復合侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土偏壓構件腐蝕劣化試驗

何文正 徐林生

摘要：為了揭示復合腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土偏心受壓構件力學性能退化規(guī)律，通過應力-腐蝕耦合加載裝置，對荷載-干濕交替-硫酸鹽及氯鹽耦合侵蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土偏壓構件進行質量變化測試和承載力退化試驗。分析了離子濃度、干濕條件、荷載水平等因素對構件宏觀性能的影響。試驗結果表明：氯鹽在腐蝕初期抑制了硫酸鹽腐蝕，但是在后期顯著降低了鋼筋混凝土構件的正截面承載力，荷載對侵蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土偏壓柱承載力劣化具有加速效應，荷載水平與承載力退化程度呈正相關的關系。該研究成果可為隧道襯砌等地下鋼筋混凝土結構的抗力衰減評估和壽命預測提供參考。

關 鍵 詞：混凝土耐久性;侵蝕壞境;鋼筋混凝土劣化;偏壓構件

中圖法分類號：U451

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0209-07

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.034

0 引 言

中國西部地區(qū)存在大面積鹽堿地和含石膏鹽地層，這些地區(qū)氣候環(huán)境復雜多樣，地下腐蝕性離子成分復雜。鋼筋混凝土結構在這類地區(qū)橋梁、隧道等工程中均有著極其廣泛的應用，此類地區(qū)的地下結構易遭受較為嚴重的多離子復合侵蝕和干濕循環(huán)破壞的作用[1]，長期作用下會導致結構混凝土強度下降、酥松、成層剝落、鋼筋銹蝕等，從而降低結構的整體承載能力[2-3]，對其正常運營的安全性帶來嚴重隱患。筆者所在課題組對重慶市、湖北省境三峽庫區(qū)范圍內三疊系巴東組一段和三段含膏鹽地層的部分隧道進行了調查。調查結果顯示：一些隧道建成運營僅幾年時間，硫酸鹽侵蝕導致的病害已經發(fā)展得非常嚴重，如G50N重慶分界梁公路隧道（圖1）、G42譚家寨公路隧道等（圖2），迫切需要進行維修加固才能保證正常安全運營，這不僅耗費了大量的人力、物力、財力，對線路的正常運營也造成了較大的干擾。因此，研究復合侵蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結構的損傷機制及力學性能演化規(guī)律對于保證此類地區(qū)地下結構安全性和耐久性具有重要的理論價值和現實意義。

目前研究者對于多因素耦合作用下的混凝土侵蝕問題已進行了較多的研究。在干濕循環(huán)對硫酸鹽侵蝕的影響研究中，現有試驗研究認為干濕循環(huán)作用下的混凝土侵蝕損傷是化學反應與物理結晶共同作用的結果[4-5]。Sahmaran等[6]研究發(fā)現腐蝕性離子與干濕循環(huán)耦合作用對試件的損傷劣化作用十分顯著。雷超等[7]通過試驗研究發(fā)現，干濕循環(huán)將加速混凝土中腐蝕性離子的擴散和積累。文獻[8-9]研究了干濕循環(huán)條件下混凝土的破壞過程，研究發(fā)現干濕循環(huán)耦合作用下混凝土劣化程度最為嚴重，干濕循環(huán)復合侵蝕具有超疊加效應。對于硫酸鹽侵蝕對混凝土宏觀力學性能影響的研究，目前主要集中在強度、彈性模量、雙軸及三軸力學行為等方面[10]。Yu等[11]詳細研究了受硫酸鹽侵蝕后混凝土構件的抗壓強度和彈性模量的時變規(guī)律，研究發(fā)現混凝土抗壓強度和彈性模量均隨著時間的增長呈先增后減的變化趨勢，這種變化規(guī)律在其他相關報導中也有發(fā)現[12-13]。Haufe等[14]研究了硫酸鹽侵蝕對混凝土抗拉強度的影響，發(fā)現膠凝材料含量對抗拉強度影響較大。Ikumi等[15] 和Chen等[16]研究了硫酸鹽侵蝕和多軸壓縮條件下混凝土力學行為。在混凝土硫酸鹽-氯鹽復合侵蝕研究方面，學術界多認為氯鹽具有抑制硫酸鹽腐蝕進程的作用，硫酸根與氯離子在混凝土中擴散短期內起到相互抑制作用[17-18]。在硫酸鹽侵蝕問題研究中，除了上述影響因素外，實際地下結構還承受極大的圍巖荷載，而荷載往往是導致或加速混凝土損傷劣化的主要原因。曹健[19]研究了軸壓荷載與干濕循環(huán)耦合作用對混凝土長期性能的影響。Yu等[20]研究了動態(tài)彎曲載荷作用下的結構抗彎強度、相對動彈性模量和硫酸鹽含量，并用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對試樣的微觀結構進行了分析，結果表明溶液濃度和應力水平是影響硫酸鹽侵蝕的兩個重要的因素。刁波等[21]研究了鋼筋混凝土偏壓柱在海水中的劣化過程。

