速隨凍融循環次數的增大逐漸下降，混凝土的損傷層厚度及其損傷程度不斷增加。

2)凍融次數相同的條件下，不同溶液引起的損傷程度具有明顯差異，這是由于硫酸鹽既有促進又有抑制的雙重作用；濃度較低時硫酸鈉發揮促進作用而濃度較高時發揮抑制作用，硫酸鎂的雙重腐蝕作用使得其促進凍融破壞最為顯著。