溶蝕作用下混凝土層面劈裂抗拉強度試驗研究

王少偉,徐應莉,朱平華,劉 惠,呂奇峰

(常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

混凝土結構的施工澆筑層面以及裂縫等薄弱區直接影響其抗溶蝕耐久性，尤其是觸水混凝土結構，在濃度梯度差作用下，混凝土層、縫面兩側鈣離子不斷向滲透水流中擴散，致使混凝土層、縫面處溶蝕速度明顯快于其他部位。部分混凝土壩層面結合質量較差，形成“千層餅”狀滲水通道，壩體廊道和下游面“流白漿”現象也屢見不鮮[1]。

混凝土澆筑層面的結合質量直接影響層面的抗滲性和黏結性能，而研究表明層間間歇時間以及層面處理方式是控制混凝土澆筑層面質量的重要因素[2]，如錢鵬等[3]發現層面滲透系數隨層間間歇時間的延長而增大，間歇15 h(終凝后)試件的滲透系數約為無層面試件的370多倍；覃茜等[4]研究發現初凝前層間間歇時間對層面黏結性能的影響不大，超過初凝時間后，黏結性能隨層間間歇時間的增大而明顯減弱；丁祖德等[5-6]研究發現隨著結合面粗糙度的增大，結合面滲透系數減小，抗剪強度和劈拉強度增大。因此，間歇時間將引起混凝土澆筑層面黏結性能的衰退，對于高水壓力運行環境下的混凝土結構，其面臨的水力劈裂問題將進一步加劇[7]。在混凝土溶蝕方面，目前主要是通過加速溶蝕試驗來研究溶蝕過程中混凝土的物理力學性能演變規律[8-10]，總體表現為：隨著溶蝕時間的延長，水泥基材料的力學性能和微觀結構均趨于變差，劈裂抗拉強度對溶蝕最為敏感，其次是彈性模量和抗壓強度，然而由于試驗條件、方法等方面的差異，目前尚無較為統一的衰減模型。對于遭受溶蝕作用的帶縫混凝土，孔祥芝等[11]研究發現溶蝕沿縫面的法向逐漸向兩側混凝土的內部延伸，縫兩側混凝土的孔隙率增大，縫面摩擦因數、黏聚力及抗剪強度均下降；方永浩等[12]對裂縫寬度為0.1～0.4 mm的圓柱體混凝土試件進行了高壓滲透試驗，結果發現滲透速率隨裂縫寬度的增大而增大，由此表明溶蝕作用下縫面對混凝土的微觀結構、滲透性和力學性能均有重大影響。

綜上可知，現有研究成果多是針對混凝土澆筑層面的滲透性和黏結性能，以及無層面混凝土在溶蝕作用下的性能退化，而對澆筑層面的抗溶蝕性及其影響因素的試驗研究較少。為此，本文采用濃度為0.5 mol/L的稀硝酸溶液，對不同澆筑層間間歇時間和有無鑿毛處理的含層面混凝土試件進行加速溶蝕試驗，研究層面溶蝕評價指標的時變規律，并建立層面劈裂抗拉強度的預測模型，以期用于現場環境下混凝土結構的服役性能評估。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，化學組分見表1?；炷僚浜媳戎?，水灰比為0.50，水、水泥、砂子、石子的用量分別為230 kg/m3、460 kg/m3、605 kg/m3、1 075 kg/m3，其中粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑為10 mm，級配良好；細骨料為天然河砂，細度模數為2.46，屬于中砂；拌和水為普通自來水。

表1 水泥的化學組分

混凝土浸泡加速溶蝕試驗中，濃度梯度會隨溶蝕深度的增大而減小，后期溶蝕進程非常緩慢，而當溶蝕深度較淺時，可獲取的試驗數據點較少。為此，本文選用邊長為50 mm的立方體非標準試件，以期最終溶蝕面積比超過50%。先澆筑試件底部1/2，達到設計層間間歇時間后再澆筑上部1/2。本文中混凝土的初凝時間為4.2 h，終凝時間為10.2 h，層間間歇時間分別設置為0 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h，并對6 h、12 h和24 h的澆筑層面進行有無鑿毛處理的對比試驗(鑿毛方法為用硬毛刷掃毛和鐵刷打磨，并控制層面粗糙度基本一致)，試件編號分別為C0、C3、C6、CP6、C9、C12、CP12、C24、CP24，其中CP6、CP12、CP24為進行鑿毛處理的對比試件。待試件成型24 h后脫模，再標準養護60 d。為確保溶蝕僅發生在試件四周，取出試件陰干后，在平行于層面的試件上下表面涂抹乙烯基樹脂涂層，繼續陰干不少于24 h，之后進行溶蝕試驗。