綜上所述，研究者們已經對荷載、干濕循環(huán)、硫酸鹽及硫酸鹽-氯鹽復合侵蝕的腐蝕機理進行了較為深入的研究，并取得有借鑒意義的成果，但是仍然存在以下問題亟待解決。

（1）目前的研究成果基本上是針對素混凝土結構得到的，對鋼筋混凝土結構在荷載-干濕交替-復鹽等多場耦合作用下的腐蝕劣化規(guī)律研究較少。

（2）目前荷載和硫酸鹽耦合作用的研究中，大多數集中于彎曲荷載或軸壓荷載影響的研究，對偏壓荷載-腐蝕耦合作用影響的研究較少，而實際工程中地下鋼筋混凝土結構一般為偏壓構件。

因此，多因素耦合作用下鋼筋混凝土腐蝕劣化規(guī)律研究還不充分，現有研究成果還不能作為指導鹽漬土和含膏鹽地區(qū)的隧道等地下結構設計及維護的理論依據。此類復合腐蝕問題在這些地區(qū)的實際地下工程中廣泛存在，因此有必要開展更具針對性的試驗研究。

基于此，本文利用設計的應力-腐蝕-干濕交替耦合試驗裝置，通過室內加速腐蝕試驗，模擬鋼筋混凝土襯砌等地下結構在實際服役過程中的復合腐蝕環(huán)境。分別研究了鋼筋混凝土試件在不同荷載水平、腐蝕離子類型和干濕條件下的宏觀性能退化規(guī)律，以期揭示復雜環(huán)境下地下鋼筋混凝土結構的腐蝕劣化過程，明確各個因素對腐蝕環(huán)境下構件承載力劣化程度的影響，從而為腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土結構的抗力衰減評估和壽命預測提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及配合比

（1）水泥。采用重慶某公司生產的普通硅酸鹽水泥PC42.5R，其各項指標均符合規(guī)范要求，水泥化學組分如表1所列。

（2）砂。采用重慶當地河砂，細度模數2.6;粗骨料采用級配碎石，最大直徑不超過10 mm，密度2 650 kg/m3。

（3）水。混凝土拌和用水為自來水，溶液配制采用蒸餾水。

（4）硫酸鈉和氯化鈉。選用的試劑為上海國藥集團化學試劑有限公司生產AR分析純試劑，試劑純度大于99.00%。

材料配合比如表2所列。

1.2 試件制作

構件的長細比l0/b=3.5。截面尺寸為100 mm×100 mm。采用對稱配筋，縱筋4Φ10，箍筋Φ6@50，保護層厚度20 mm。把構件端部設計成牛腿形狀，以便于施加偏心荷載[21]。構件配筋見圖3所示，試件照片如圖4所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 腐蝕溶液制備

根據試驗目的，按硫酸鈉、氯化鈉所占質量分數的不同，配制5種腐蝕溶液，S0為清水環(huán)境，作為參考組;C5、S5和S10為單一硫酸鹽或氯鹽侵蝕環(huán)境;S5C5、S10C5為硫酸鹽和氯鹽復合腐蝕環(huán)境（見表3）。

