初始損傷對(duì)噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

賈 飛，閻王虎，潘慧敏，湯建華，王選明，高 昆

(1.中交路橋華北工程有限公司，北京 101100；2.燕山大學(xué)，河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004； 3.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，石家莊 050056)

0 引 言

作為隧道錨噴支護(hù)體系的核心組成部分，噴射混凝土具有終凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在控制圍巖穩(wěn)定、確保施工安全等方面發(fā)揮了重要作用，因此被廣泛應(yīng)用于隧道初期支護(hù)中[1-2]。噴射混凝土作為永久性襯砌結(jié)構(gòu)，除了關(guān)注其服役狀態(tài)下的受力性能，其在環(huán)境作用下的耐久性也尤為重要[3-4]。在影響噴射混凝土耐久性的諸多因素中，硫酸鹽侵蝕是引起混凝土材料損傷破壞的重要因素之一[5-6]，由硫酸鹽侵蝕造成的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能退化已成為研究者關(guān)注的問(wèn)題。

與普通混凝土類似，噴射混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能也取決于其微觀結(jié)構(gòu)、傳輸性能、孔隙率和相組成[12-14]。但噴射混凝土與普通混凝土的配合比存在較大差別[15-16]，另外施工噴射參數(shù)(包括噴射風(fēng)壓、噴射工藝、外加劑調(diào)控)和周圍環(huán)境作用(如爆破振動(dòng)、沖擊)均會(huì)對(duì)噴射混凝土整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此在其凝結(jié)硬化過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)空洞或一些初始缺陷[17-18]。這些初始缺陷不僅會(huì)導(dǎo)致材料性能退化，還會(huì)使隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在繼續(xù)承受荷載時(shí)進(jìn)一步開(kāi)裂[19]。損傷效應(yīng)考慮不足會(huì)增加結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)水平[20-21]，初始損傷與耐久性損傷劣化的關(guān)系是準(zhǔn)確描述服役狀態(tài)下噴射混凝土性能的關(guān)鍵因素之一。

初始損傷對(duì)噴射混凝土性能的影響已成為一個(gè)有吸引力的研究課題，但目前基于初始損傷所開(kāi)展的相關(guān)研究多針對(duì)普通混凝土[22-24]，對(duì)噴射混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的性能變化則關(guān)注較少。初始損傷在噴射混凝土中是不可避免的，甚至較普通混凝土更為常見(jiàn)，因此有必要對(duì)損傷后的混凝土開(kāi)展耐久性研究。鑒于此，本文依托北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段施工技術(shù)需求，將可能導(dǎo)致噴射混凝土力學(xué)行為出現(xiàn)衰減的所有缺陷統(tǒng)稱為初始損傷，通過(guò)對(duì)初始損傷噴射混凝土進(jìn)行干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，以表觀狀態(tài)、質(zhì)量變化率、相對(duì)動(dòng)彈模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并借助微觀形貌分析和化學(xué)組成分析，系統(tǒng)研究了初始損傷對(duì)噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，探討了其損傷劣化機(jī)理，并建立了初始損傷噴射混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的損傷演化模型。該研究不僅豐富了噴射混凝土耐久性理論，而且對(duì)保證交通隧道工程用混凝土的安全性有一定的指導(dǎo)意義。

1 依托工程概況

本文依托項(xiàng)目為北京—秦皇島高速公路遵化—秦皇島B9標(biāo)段孤石峪隧道，此隧道為獨(dú)立雙洞形式，上、下行分離，左洞起止樁號(hào)ZK139+478～ZK141+398，右洞起止樁號(hào)K139+483～K141+403，左右洞長(zhǎng)度均為1 920 m。隧道雙洞縱坡均為-2.5%單向坡，最大埋深125.1 m。隧道區(qū)地層為第四系覆蓋層，主要為含碎石粉質(zhì)黏土、碎石的全新統(tǒng)殘坡積，下伏基巖為青白口系長(zhǎng)龍山組石英砂巖及五臺(tái)期侵入混合花崗巖。圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)分別為：左幅，Ⅴ級(jí)=530 m，Ⅳ級(jí)=450 m，Ⅲ級(jí)=940 m；右幅，Ⅴ級(jí)=430 m，Ⅳ級(jí)=500 m，Ⅲ級(jí)=990 m。隧道按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，錨、網(wǎng)、噴砼作為初期支護(hù)手段，隧道洞口段采用超前大管棚和小導(dǎo)管作為超前支護(hù)。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，設(shè)計(jì)坍落度為80～120 mm。每立方米噴射混凝土所用膠凝材料為433 kg，砂為839 kg，碎石為839 kg，水膠比為0.39。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料和配合比

