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

1 引 言

混凝土已經發(fā)展成為目前用途最為廣泛的建筑材料，但面對某些極端的自然環(huán)境，其耐久性受到了嚴重的考驗之一。例如，位于沿海地區(qū)的建筑與設施，由于常年經受海水的浸泡和沖刷，尤其受到Cl-的侵蝕，其耐久性受到嚴重削弱，引起混凝土保護層剝落、加速內部鋼筋銹蝕等問題，另一方面，作為承載結構的重要材料，混凝土受腐蝕后承載能力的變化規(guī)律，關系到結構設計和建筑安全。

國內外眾多學者就氯鹽對混凝土的影響進行了諸多研究，取得了較多成果。Jarrah等[1]，Kuosa等[2]，Puatatsananon等[3]對氯離子腐蝕損傷機理進行了研究；Ababneh等[4]，Yu等[5]，Safehian等[6]對氯離子在混凝土中的擴散行為，建立了擴散模型，并對實際擴散情況進行了預測；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混凝土抗氯滲透性能的影響。目前關于混凝土受Cl-腐蝕的理論研究主要集中于兩個方面，一是研究Cl-在混凝土中的擴散規(guī)律，建立擴散模型和傳輸模型，并預測混凝土內部氯離子濃度；二是研究Cl-腐蝕機理，建立鋼筋混凝土的損傷模型并預測壽命。而對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系，且在微觀層面的分析也有所欠缺。

本研究選用質量分數為15%的NaCl溶液對混凝土試件進行浸泡腐蝕，以靜態(tài)力學性能試驗及超聲檢測為手段，探究了Cl-對混凝土性能的削弱作用，綜合分析了試件受腐蝕后抗壓強度與超聲波速間的關系，并且結合微觀觀察，深入分析了弱化機理。

2 實 驗

2.1 實驗材料

試件制作所用材料為：膠凝材料：P.O 42.5 R水泥，初凝時間為130min，細度模數為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%；細骨料：灞河中砂，細度模數2.8；水：自來水；粉煤灰，細度模數2?；w強度等級為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

試驗依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002，以下稱標準)進行，混凝土靜態(tài)抗壓試驗所用試件為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，經振動密實后置于室內靜置，1 d后拆模，隨即移入養(yǎng)護箱進行標準養(yǎng)護。

養(yǎng)護28 d后，將試件從養(yǎng)護箱中取出進行腐蝕試驗。采用控制變量的方法進行對照試驗，設置一組空白對照組，該組試件與實驗組試件同時澆筑，同時養(yǎng)護，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溶液中的試件標為S組，空白對照組標為N組。

2.2 實驗方法與結果

2.2.1靜力試驗 采用HYY型電液伺服材料試驗系統(tǒng)進行混凝土抗壓試驗，試驗嚴格按照標準執(zhí)行。兩組試件靜態(tài)抗壓強度fc,s與腐蝕時間的關系如圖1所示。

圖1 混凝土靜態(tài)抗壓強度與腐蝕時間關系曲線圖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增長率為30.31%；S組試件fc,s隨著腐蝕時間先升后降，15d左右達到最大值，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)護剛結束時略有降低，且僅為相同條件下N組試件的76.23%。分析可知，N組試件由于內部水泥持續(xù)發(fā)生水化反應，fc,s隨時間逐漸增加；S組試件在腐蝕初始階段，水泥水化反應和腐蝕作用同時進行，由于內部Cl-濃度較低，水泥水化反應對混凝土抗壓強度的作用大于Cl-對混凝土的腐蝕作用，所以fc,s呈上升趨勢。隨腐蝕時間不斷增大，S組試件內部Cl-濃度不斷提高，當腐蝕時間超過某個時刻后，試件內Cl-濃度超過某一值，Cl-對混凝土的腐蝕作用大于混凝土內部水化反應的作用，這時試件的fc,s逐漸下降，并最終低于腐蝕未開始的水平。

2.2.2聲學測試 采用NM-4A型非金屬超聲檢測分析儀對試件進行聲學損傷特性研究，根據超聲波特性，若兩種介質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入氣體，亦不能從氣體進入固體。因此試驗時，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隨時間的變化規(guī)律，測試結果如圖2所示。

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

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

由聲學測試與靜力試驗的結果可知，兩類測試的結果具有相似性。這是因為N組試件只發(fā)生水泥水化反應，S組試件同時發(fā)生水泥水化反應和Cl-腐蝕作用，水泥水化反應能夠使試件抗壓強度提高，縱波波速增加，而Cl-腐蝕作用使試件抗壓強度降低，縱波波速減小。腐蝕初始階段，試件內Cl-濃度較低，腐蝕作用較小，水泥水化反應對fc,s和VP影響更大，隨著腐蝕時間增加，試件內Cl-濃度升高，在某一時刻之后，試件內Cl-濃度超過某一閾值，Cl-腐蝕作用對試件的影響超過水泥水化作用，此時S組試件fc,s和VP均減小。

3 分 析

3.1 強度損傷

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，而自由水對于混凝土強度有十分重要影響，不僅影響試件體積變形，同時還影響混凝土受荷時內部裂紋的萌生及擴展[12]。

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

3.1.2腐蝕介質的作用 混凝土內部自由水的存在，對混凝土靜態(tài)抗壓強度具有一定的削弱作用，但與此同時，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。

氯鹽對混凝土的腐蝕作用是一個緩慢、長期的過程，腐蝕期間，NaCl溶液對混凝土的作用可以分為兩個反應和兩個階段。兩個反應分別是水泥的水化反應和Cl-的腐蝕反應，兩個階段分別是腐蝕前期和腐蝕后期，其分界點由兩種反應對混凝土性能的影響程度決定。腐蝕前期，混凝土內部Cl-濃度較低，氯鹽對混凝土的腐蝕作用不明顯，相反由于浸泡在溶液中，試件內部水泥的水化反應增強，混凝土的強度與聲學性能均有明顯提升；在腐蝕后期，Cl-已經充分滲透至混凝土內部結構，試件內部Cl-濃度較高，此時氯鹽對混凝土的腐蝕作用更強，混凝土內部結構遭到破壞，強度和聲學性能明顯下降。

混凝土受腐蝕的本質是內部結構發(fā)生反應的過程，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，生成CaCl2，繼而與水化鋁酸鈣反應，生成體積較大、強度較低的3CaO·Al2O3·3CaCl2·31H2O，破壞了混凝土內部物質組成及結構，改變了原有水化產物的性質，導致水化硅酸鈣膠凝體與水泥石的粘結性能下降，致使混凝土強度降低[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，試件結構較為密實，裂縫尺寸較小、數量亦較少；S組試件表面絮狀結晶體較多，且排列緊密，形成一層致密的晶體層，使裂縫內部產生一定擠壓應力，受拉后裂縫尺寸變大，致使試件抗壓強度性能較之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 聲學損傷分析

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

(1)

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

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

4 結 論

1．Cl-對混凝土有明顯弱化作用，經氯鹽腐蝕后，混凝土的fc,s和VP均有明顯下降，且都隨腐蝕時間增長呈先上升后下降的趨勢，二者的變化趨勢十分相似。

2．腐蝕期間，混凝土fc,s和VP的變化是多種反應共同作用的效果，腐蝕剛開始時，水泥水化反應更加劇烈，混凝土fc,s和VP略有上升；腐蝕一段時間之后，混凝土內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．混凝土內部的Cl-通過與水化產物發(fā)生反應，生成體積較大，強度較小的產物，從微觀上看為絮狀物，破壞混凝土原有內部結構，加速裂縫擴展，從而降低混凝土抗壓性能。