以上腐蝕溶液中分別考慮兩種浸泡環(huán)境，第一種是持續(xù)浸泡，第二種是干濕交替。

1.3.2 應力-腐蝕耦合試驗裝置

實際地下工程結構基本上都需要承受較大荷載，對于公路隧道襯砌等結構，其受力特征一般都是偏心受壓。為了更準確模擬實際工程服役環(huán)境，課題組在對國內外現有硫酸鹽侵蝕混凝土試驗方法進行對比與和分析的基礎上，設計了偏壓荷載-干濕交替-硫酸鹽-氯鹽侵蝕耦合作用下的鋼筋混凝土構件承載力演變規(guī)律試驗方案。項目組對慕儒[22]的彈簧加載裝置進行了改進，設計了應力-干濕循環(huán)-腐蝕耦合試驗裝置。試驗裝置采用四拉桿傳力體系，拉桿和承載鋼板均采用不銹鋼，加載裝置采用定制的彈簧，用定制的加長螺帽錨固，通過旋轉螺帽并壓縮彈簧對試件施加荷載，并通過控制彈簧壓縮變形量來控制荷載的大小。腐蝕箱底部設置水閥，以方便實現干濕循環(huán)，該裝置示意圖和照片見圖5。持載期間，荷載偏心距取70 mm。到腐蝕齡期后，取出試件進行正截面承載力測試。通過壓力試驗機預先測定未腐蝕構件在指定偏心距下的極限承載力，定義荷載水平η為裝置施加的荷載與極限承載力的比值，試驗過程中取η=0，0.2，0.5，以模擬荷載對侵腐過程的影響。

1.3.3 試驗方案

在對腐蝕環(huán)境、荷載水平等因素進行分析的基礎上，確定鋼筋混凝土偏壓構件的硫酸鹽和硫酸鹽-氯鹽腐蝕試驗方案，見表4。

為了研究干濕交替對侵蝕的加速作用，試驗過程中設計了兩種干濕環(huán)境進行對比：① 持續(xù)浸泡，② 浸泡7 d+自然干燥8 d。具體方法為：試件成型后，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28 d，將試件從標準養(yǎng)護室取出，進行2 d的自然干燥，然后將試件全部浸沒入腐蝕溶液，為模擬一維腐蝕，用環(huán)氧樹脂將試件側面進行涂抹封閉。對于執(zhí)行干濕交替的試件，在浸泡7 d后排出腐蝕箱的腐蝕溶液，自然干燥8 d，以此為一個循環(huán)，循環(huán)周期為半個月（執(zhí)行干濕交替的試件加前綴編號WD）。每2個月進行一次質量損失測量和正截面承載力測試，承載力測試照片如圖6所示。

為了統一標準和排除混凝土自身水化導致的強度提升的影響，以清水（S0）中浸泡的試件承載力為基準，引入承載力侵蝕劣化系數Ks。定義Ks為某侵蝕時刻下腐蝕溶液中受侵蝕構件承載力與同時刻下清水中的構件承載力之比值，即：

式中：fattck為受腐蝕的試件正截面承載力;f0為浸泡于清水中同齡期試件相應的承載力。當Ks大于1時，表示構件承載力因反應產物填充孔隙導致混凝土承載力提高，Ks小于1則表示混凝土腐蝕導致內部損傷，進入承載力劣化階段。

定義質量變化率Km為某時刻下腐蝕溶液中受侵蝕試件質量與試件初始質量之比值，即：

式中：mattck為受腐蝕的試件質量;m0為試件的初始質量。

2 試驗結果分析

2.1 混凝土質量時變規(guī)律

質量變化的試驗不考慮應力的影響，將試件分別浸泡于不同腐蝕溶液中，每2個月測定一次質量變化情況。測試步驟為：將試件取出，在40 ℃恒溫箱中烘干48 h，等待試件自然冷卻后，用電子天平稱量其質量，以試件初始質量為基準，計算試件的質量變化率。測試結果如圖7～8所示。