試驗(yàn)原材料均與孤石峪隧道施工現(xiàn)場(chǎng)噴射混凝土一致。水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)集料為盧龍縣河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 668 kg/m3，粗集料為盧龍縣5～10 mm單級(jí)配碎石。減水劑和速凝劑來(lái)自山西鐵力建材有限公司，減水劑減水率為18.5%，速凝劑固含量為40%；礦物摻合料為京能秦皇島熱電有限公司生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰和秦皇島豐眾礦渣粉有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉。水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)組成和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，噴射混凝土配合比見(jiàn)表2。

表1 水泥、粉煤灰和礦渣的化學(xué)組成及主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Chemical composition and main technical indexes of cement, fly ash and slag

表2 噴射混凝土配合比Table 2 Mix proportion of shotcrete

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試件制備

噴射混凝土試件制作采用濕噴大板法，大板尺寸為450 mm×350 mm×120 mm，拆模后使混凝土大板保持與隧道同等條件養(yǎng)護(hù)至3 d。使用巖石切割機(jī)將大板切割成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，每組3個(gè)，之后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

2.2.2 初始損傷預(yù)制

試件養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期后，用細(xì)砂紙對(duì)試件表面進(jìn)行打磨，以防止加載時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。噴射工藝的特殊性和切割過(guò)程的差異性可能會(huì)導(dǎo)致混凝土試件離散性較大，所以試驗(yàn)前首先對(duì)其進(jìn)行超聲波波速測(cè)試，利用超聲波傳播速度變化能夠反映混凝土內(nèi)部缺陷的原理，將波速相近的試件選出。然后隨機(jī)選擇6個(gè)試件，測(cè)量其單軸壓縮破壞荷載，取平均值。初始損傷的預(yù)制考慮噴射混凝土的實(shí)際服役環(huán)境，并參考一些學(xué)者的試驗(yàn)方法[23-25]，通過(guò)改變壓力試驗(yàn)機(jī)的加載次數(shù)、加載壓力和加載方向，使噴射混凝土試件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的損傷缺陷，整個(gè)過(guò)程使壓力控制在混凝土試件極限壓縮破壞荷載的60%以內(nèi)。卸載后靜停1 h，再測(cè)試試件的超聲波波速變化，通過(guò)調(diào)整荷載的大小和加載次數(shù)使初始損傷出現(xiàn)5個(gè)不同梯度:0.10、0.15、0.20、0.25、0.30，試件編號(hào)分別記為S0.10、S0.15、S0.20、S0.25和S0.30，同時(shí)設(shè)置1組不加荷載的試件作為基準(zhǔn)對(duì)照組(S0)。初始損傷度根據(jù)式(1)計(jì)算。

(1)

其中：Di為初始損傷度；vi、vp分別為混凝土預(yù)加載前、后的超聲波傳播速度，m/s。

2.2.3 硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)侵蝕介質(zhì)選用濃度為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硫酸鈉溶液。試驗(yàn)開(kāi)始前，將噴射混凝土試件浸泡在溶液中3 d，待試件吸水飽和后開(kāi)始干濕循環(huán)。干濕循環(huán)制度參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將試件在硫酸鈉溶液中浸泡14 h，自然晾干1 h，之后在60 ℃下烘干8 h，再在室內(nèi)冷卻1 h，1 d為一個(gè)循環(huán)。侵蝕至15 d、30 d、45 d、60 d、90 d、120 d、150 d、180 d后，測(cè)試試件的質(zhì)量和超聲波波速。以質(zhì)量變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究循環(huán)次數(shù)對(duì)噴射混凝土侵蝕產(chǎn)物累積的影響，質(zhì)量變化率根據(jù)式(2)計(jì)算。以相對(duì)動(dòng)彈模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察硫酸鹽侵蝕對(duì)噴射混凝土內(nèi)部損傷的影響，相對(duì)動(dòng)彈模量根據(jù)式(3)計(jì)算[26]。