1.2 試驗方法

溶蝕介質選用濃度為0.5 mol/L的稀硝酸溶液，浸泡溶液按固、液體積比1∶6設計。溶液的初始pH值為0.3，試驗過程中定期測試浸泡液的pH值，并及時補充硝酸，以確保濃度固定。劈裂抗拉強度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，由YNS 300型電液伺服萬能試驗機沿層面進行測量。溶蝕深度分層面和本體兩種，平行于層面方向分別沿層面和1/4高度處切開試件后，在切開面噴涂質量分數為0.5%的酚酞指示劑，未溶蝕區顏色變紅后，測量試件邊緣到變色分界線的距離。利用EDTA絡合滴定法測試浸泡溶液中的鈣離子濃度，結合浸泡溶液體積和試件初始鈣離子濃度，計算鈣離子累計相對溶蝕量。

2 試驗結果與分析

水泥基材料在接觸溶蝕過程中，鈣離子的擴散現象滿足Fick第二定律，因此溶蝕評價指標與溶蝕時間平方根之間存在如下線性關系[9]：

(1)

式中：d、d0分別為溶蝕評價指標的當前值和初始值；t為溶蝕時間；a為溶蝕程度發展系數。

2.1 層面劈裂抗拉強度

圖1為層面未鑿毛混凝土試件的劈裂抗拉強度的發展規律。從圖1(a)可以看出，隨著溶蝕齡期的延長，層面劈裂抗拉強度呈現出逐漸降低的趨勢，初期下降速度較快，其中0～9 d內的平均下降速率為0.13 MPa/d，遠大于9～60 d內的平均下降速率0.05 MPa/d，表明劈裂抗拉強度對溶蝕具有一定的敏感性；溶蝕60 d時，間歇時間0 h、3 h、6 h、9 h、12 h和24 h情況下，層面劈裂抗拉強度降幅分別為69.6%、70.6%、73.9%、74.6%、78.9%和78.8%。圖1(b)表明，不同溶蝕齡期下，層間間歇時間對劈裂抗拉強度的影響規律基本一致，均是隨層間間歇時間的增大而減小，且12 h以內的強度衰減速率較快，而大于12 h后劈裂抗拉強度的變化相對較小，其中未溶蝕試件的強度初值在12 h內由5.27 MPa降至4.50 MPa，降幅為14.6%，可用擬合方程表示為

圖1 層面劈裂抗拉強度的變化規律

fst0=0.001 9τ2-0.089 8τ+5.303 5

(R2=0.990)

(2)

fst=fst0-0.45t0.5(R2=0.94 9)

(3)

式中：fst0、fst分別為溶蝕前和一定溶蝕程度后的層面劈裂抗拉強度；τ為層面間歇時間；R2為擬合復相關系數。

整體而言，層面劈裂抗拉強度與溶蝕時間平方根之間具有較好的線性關系，可忽略層間間歇時間對強度下降速率的影響。

2.2 溶蝕深度

圖2(a)為層面溶蝕深度與本體溶蝕深度的差值。層面的溶蝕深度均大于本體溶蝕深度，后者與層間間歇時間無關，溶蝕9 d、28 d和60 d后，本體溶蝕深度分別為3.5 mm、6.9 mm和9.0 mm。從圖2(a)可以看出：相同溶蝕時間下，層面與本體之間的溶蝕深度差隨著層間間歇時間的延長而增大，而鑿毛處理能在一定程度上減小溶蝕深度差；溶蝕時間越長，相同層間間歇時間下的溶蝕深度差越大，如間歇24 h、溶蝕60 d時層面相對本體的溶蝕深度增幅為20.4%。原因主要是層間間歇時間越長，層面黏結質量越差，層面附近的微裂縫越多、寬度越大，且微裂縫的優勢方向逐漸趨于順澆筑層面方向，進而導致浸泡溶液和鈣離子的擴散速率越快；隨著溶蝕時間的延長，層面的劣化程度將明顯嚴重于遠離層面處的本體混凝土。從圖2(b)可以看出，層面溶蝕深度均隨溶蝕時間呈上升趨勢，與溶蝕時間的平方根呈線性正比關系；隨著層間間歇時間的延長，層面溶蝕深度逐漸增大，溶蝕9 d、28 d和60 d時，層間間歇時間增至24 h將導致層面溶蝕深度分別增加15.0%、13.1%和14.0%。