圖7顯示了不同腐蝕溶液中持續(xù)浸泡試件的質量變化率，圖8顯示了經歷干濕循環(huán)的試件質量變化率。從圖7可以看出：經歷氯鹽溶液持續(xù)浸泡的試件，其質量在浸泡期內持續(xù)增加，在300 d時候達到穩(wěn)定，在第12個月時候質量較初始時刻增加了1.1%。持續(xù)浸泡于單一硫酸鹽溶液或氯鹽-硫酸鹽復合溶液中的試件，質量都呈現先增加后減少的趨勢，其中浸泡于10%硫酸鈉溶液中的試件，在240 d時出現質量下降趨勢，較5%硫酸鈉溶液的試件質量下降趨勢出現得更早。相對于單鹽溶液中的試件，硫酸鹽-氯鹽復合溶液中的試件質量增加幅度更小，說明氯離子的存在抑制了硫酸根離子與混凝土組分發(fā)生化學反應生成侵蝕產物的過程。但是同時也可以看出，氯鹽的存在使得試件質量后期下降的趨勢更加明顯。從圖8可見：經歷干濕循環(huán)的試件，質量變化的總體趨勢與持續(xù)浸泡的試件相似，但是質量變化曲線的下降段出現得更早，說明干濕循環(huán)加速了腐蝕過程。

單鹽侵蝕環(huán)境或者硫酸鹽-氯鹽復合侵蝕環(huán)境下，影響混凝土試件質量變化的主要因素有2個：① 侵蝕離子與水泥的組分發(fā)生反應生成膨脹性的侵蝕產物，如鈣礬石、Friedel鹽等，填充了混凝土內部的孔隙，使得混凝土質量增大;② 在反應過程中氫氧化鈣和C-S-H等組分溶出和分解，或者是混凝土受侵蝕層的剝落、鋼筋銹脹等原因造成混凝土損傷和質量下降[23]。質量隨侵蝕時間的變化規(guī)律在一定程度上也反映了鋼筋混凝土試件受蝕損傷劣化規(guī)律。

需要注意的是：質量變化規(guī)律雖然在一定程度上反映了鋼筋混凝土試件受腐蝕損傷劣化規(guī)律，但是腐蝕既可能使得混凝土質量增大，又可能造成混凝土損傷和質量下降，因此，單一的質量變化率尚不能準確和完整地反映侵蝕過程中混凝土的劣化行為，需要結合其他宏觀指標綜合判斷試件的腐蝕情況。

2.2 無應力狀態(tài)下構件承載力退化規(guī)律

試件達到侵蝕齡期后，從侵蝕溶液中取出試件，干燥以后，用壓力試驗機加載，加載時取偏心距為70 mm，進行正截面承載力測試。

利用壓力試驗機分別測定不同腐蝕環(huán)境下鋼筋混凝土偏壓柱的正截面承載力，所得試驗結果如圖9～10所示。

圖9顯示了單一腐蝕溶液中鋼筋混凝土偏壓構件的承載力劣化系數時變規(guī)律?？梢钥闯觯煌g作用下，承載力演化過程大致可以分為上升段和下降段兩個階段。在上升段，試件相對承載力總體上有小幅度增加，如S10溶液浸泡試件在120 d時，承載力接近未腐蝕構件的1.05倍，同時期C5溶液浸泡下的試件為1.02。在下降段，承載力劣化系數呈階梯或波浪狀下降的趨勢，其中WD-S10試件腐蝕期間最終承載力下降幅度可達20%左右。這種現象產生的原因是在侵蝕初期，氯離子和硫酸根離子與水泥組分反應生成的侵蝕產物填充了混凝土的空隙，使得混凝土更加密實，導致混凝土強度有所提升，同時也提升了鋼筋與混凝土之間粘結力，故偏壓柱承載力劣化系數在侵蝕初期呈上升趨勢。

而隨著侵蝕的繼續(xù)進行，對受硫酸鹽侵蝕的構件，持續(xù)生成的鈣礬石或石膏在混凝土內部形成很大的內應力，從而加速混凝土中裂縫的形成與擴展，造成混凝土損傷，同時劣化了鋼筋和混凝土之間的粘結力。而對于氯鹽溶液中的試件，氯鹽雖然并沒有直接劣化混凝土的強度，但是氯離子侵入混凝土內部，導致鋼筋銹蝕和混凝土銹脹。