(2)

其中：Kt為侵蝕后試件的質(zhì)量變化率；mt為侵蝕后試件的質(zhì)量，g；下標(biāo)t代表侵蝕齡期，d；m0為未受侵蝕時(shí)試件的質(zhì)量，g。

(3)

其中：Erd為干濕循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量；vn為干濕循環(huán)后試件的超聲波波速，m/s；下標(biāo)n代表循環(huán)數(shù)；v0為受侵蝕前超聲波波速，m/s。

2.2.4 微觀測(cè)試方法

采用捷克泰思肯VEGA3型掃描電鏡對(duì)制備的試樣進(jìn)行SEM測(cè)試，通過(guò)觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)，分析初始損傷對(duì)噴射混凝土受硫酸鹽侵蝕過(guò)程的影響，揭示其損傷劣化機(jī)理。

采用D/MAX-2500/PC型X射線衍射儀對(duì)制備的試樣進(jìn)行礦物相分析，儀器工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，靶材為銅靶，掃描角度范圍為10°～80°。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀形貌變化

圖1為180次干濕循環(huán)后各組噴射混凝土試件的典型外觀狀態(tài)照片。由圖1可以看出，經(jīng)過(guò)180 d硫酸鹽侵蝕，各組試件均出現(xiàn)了不同程度的破壞。初始損傷度越大，表面破壞越嚴(yán)重。其中S0.25組和S0.30組試件表層部分破碎脫落，裂縫痕跡明顯。尤其是S0.30組試件表皮幾乎全部脫落，且表層布滿網(wǎng)狀裂縫，粗骨料裸露，同時(shí)出現(xiàn)了明顯掉角現(xiàn)象，破損最為嚴(yán)重。S0.10組試件破損較輕，只出現(xiàn)了輕微的起皮，裂縫也比較少，表面雖然有少量剝蝕，但保持著相對(duì)完整的狀態(tài)，與S0組試件表面狀態(tài)比較接近。與S0.10組相比，S0.15組試件表面的破損非常明顯，S0.20組試件更是出現(xiàn)了棱角破碎剝落的現(xiàn)象。

圖1 噴射混凝土受侵蝕180 d后的典型外觀Fig.1 Typical appearance of shotcrete at 180 d erosion age

3.2 質(zhì)量變化

不同初始損傷度的噴射混凝土試件質(zhì)量變化率見(jiàn)圖2。由圖2觀察可知，在整個(gè)侵蝕過(guò)程中，隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，噴射混凝土試件質(zhì)量均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在經(jīng)歷大約30個(gè)干濕循環(huán)后，試件質(zhì)量達(dá)到最大，之后開(kāi)始下降，45次循環(huán)后各組試件質(zhì)量損失速度逐漸加快。這是因?yàn)楫?dāng)外界硫酸根離子進(jìn)入到混凝土內(nèi)部時(shí)，硫酸根離子會(huì)與混凝土內(nèi)部的水化產(chǎn)物、未水化水泥顆粒等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的侵蝕產(chǎn)物和鹽結(jié)晶填充了試件內(nèi)部的初始微孔洞，使得試件質(zhì)量較侵蝕前有所增加。之后隨著反應(yīng)的深入，生成產(chǎn)物持續(xù)累積和膨脹使新裂縫出現(xiàn)，此時(shí)試件表層部分會(huì)有破碎脫落現(xiàn)象，故試件質(zhì)量開(kāi)始逐漸減小。

