氯離子對(duì)混凝土力學(xué)及聲學(xué)性能的影響

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(1.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710072)

1 引 言

混凝土已經(jīng)發(fā)展成為目前用途最為廣泛的建筑材料，但面對(duì)某些極端的自然環(huán)境，其耐久性受到了嚴(yán)重的考驗(yàn)之一。例如，位于沿海地區(qū)的建筑與設(shè)施，由于常年經(jīng)受海水的浸泡和沖刷，尤其受到Cl-的侵蝕，其耐久性受到嚴(yán)重削弱，引起混凝土保護(hù)層剝落、加速內(nèi)部鋼筋銹蝕等問題，另一方面，作為承載結(jié)構(gòu)的重要材料，混凝土受腐蝕后承載能力的變化規(guī)律，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑安全。

國內(nèi)外眾多學(xué)者就氯鹽對(duì)混凝土的影響進(jìn)行了諸多研究，取得了較多成果。Jarrah等[1]，Kuosa等[2]，Puatatsananon等[3]對(duì)氯離子腐蝕損傷機(jī)理進(jìn)行了研究；Ababneh等[4]，Yu等[5]，Safehian等[6]對(duì)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為，建立了擴(kuò)散模型，并對(duì)實(shí)際擴(kuò)散情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)；王元戰(zhàn)等[7]建立了不同荷載水平下混凝土中氯離子的擴(kuò)散模型；郭偉等[8]，胡瑾等[9]研究了水膠比、外加劑、礦物摻合料等因素對(duì)混凝土抗氯滲透性能的影響。目前關(guān)于混凝土受Cl-腐蝕的理論研究主要集中于兩個(gè)方面，一是研究Cl-在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律，建立擴(kuò)散模型和傳輸模型，并預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部氯離子濃度；二是研究Cl-腐蝕機(jī)理，建立鋼筋混凝土的損傷模型并預(yù)測(cè)壽命。而對(duì)混凝土本身受腐蝕后承載能力的退化研究較少，沒有明確腐蝕作用與承載能力退化之間的關(guān)系，且在微觀層面的分析也有所欠缺。

本研究選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaCl溶液對(duì)混凝土試件進(jìn)行浸泡腐蝕，以靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)及超聲檢測(cè)為手段，探究了Cl-對(duì)混凝土性能的削弱作用，綜合分析了試件受腐蝕后抗壓強(qiáng)度與超聲波速間的關(guān)系，并且結(jié)合微觀觀察，深入分析了弱化機(jī)理。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

試件制作所用材料為：膠凝材料：P.O 42.5 R水泥，初凝時(shí)間為130min，細(xì)度模數(shù)為1.6；粗骨料：石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20mm，容重為2700kg/m3，堆積密度為1.62kg/L，含泥量為0.2%；細(xì)骨料：灞河中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；水：自來水；粉煤灰，細(xì)度模數(shù)2。基體強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion /kg·m-3

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002，以下稱標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行，混凝土靜態(tài)抗壓試驗(yàn)所用試件為100×100×100mm的立方體，按照表1配合比，將攪拌均勻的混凝土拌合物裝入模具，經(jīng)振動(dòng)密實(shí)后置于室內(nèi)靜置，1 d后拆模，隨即移入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。采用控制變量的方法進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，設(shè)置一組空白對(duì)照組，該組試件與實(shí)驗(yàn)組試件同時(shí)澆筑，同時(shí)養(yǎng)護(hù)，除腐蝕期間不浸泡任何溶液之外，外部條件完全一樣。將浸泡于NaCl溶液中的試件標(biāo)為S組，空白對(duì)照組標(biāo)為N組。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.2.1靜力試驗(yàn) 采用HYY型電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行混凝土抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。兩組試件靜態(tài)抗壓強(qiáng)度fc,s與腐蝕時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.1 Relationship curve between concrete static compressive strength and corrosion time

由圖1可知，隨著腐蝕時(shí)間的增加，N組試件fc,s持續(xù)上升，上升速率逐漸減小，60d增長(zhǎng)率為30.31%；S組試件fc,s隨著腐蝕時(shí)間先升后降，15d左右達(dá)到最大值，為7.52%，之后逐漸下降，且下降速率逐漸減小，至第60d，fc,s較養(yǎng)護(hù)剛結(jié)束時(shí)略有降低，且僅為相同條件下N組試件的76.23%。分析可知，N組試件由于內(nèi)部水泥持續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)，fc,s隨時(shí)間逐漸增加；S組試件在腐蝕初始階段，水泥水化反應(yīng)和腐蝕作用同時(shí)進(jìn)行，由于內(nèi)部Cl-濃度較低，水泥水化反應(yīng)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的作用大于Cl-對(duì)混凝土的腐蝕作用，所以fc,s呈上升趨勢(shì)。隨腐蝕時(shí)間不斷增大，S組試件內(nèi)部Cl-濃度不斷提高，當(dāng)腐蝕時(shí)間超過某個(gè)時(shí)刻后，試件內(nèi)Cl-濃度超過某一值，Cl-對(duì)混凝土的腐蝕作用大于混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)的作用，這時(shí)試件的fc,s逐漸下降，并最終低于腐蝕未開始的水平。