從圖中還可以看出，不同腐蝕環(huán)境下試件的承載力變化規(guī)律又表現出明顯的差異。硫酸鹽溶液浸泡下的試件承載力退化程度較氯鹽溶液更高。溶液濃度對承載力的影響極為顯著，隨著溶液濃度的增加，侵蝕損傷速率隨之加快，S10溶液中的試件承載力較S5溶液中的試件承載力退化更為明顯，而經歷干濕循環(huán)的試件承載力低于持續(xù)浸泡的試件承載力，說明干濕循環(huán)加速了腐蝕速率。

圖10顯示了氯鹽-硫酸鹽復合侵蝕環(huán)境下的構件承載力劣化系數變化情況。對比圖9中單一腐蝕溶液中構件的承載力時變規(guī)律可知：侵蝕環(huán)境中的氯鹽對硫酸鹽侵蝕有明顯的影響，由于腐蝕初期氯鹽抑制了硫酸鹽腐蝕作用，承載力下降段較單一硫酸鹽溶液中的試件出現得更晚，但是最終的承載力退化程度較單一硫酸鹽腐蝕環(huán)境中的構件更高。分析其原因，是因為腐蝕初期氯離子由于比硫酸根離子更小，因此更容易進入混凝土內部，與混凝土組分發(fā)生化學反應生成Friedel鹽，填塞了混凝土內部空隙，從而阻塞硫酸根離子通過空隙系統進入混凝土內部，因此抑制了硫酸鹽侵蝕。但是在后期，混凝土因為硫酸鹽侵蝕膨脹產生微裂紋后，大量氯離子進入導致鋼筋產生銹蝕和混凝土銹脹，從而加劇了鋼筋混凝土偏壓構件承載力的劣化。此外，和單鹽溶液中的構件承載力時變規(guī)律相似，由于干濕循環(huán)加速了腐蝕速率，經歷干濕交替的復合腐蝕溶液中構件承載力較持續(xù)浸泡試件更低。

2.3 荷載-干濕交替-腐蝕耦合作用下構件承載力退化規(guī)律

采用本文設計的應力-腐蝕耦合試驗加載裝置，對鋼筋混凝土柱施加偏心荷載并長期持載，模擬荷載-干濕交替-復鹽耦合侵蝕環(huán)境。圖11顯示了荷載-干濕循環(huán)-腐蝕耦合作用下鋼筋混凝土偏壓柱的正截面承載力變化規(guī)律?？傮w上荷載水平越高，承載力越低，即承載力退化程度與荷載水平呈正相關的關系。但各個荷載水平下構件的承載力劣化系數又有較大差異：η=0.2時，構件承載力劣化系數較無應力狀態(tài)下僅有小幅下降，而η=0.5時，承載力相對于無應力狀態(tài)則降低了15%左右?？梢姡暮奢d對侵蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土偏壓柱承載力劣化具有加速效應，但是低荷載水平下（η<0.2），荷載對承載力劣化影響不明顯。分析其原因，是因為低荷載水平下，混凝土受壓和受拉區(qū)并未因荷載發(fā)生開裂，侵蝕離子的傳輸狀態(tài)并無明顯改變，但是高水平偏壓荷載作用下，構件受拉側混凝土所受拉應力超過了抗拉強度，形成了微裂縫，使混凝土更容易被侵蝕離子侵入，極大地加速了鋼筋的銹蝕和混凝土強度的劣化，從而顯著降低了構件承載力。

3 結 論

本文通過室內試驗，研究了多因素耦合作用下鋼筋混凝土偏壓構件的劣化腐蝕過程。分別研究了不同腐蝕條件下構件的質量變化和正截面承載力退化規(guī)律，重點分析了不同應力水平和不同腐蝕環(huán)境對偏壓構件力學性能的影響，得出以下重要結論。

（1）混凝土強度降低和鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土偏壓構件承載力下降的主要原因。

（2）氯鹽在侵蝕初期可抑制硫酸鹽腐蝕，但是在后期加劇了鋼筋銹蝕，從而顯著降低了鋼筋混凝土偏壓構件正截面承載力。

（3）偏心荷載對侵蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土偏壓柱承載力劣化、裂縫發(fā)展具有加速效應，總體上荷載水平與鋼筋混凝土構件承載力退化程度呈正相關的關系，但是低荷載水平下，荷載對承載力的退化效應不明顯。

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（編輯：鄭 毅）