由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在同一侵蝕齡期，初始損傷度越大，試件受侵蝕后質(zhì)量增加的速度越快。尤其是初始損傷度為0.30時(shí)，在30次循環(huán)后其質(zhì)量達(dá)到最大值，較初始質(zhì)量增加了2.6%，遠(yuǎn)超過(guò)其他組。分析其原因，遭受初始損傷越嚴(yán)重，試件內(nèi)部存在的微孔隙、微裂隙等初始缺陷越多，當(dāng)其處于侵蝕環(huán)境中時(shí)，硫酸鹽溶液更易進(jìn)入其中，其內(nèi)部也存在更大的可填充空間，故當(dāng)生成的侵蝕產(chǎn)物充滿這些可填充空間后，該組試件質(zhì)量增長(zhǎng)速度最快。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，大量侵蝕產(chǎn)物生成，引起的膨脹力越來(lái)越大，因此30次循環(huán)后試件質(zhì)量開(kāi)始迅速降低。在60次侵蝕循環(huán)后，其質(zhì)量已低于未侵蝕前質(zhì)量。經(jīng)歷了180個(gè)干濕循環(huán)后，S0.15、S0.20、S0.25、S0.30組的試件質(zhì)量較侵蝕前分別下降了2.9%、3.4%、4.0%和4.7%，可見(jiàn)硫酸鹽對(duì)初始損傷噴射混凝土造成了嚴(yán)重腐蝕。而S0.10組的混凝土試件在整個(gè)侵蝕過(guò)程中其質(zhì)量變化相對(duì)較小，180次循環(huán)后質(zhì)量損失為2.5%，與未受初始損傷試件的2.3%接近。

3.3 相對(duì)動(dòng)彈模量變化

圖3為不同初始損傷度的噴射混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈模量變化。由圖3可見(jiàn)，隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，噴射混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈模量先增大后減小，在30次循環(huán)后達(dá)到峰值。且初始損傷度越大，相對(duì)動(dòng)彈模量的增長(zhǎng)幅度越明顯。但相比質(zhì)量變化受初始損傷度的影響，在侵蝕齡期45 d之前，相對(duì)動(dòng)彈模量受初始損傷的影響則略小。侵蝕45 d后，各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均出現(xiàn)了下降，尤其是S0.30組下降極快，與質(zhì)量的變化規(guī)律一致。

整個(gè)干濕循環(huán)侵蝕過(guò)程中，S0.10組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量變化較小，侵蝕180 d后，相對(duì)動(dòng)彈模量仍保持在0.51，較基準(zhǔn)組僅低0.05，說(shuō)明該組噴射混凝土試件較其他組有著較強(qiáng)的抗硫酸鹽侵蝕性能。當(dāng)初始損傷度超過(guò)0.10后，其相對(duì)動(dòng)彈模量下降速度加快，180個(gè)干濕循環(huán)后S0.15、S0.20、S0.25組分別降至0.42、0.34、0.28，而此現(xiàn)象在S0.30組尤其顯著，180 d后僅為0.16。說(shuō)明初始損傷度越大，噴射混凝土內(nèi)部密實(shí)程度越低，硫酸鹽溶液更容易進(jìn)入，導(dǎo)致混凝土損傷嚴(yán)重。

綜合圖2和圖3結(jié)果可以看出，損傷度為0.10的混凝土試件其質(zhì)量和超聲波波速變化規(guī)律與未受初始損傷試件基本一致。結(jié)合圖1外觀形貌，可以說(shuō)明初始損傷度為0.10時(shí)混凝土受硫酸鹽侵蝕過(guò)程影響較小，基本可以忽略。當(dāng)初始損傷度超過(guò)0.15后，試件在硫酸鹽侵蝕作用下的劣化速度加快。楊永敢等[23]、劉娟紅等[24]、趙慶新等[25]在試驗(yàn)中也觀察到了類似現(xiàn)象，為本研究提供了有力的佐證。綜合噴射混凝土試件在硫酸鹽侵蝕作用下的質(zhì)量變化規(guī)律、相對(duì)動(dòng)彈模量變化規(guī)律及表觀狀態(tài)可知，初始損傷對(duì)混凝土內(nèi)部密實(shí)程度和孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，進(jìn)而影響其在硫酸鹽侵蝕作用下的性能變化。

圖2 初始損傷度對(duì)受侵蝕噴射混凝土質(zhì)量變化率的影響Fig.2 Effect of initial damage degree on mass change rate of eroded shotcrete

圖3 初始損傷度對(duì)受侵蝕噴射混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的影響Fig.3 Effect of initial damage degree on relative dynamic modulus of eroded shotcrete

3.4 SEM分析

為了解初始損傷對(duì)噴射混凝土宏觀性能和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，利用掃描電鏡對(duì)侵蝕后的噴射混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)，圖4為S0、S0.10和S0.30組噴射混凝土試件受侵蝕180 d后的SEM照片。