圖2 不同試件不同溶蝕時間的層面溶蝕深度

2.3 鈣離子累計相對溶蝕量

圖3為混凝土試件鈣離子累計相對溶蝕量ΔCa2+的變化規律。從圖3(a)可看出：鈣離子累計相對溶蝕量隨溶蝕時間的延長而增大，溶蝕初期增長速率最快，之后趨于緩慢，其與溶蝕時間平方根之間具有良好的線性關系，可表示為：ΔCa2+=0.052 9t0.5(R2=0.992)，此結果與鈣離子溶蝕擴散過程滿足Fick第二定律的通用試驗結果一致，也驗證了本次試驗過程的合理性。圖3(b)表明層間間歇時間對鈣離子累計相對溶蝕量略有影響，層間間歇時間越長，相同溶蝕齡期下的鈣離子累計溶蝕量越大，溶蝕齡期分別為9 d、28 d和60 d時，層間間歇時間由0 h增至24 h所引起的鈣離子累計相對溶蝕量增幅分別為4.9%、5.4%和9.1%，表明溶蝕60 d時的增幅明顯增大，原因是澆筑層面為混凝土抗溶蝕的薄弱部位，溶蝕齡期較長時，澆筑層面將發展為溶蝕通道，大量鈣離子將由此擴散。

圖3 鈣離子累計相對溶蝕量的變化規律

圖4為溶蝕過程中鈣離子累計相對溶蝕量ΔCa2+與溶蝕面積比ΔA之間的關系，試件配合比見文獻[13]。無層面凈漿、砂漿和混凝土試件所用材料與有層面混凝土試件完全相同，試件均為邊長50 mm的立方體。從圖4可以看出：無層面情況下，ΔCa2+與ΔA之間均具有良好的線性關系，并且與水泥基材料種類和水灰比基本無關，擬合曲線斜率為0.56，表明溶蝕區鈣離子的平均溶蝕程度為56%；有層面混凝土試件在溶蝕齡期28 d之前，ΔCa2+與ΔA之間也呈線性關系，斜率為0.57，而溶蝕齡期60 d時的ΔCa2+與ΔA擬合曲線斜率為0.65，明顯超過此線性關系對應值，表明此時應有大量的鈣離子沿澆筑層面擴散出來。對比分析結果表明：隨著溶蝕齡期的延長，層面的抗溶蝕薄弱程度進一步加劇，與本體溶蝕程度的差異性將更加明顯，因此在進行溶蝕作用下混凝土結構的服役性能評價時，應更多地關注施工層面及裂縫等局部區域。

圖4 鈣離子累計相對溶蝕量與溶蝕面積比之間的關系

2.4 鑿毛處理對層面抗溶蝕性能的影響

圖5為層面有無鑿毛處理情況下溶蝕評價指標隨溶蝕時間的變化規律，圖6為層面鑿毛處理后溶蝕評價指標的變化百分比?？傮w上看，相同層間間歇時間下，鑿毛處理后的層面劈裂抗拉強度略微提升，溶蝕深度和鈣離子累計相對溶蝕量減小，表明鑿毛處理能在一定程度上提高澆筑層面的力學性能和抗溶蝕性；層間間歇時間越長，鑿毛處理所能達到的提升效果越弱，層間間歇時間在6 h以內時，層面鑿毛處理所能達到的效果最好。此外，層面是否鑿毛處理對溶蝕過程中劈裂抗拉強度衰減速度的影響較小，鑿毛處理試件的層面劈裂抗拉強度與溶蝕時間平方根之間的關系為fst=fst0-0.44t0.5(R2=0.962)。

圖5 層面有無鑿毛處理下的評價指標

圖6 鑿毛處理后溶蝕評價指標的變化百分比

層間間歇時間和鑿毛處理對混凝土澆筑層面力學性能和滲透性的影響主要由層面黏結質量決定[2-3]。對比各試件劈裂面可發現：由于澆筑層面的存在，劈裂面粗糙度相對較小，兩側幾乎沒有石子相互嵌入；未鑿毛處理情況下，試件完全沿層面劈裂開，劈裂面平滑、多孔且有大量浮漿，進而導致黏結性能較差，由表及里溶蝕過程中形成的溶蝕鋒較為平順，完全不受骨料的影響；鑿毛處理后層面附近的劈裂面凹凸不平，溶蝕鋒受骨料影響較明顯，呈不規則狀態，表明鑿毛處理能提升澆筑層面的黏結質量。

3 混凝土澆筑層面劈裂抗拉強度預測模型

鈣含量的變化能有效地反映水泥基材料的物理力學性能演變[8-10]。圖7為層面相對劈裂抗拉強度frst(溶蝕后強度值與未溶蝕時強度值之比)與溶蝕時間平方根和鈣離子累計相對溶蝕量之間的關系?？梢钥闯?，層面劈裂抗拉強度隨溶蝕時間平方根和鈣離子累計相對溶蝕量的增大而線性下降，層間間歇時間以及鑿毛處理主要影響的是強度初值，而對下降速率的影響較小。