2.2.2聲學(xué)測(cè)試 采用NM-4A型非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)試件進(jìn)行聲學(xué)損傷特性研究，根據(jù)超聲波特性，若兩種介質(zhì)的特性阻抗相差很大(如固體和氣體界面)，超聲在二者界面上幾乎全反射，即聲波既不能從固體進(jìn)入氣體，亦不能從氣體進(jìn)入固體。因此試驗(yàn)時(shí)，使用黃油作為耦合劑[10-11]。

本研究分析混凝土試件受腐蝕期間的縱波波速VP隨時(shí)間的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 混凝土縱波波速與腐蝕時(shí)間關(guān)系曲線圖Fig.2 Relationship curve between concrete longitudinal wave velocity and corrosion time

由圖2可知，VP隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律與fc,s隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律相似，隨著腐蝕時(shí)間的增加，N組試件VP顯著上升，且上升速率逐漸減小，60d后增長(zhǎng)率為16.20%，而S組試件VP呈先上升后下降趨勢(shì)，在15d左右達(dá)最大，增幅為3.20%，之后VP逐漸下降，45d時(shí)VP開始低于未腐蝕水平，至第60d時(shí)，VP僅為相同條件下N組的84.68%。

由聲學(xué)測(cè)試與靜力試驗(yàn)的結(jié)果可知，兩類測(cè)試的結(jié)果具有相似性。這是因?yàn)镹組試件只發(fā)生水泥水化反應(yīng)，S組試件同時(shí)發(fā)生水泥水化反應(yīng)和Cl-腐蝕作用，水泥水化反應(yīng)能夠使試件抗壓強(qiáng)度提高，縱波波速增加，而Cl-腐蝕作用使試件抗壓強(qiáng)度降低，縱波波速減小。腐蝕初始階段，試件內(nèi)Cl-濃度較低，腐蝕作用較小，水泥水化反應(yīng)對(duì)fc,s和VP影響更大，隨著腐蝕時(shí)間增加，試件內(nèi)Cl-濃度升高，在某一時(shí)刻之后，試件內(nèi)Cl-濃度超過某一閾值，Cl-腐蝕作用對(duì)試件的影響超過水泥水化作用，此時(shí)S組試件fc,s和VP均減小。

3 分 析

3.1 強(qiáng)度損傷

3.1.1水的作用 試件在腐蝕期間，持續(xù)吸收水分直至飽和，而自由水對(duì)于混凝土強(qiáng)度有十分重要影響，不僅影響試件體積變形，同時(shí)還影響混凝土受荷時(shí)內(nèi)部裂紋的萌生及擴(kuò)展[12]。

試件受荷載作用時(shí)，由于應(yīng)變率較小，試件內(nèi)部能量積累過程較長(zhǎng)，裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展比較緩慢，由于外力的作用，混凝土經(jīng)歷短暫的壓密階段，此時(shí)，試件體積減小，孔隙縮小，內(nèi)部自由水產(chǎn)生不可忽視的孔隙水壓力Pd，Pd的產(chǎn)生及不斷增大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部Ⅰ型裂紋的加速擴(kuò)張，同時(shí)自由水向裂縫的尖端區(qū)域移動(dòng)，對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生一定的劈拉作用。綜上所述，由于內(nèi)部自由水的存在，混凝土內(nèi)部缺陷加速擴(kuò)展，從而降低了混凝土承受靜壓力荷載的能力[13]。

3.1.2腐蝕介質(zhì)的作用 混凝土內(nèi)部自由水的存在，對(duì)混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度具有一定的削弱作用，但與此同時(shí)，浸泡于腐蝕溶液中的各組試件，除受水的影響之外，更多的是受溶液中腐蝕離子的影響。

氯鹽對(duì)混凝土的腐蝕作用是一個(gè)緩慢、長(zhǎng)期的過程，腐蝕期間，NaCl溶液對(duì)混凝土的作用可以分為兩個(gè)反應(yīng)和兩個(gè)階段。兩個(gè)反應(yīng)分別是水泥的水化反應(yīng)和Cl-的腐蝕反應(yīng)，兩個(gè)階段分別是腐蝕前期和腐蝕后期，其分界點(diǎn)由兩種反應(yīng)對(duì)混凝土性能的影響程度決定。腐蝕前期，混凝土內(nèi)部Cl-濃度較低，氯鹽對(duì)混凝土的腐蝕作用不明顯，相反由于浸泡在溶液中，試件內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)增強(qiáng)，混凝土的強(qiáng)度與聲學(xué)性能均有明顯提升；在腐蝕后期，Cl-已經(jīng)充分滲透至混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，試件內(nèi)部Cl-濃度較高，此時(shí)氯鹽對(duì)混凝土的腐蝕作用更強(qiáng)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度和聲學(xué)性能明顯下降。