圖4 不同初始損傷試件受侵蝕180 d內(nèi)部SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of interior of specimens with different initial damage at 180 d erosion age

由圖4可以看出，同樣經(jīng)受180 d干濕循環(huán)侵蝕，初始損傷度不同，侵蝕后的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出較大差異。侵蝕反應(yīng)生成的針棒狀鈣礬石和束狀石膏晶體填充在混凝土縫隙內(nèi)，故侵蝕初期各組試件質(zhì)量和超聲波波速均有所增大。由圖4(a)、(b)可以觀察到：S0組試件整體結(jié)構(gòu)仍然完整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞；S0.10組試件受侵蝕后在生成物周圍引發(fā)了腐蝕微裂紋，微裂紋數(shù)量較S0組試件略多，但腐蝕劣化并不嚴(yán)重。觀察圖4(c)可以發(fā)現(xiàn)，在腐蝕產(chǎn)物的周圍，產(chǎn)生了大量的腐蝕微裂紋，微裂紋繼續(xù)向四周輻射，形成明顯的貫通裂縫，結(jié)構(gòu)變得松散脆弱。分析其原因，預(yù)制初始損傷時(shí)混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生砂漿微裂縫和骨料位移，這為硫酸根離子的侵入提供了有利條件。初始損傷度較大的情況下，硫酸根離子更容易進(jìn)入試件內(nèi)部，腐蝕反應(yīng)更為活躍，質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量變化速度較快，這一現(xiàn)象在S0.30組試件中尤其顯著。與其他組試件相比，S0.30組試件內(nèi)部出現(xiàn)了大量貫穿裂縫，裂縫較寬且深，侵蝕損傷最為嚴(yán)重，這也是侵蝕后期該組試件質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量急劇減小的原因。微觀形貌結(jié)果為上述宏觀性能測(cè)試結(jié)果提供了良好的佐證。

3.5 XRD分析

為了解初始損傷對(duì)噴射混凝土受硫酸鹽侵蝕過(guò)程和水化產(chǎn)物的影響，利用X射線衍射儀對(duì)侵蝕后的水化產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)試。圖5為S0、S0.10和S0.30組噴射混凝土試件受侵蝕180 d后的XRD譜，圖6為S0.30組噴射混凝土試件受侵蝕30 d、60 d、120 d、180 d的XRD譜。

圖5和圖6中有明顯的晶體衍射峰，可以判斷水化產(chǎn)物主要有Ca(OH)2、CaCO3、石膏(CaSO4·2H2O)、鈣礬石(AFt)和芒硝(Na2SO4·10H2O)。C-S-H凝膠在XRD譜中以漫射峰的形式存在，并無(wú)明顯的晶體衍射峰。在圖5和圖6的25°～35°范圍內(nèi)觀察到凸包現(xiàn)象，說(shuō)明水化產(chǎn)物中可能有C-S-H凝膠的生成[26]。觀察圖5的XRD譜可以看出，初始應(yīng)力損傷度不同，所對(duì)應(yīng)試件的各晶體衍射峰強(qiáng)度存在明顯差別。其中S0.30組試件中的石膏和鈣礬石晶體衍射峰強(qiáng)度明顯比其余兩組高，表明S0.30組試件受硫酸鹽侵蝕程度也最深，進(jìn)一步說(shuō)明試件的初始損傷越大，其受硫酸鹽侵蝕越嚴(yán)重，這與前文中相對(duì)動(dòng)彈模量和SEM的分析結(jié)果是一致的。

觀察圖6不同侵蝕齡期的XRD譜可以發(fā)現(xiàn)，在侵蝕早期，氫氧化鈣和碳酸鈣晶體衍射峰比較明顯，隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)，石膏、鈣礬石和芒硝的衍射峰越來(lái)越顯著，說(shuō)明生成的侵蝕產(chǎn)物越來(lái)越多，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)也越來(lái)越松散，密實(shí)性變差，試件的強(qiáng)度也明顯降低。

圖5 不同初始損傷試件受侵蝕180 d的XRD譜Fig.5 XRD patterns of different initial damage specimens at 180 d erosion age

圖6 S0.30組噴射混凝土試件在不同侵蝕齡期的XRD譜Fig.6 XRD patterns of S0.30 shotcrete specimens at different erosion age