圖7 層面相對劈裂抗拉強度的變化規律

溶蝕深度在實際工程中不易測量，且僅出現在接觸溶蝕中，不適用于滲透溶蝕，而鈣離子溶蝕量可根據監測得到的滲流量及滲透水中的鈣離子濃度進行計算。對此，本文以溶蝕時間和鈣離子累計相對溶蝕量作為自變量，建立基于溶蝕時間和基于鈣離子累計相對溶蝕量的預測模型分別如下：

(4)

fst=fst0(1-1.729 9ΔCa2+)

(5)

計算結果表明，基于溶蝕時間和鈣離子累計相對溶蝕量所建預測模型的復相關系數分別為0.979 9和0.977 1，除個別數據外相對誤差均在5%以內，滿足工程精度分析要求。

由于去離子水溶蝕環境最接近工程實際環境，根據文獻[11]中混凝土試件的配合比以及鈣離子溶蝕質量，計算得到去離子水溶蝕環境下鈣離子累計相對溶蝕量與溶蝕時間平方根之間的系數為3.75×10-4，而第2.3節中該系數為0.052 9，則濃度為0.5 mol/L硝酸溶液中的加速溶蝕倍率為

(6)

式中：aHNO3、aH2O分別為浸泡在濃度為0.5 mol/L硝酸溶液和去離子水溶液中試件的鈣離子累計相對溶蝕量與溶蝕時間平方根之間的線性斜率值；β為加速溶蝕倍率。

式(6)計算結果表明：濃度為0.5 mol/L硝酸溶液環境下混凝土溶蝕的加速倍率約為2萬倍?；炷量谷芪g耐久性尚無統一標準，參照GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》中設計使用年限100 a時寒冷地區混凝土抗凍耐久性指數不低于60%的規定，層間間歇時間為0 h情況下，基于劈裂抗拉強度確定的澆筑層面耐溶蝕年限為1 212 a(根據式(3)計算強度衰減至層面無間歇試件強度初值的60%時所需的加速試驗時間，然后按照式(6)中的加速溶蝕倍率進行轉換)；如果層間間歇時間增至12 h，此時耐溶蝕年限將縮減至467 a，縮幅達61%，表明澆筑層面的存在將嚴重制約觸水混凝土的耐溶蝕年限。上述耐溶蝕年限是根據混凝土的接觸溶蝕環境推算的，相比滲透溶蝕，接觸溶蝕發展過程非常緩慢，因此得到的耐溶蝕年限較長。如國內某溶蝕較嚴重的碾壓混凝土壩，1993年下閘蓄水，根據2003年監測的總滲流量和溶蝕區總含鈣量，估算得到該壩運行10 a后的平均鈣溶蝕程度為4.3%[14]，而根據2.3節計算規律，可得接觸溶蝕情況下達到此溶蝕程度則需要49 a，按此轉換規律和該壩當前滲漏溶蝕狀況，澆筑層面的存在將導致其耐溶蝕年限由247 a縮減至95 a。實際上，混凝土壩滲透溶蝕劣化具有非常強的空間變異性，主要溶蝕區是壩體上游側[15]，因此上游面附近壩體混凝土的溶蝕程度應遠大于4.3%，實際耐溶蝕年限會更短。

4 結 論

a.混凝土層面劈裂抗拉強度與溶蝕時間平方根和鈣離子累計相對溶蝕量之間具有良好的線性反比關系，層間間歇時間和鑿毛處理主要影響強度初值，而對溶蝕過程中層面劈裂抗拉強度下降速率的影響較小。

b.層面劈裂抗拉強度隨澆筑層間間歇時間的延長而減小，間歇12 h以內呈線性下降趨勢，12 h的強度降幅為14.6%，由此將導致混凝土澆筑層面的耐溶蝕年限縮減61%；溶蝕60 d，層間間歇時間由0 h增至12 h，層面劈裂抗拉強度降幅由69.6%增至78.9%；鑿毛處理能在一定程度上提升層面的力學性能和抗溶蝕性，以6 h內的鑿毛處理效果最佳。

c.間歇時間越長，層面溶蝕程度越大，間歇24 h時，層面溶蝕深度增加15%；層面溶蝕程度明顯大于本體，且溶蝕時間越長，相差越大，間歇24 h、溶蝕60 d后，層面相對本體的溶蝕深度增幅為20.4%，因此在進行溶蝕作用下混凝土結構的服役性能評估時，應更多地關注施工層面及裂縫等局部區域。

d.濃度為0.5 mol/L硝酸溶液環境下混凝土溶蝕的加速倍率約為2萬倍；此溶蝕環境下，無層面凈漿、砂漿和混凝土的溶蝕區鈣離子平均溶蝕程度均為56%。