混凝土受腐蝕的本質(zhì)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的過程，致其宏觀及微觀特征發(fā)生改變。Cl-侵入混凝土后首先與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成CaCl2，繼而與水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成體積較大、強(qiáng)度較低的3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O，破壞了混凝土內(nèi)部物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)，改變了原有水化產(chǎn)物的性質(zhì)，導(dǎo)致水化硅酸鈣膠凝體與水泥石的粘結(jié)性能下降，致使混凝土強(qiáng)度降低[14-15]。

3.2 微觀形貌分析

圖3、圖4分別為浸泡60d后N組與S組的微觀形態(tài)及微觀裂縫，由圖可知，N組試件由于未受任何腐蝕，微觀表現(xiàn)為致密性較大，微觀缺陷和損傷較小，試件結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，裂縫尺寸較小、數(shù)量亦較少；S組試件表面絮狀結(jié)晶體較多，且排列緊密，形成一層致密的晶體層，使裂縫內(nèi)部產(chǎn)生一定擠壓應(yīng)力，受拉后裂縫尺寸變大，致使試件抗壓強(qiáng)度性能較之N組試件均有所下降。

圖3 N組與S組的微觀形態(tài)照片 (a)group N;(b)group SFig.3 Microstructure of specimen (a)group N;(b)group S

圖4 N組與S組的微觀裂縫照片 (a)group N;(b)group SFig.4 Micro-crack of specimen (a)group N;(b)group S

3.3 聲學(xué)損傷分析

混凝土試件受NaCl溶液腐蝕后，一般可將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)區(qū)域[16-17]：密實(shí)基體區(qū)、裂紋孔隙區(qū)和液體填充區(qū)。由于三個(gè)區(qū)域的特性差異，超聲波在三個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳播速度各不相同，所測(cè)波速應(yīng)表示為三個(gè)區(qū)域內(nèi)的波速組合：

(1)

其中：VP為測(cè)得的縱波波速；i1、i2、i3分別表示試件內(nèi)部密實(shí)基體區(qū)、裂紋孔隙區(qū)和液體填充區(qū)所占體積分?jǐn)?shù)；v1、v2、v3分別為超聲在密實(shí)基體區(qū)、裂紋孔隙區(qū)和液體填充區(qū)的傳播速度。

根據(jù)超聲傳播特點(diǎn)，波速在固體、液體和氣體內(nèi)的傳播速度相差很大，且依次減小，即v1?v3?v2，且i1遠(yuǎn)大于i2和i3，因此v1決定著波速VP，即試件密實(shí)基體區(qū)體積率越大，相應(yīng)波速越大。試件波速變化的原因有三個(gè)方面。一是試件浸泡于NaCl溶液時(shí)，溶液不斷侵入試件內(nèi)部，致使試件i3不斷增大，i2不斷減少，根據(jù)式(1)可知，波速VP會(huì)有一定的增加；二是試件內(nèi)發(fā)生水泥水化反應(yīng)，水泥水化增大了密實(shí)基體區(qū)的體積i1，致使VP上升；三是氯離子腐蝕試件，根據(jù)3.1.2節(jié)所述，基體密實(shí)區(qū)的混凝土由于受腐蝕后強(qiáng)度顯著降低，致使VP明顯下降。

4 結(jié) 論

1．Cl-對(duì)混凝土有明顯弱化作用，經(jīng)氯鹽腐蝕后，混凝土的fc,s和VP均有明顯下降，且都隨腐蝕時(shí)間增長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì)，二者的變化趨勢(shì)十分相似。

2．腐蝕期間，混凝土fc,s和VP的變化是多種反應(yīng)共同作用的效果，腐蝕剛開始時(shí)，水泥水化反應(yīng)更加劇烈，混凝土fc,s和VP略有上升；腐蝕一段時(shí)間之后，混凝土內(nèi)部氯離子濃度上升到一定程度，腐蝕作用更加劇烈，混凝土fc,s和VP明顯下降。

3．混凝土內(nèi)部的Cl-通過與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成體積較大，強(qiáng)度較小的產(chǎn)物，從微觀上看為絮狀物，破壞混凝土原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速裂縫擴(kuò)展，從而降低混凝土抗壓性能。