4 初始損傷噴射混凝土硫酸鹽侵蝕損傷演化模型

為更清晰地探究初始損傷對(duì)噴射混凝土在硫酸鹽作用下的性能劣化規(guī)律的影響，此處暫未考慮在45個(gè)干濕循環(huán)前由侵蝕產(chǎn)物的填充效應(yīng)引起的強(qiáng)度增長(zhǎng)，重點(diǎn)研究侵蝕60 d 后噴射混凝土隨侵蝕齡期的損傷和劣化過(guò)程。硫酸鹽侵蝕作用使噴射混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，這種由微裂紋及孔隙聚集導(dǎo)致的材料漸進(jìn)破壞可以用損傷變量來(lái)表示。損傷變量的定義方式是多樣的，在損傷力學(xué)中通常采用宏觀和細(xì)觀兩方面來(lái)作為度量損傷的基準(zhǔn)[27]。研究[28]表明，超聲波傳播速度的變化可以表征混凝土的質(zhì)量狀況與損傷程度。本文參考謝和平[29]的連續(xù)損傷力學(xué)方法定義侵蝕損傷因子(DS)，根據(jù)式(3)將損傷因子表示為相對(duì)動(dòng)彈模量的函數(shù)，以表征不同初始損傷度的噴射混凝土損傷劣化規(guī)律,DS按式(4)計(jì)算。

(4)

參考劉娟紅等[24]的相關(guān)研究，將DS表示為侵蝕齡期的指數(shù)函數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。

DS=c[ata+bexp(bt)]

(5)

其中：t為侵蝕齡期(≥60)，d；a、b、c為與初始損傷相關(guān)的參數(shù)。

根據(jù)式(4)求出各組試件在不同齡期的侵蝕損傷因子DS，利用式(5)對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，求得式中各參數(shù)(見(jiàn)表3)，曲線擬合結(jié)果見(jiàn)圖7。由表3和圖7可以看出，建立的損傷模型曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，說(shuō)明根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈模量所表示的DS可較好地反映不同初始損傷噴射混凝土的損傷劣化規(guī)律。

圖7 侵蝕損傷因子函數(shù)擬合Fig.7 Erosion damage factor function fitting

表3 侵蝕損傷因子函數(shù)擬合參數(shù)Table 3 Fitting parameters of erosion damage factor function

5 結(jié) 論

(1)在整個(gè)侵蝕過(guò)程中，隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，噴射混凝土試件質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。初始損傷度為0.10的混凝土試件其質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量變化相對(duì)較小，與基準(zhǔn)組試件接近，說(shuō)明0.10的初始損傷度對(duì)混凝土受硫酸鹽侵蝕過(guò)程影響較小，基本可以忽略。

(2)初始損傷度超過(guò)0.10后，試件在硫酸鹽侵蝕作用下的劣化速度加快。經(jīng)歷180個(gè)干濕循環(huán)侵蝕后，初始損傷度0.15、0.20、0.25、0.30組試件的質(zhì)量分別下降了2.9%、3.4%、4.0%和4.7%，相對(duì)動(dòng)彈模量分別降至0.42、0.34、0.28、0.16。

(3)表觀形態(tài)和微觀測(cè)試結(jié)果表明，基準(zhǔn)組試件整體結(jié)構(gòu)比較完整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞。損傷度為0.10的試件表面有少量剝蝕，內(nèi)部微裂紋較基準(zhǔn)組略多，但腐蝕劣化并不嚴(yán)重。損傷度為0.30的試件表皮幾乎全部脫落，內(nèi)部出現(xiàn)了大量貫穿裂縫，裂縫較寬且深，反應(yīng)產(chǎn)物中石膏和鈣礬石晶體衍射峰強(qiáng)度最高，侵蝕損傷最為嚴(yán)重。

(4)預(yù)制初始損傷所產(chǎn)生的砂漿微裂縫和骨料位移為硫酸鹽的侵入提供了有利條件，使噴射混凝土受侵蝕損傷嚴(yán)重。根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈模量變化定義侵蝕損傷因子，所建立的損傷模型曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，擬合相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，較好地反映了不同初始損傷噴射混凝土的損傷劣化規(guī)律。