碳酸盐-冻融耦合作用下建筑混凝土的损伤劣化

于 洋

(中铁十九局集团第一工程有限公司, 辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

我国东北地区四季分明，气候特征显著。受温差变化的影响，室外混凝土建筑均出现了不同程度的破损，加之近年来环境污染导致的酸雨增多，加重了混凝土建筑物的损伤劣化进程。大量混凝土建筑物承载能力降低，严重危害了人民的生命财产安全[1-2]。因此，有必要对酸性环境及冻融循环耦合作用下混凝土的损伤劣化性质进行研究。

近年来，我国学者对混凝土损伤劣化方面的研究成果颇丰。方小婉等[3]对混凝土受外界环境影响后的物理力学性质方面进行了研究，为下一步开展混凝土损伤实验奠定了基础。宿小萍等[4]综合考虑了盐浸、冻融及干湿三因素对混凝土的影响，通过电镜扫描、化学成分鉴定及EDX能谱分析等手段对实验结果进行了分析。黄灵芝等[5]通过冻融实验，分析了混凝土损伤层厚度的变化情况，基于三维颗粒流数值模拟方法建立了损伤混凝土数值模型。闫景晨等[6]通过数字图像技术(DIC)对几种不同的混凝土在重复荷载作用下的损伤情况进行了细观研究，分析了试样内部裂缝的时空演化规律。冯忠居等[7]通过室内实验对高寒地区桥梁桩基混凝土在复合盐冻条件下的力学特性进行了研究，分析了各参数随冻融循环次数、盐浓度的变化规律。王晨霞等[8]通过加载实验，对再生混凝土的抗冻性进行了研究，分析了不同冻融循环次数下试样的损伤劣化情况，并建立了损伤模型。夏京亮等[9]对掺加不同类型岩石粉的混凝土试样的抗动性进行了研究，对比分析了几种岩石粉对混凝土抗冻性的效果。王建刚等[10]通过室内加载实验，对再生混凝土进行了不同碳化程度、不同冻融循环次数及干湿循环次数下的耐久性实验研究。何晓雁等[11]通过抗压强度实验，扫描电镜及X射线衍射实验对不同橡胶掺量的混凝土进行了研究，分析了酸性腐蚀和冻融双重影响后混凝土的物理力学性质。张信龙等[12]针对寒区混凝土的损伤劣化问题，对不同尾矿砂掺量的混凝土进行了实验研究，分析了酸性环境及冻融作用下混凝土的破坏机制。李北星等[13]通过抗压强度实验及室内检测实验，对酸性环境腐蚀、冻融循环作用后的混凝土进行了实验研究。王凯等[14]通过酸性环境下混凝土动弹模量的退化规律，分析了酸性环境对混凝土的损伤劣化机制。张向东等[15]通过抗压强度实验，研究了煤矸石混凝土在酸性环境和冻融双重作用下的损伤劣化机制。Han等[16]通过三轴压缩实验对不同化学溶液作用下混凝土的力学特性及冻融损伤机制进行了研究。Segovia等[17]对化学腐蚀作用下钢筋水泥混凝土的损伤劣化机制进行了研究，建立了一个力学和电化学模型。Ding等[18]通过室内实验，对冻融循环和干湿循环耦合作用下混凝土的物理力学性质进行了分析。Shi等[19]通过稀释除冰剂对硅酸盐水泥混凝土的冻融损伤和化学变化进行了实验研究

综上分析，已有结论对混凝土受冻融及酸性环境腐蚀影响进行了较为详细的研究，但对碳酸盐-冻融耦合对混凝土物理力学特性的研究相对较少。基于此，笔者在已有研究成果的基础上，结合沈阳某高层民用建筑的工程背景，对不同碳酸盐侵蚀时间、不同冻融循环次数下的混凝土试样进行了加载前后的实验研究，分析了二者对混凝土的物理力学性质损伤劣化规律及破坏机理，并通过Origin软件建立了冻融、酸性腐蚀时间耦合作用下的预测模型，以期能够为工程实际提供可靠的技术支持。

1 实 验

1.1 材料

水泥采用阜新鹰牌水泥有限公司生产的P·O 42.5型普通硅酸盐水泥；粉煤灰取自阜新清河门金山热电厂的Ⅱ级粉煤灰；细骨料采用常见的普通河沙，细度模数为2.42；粗骨料采用不同级配碎石，粒径区间为5.0～16.0 mm；减水剂采用阜新金凯化工有限公司生产的高效减水剂,w=0.5%；水采用普通生活用水。根据工业与民用建筑用混凝土相关设计规范，并结合工程实际，每立方米混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.2 方法

为研究碳酸盐与冻融循环耦合作用下建筑混凝土的损伤劣化规律，以Na2CO3溶液模拟混凝土所处的碳酸盐环境，分析Na2CO3溶液不同浓度、浸泡时间对混凝土的影响。将浸泡后的混凝土进行冻融循环实验，分析冻融循环对混凝土的影响。最后，对Na2CO3溶液浸泡、冻融后的混凝土试样进行单轴压缩实验，分析混凝土受碳酸盐与冻融循环耦合作用后的力学特性。

(1)腐蚀实验。将制备好的混凝土试样置于质量分数为15%的Na2CO3溶液中，设置浸泡时间分别为24、48、72、96 h。待浸泡达到浸泡时间后，擦干表面多余液体称重，拍照记录试样表面侵蚀情况。

(2)冻融实验。将腐蚀后的混凝土试样置于快速冻融实验箱中，设置冻融循环次数分别为10、20、30、40次。待达到指定冻融循环次数后，取出试样再称重，拍照记录试样表面破损情况，对实验进行声波检测。

(3)单轴压缩实验。单轴压缩实验在MTS815.02多功能伺服三轴实验系统上完成。实验用混凝土试件为高100 mm、直径50 mm的标准圆柱体。冻融循环实验及单轴压缩实验具体操作过程与韩铁林等[20]的研究方法相同，不再详细介绍。

2 结果分析

2.1 物理性质

图1为加载前试样的质量损失率、声波损失率冻融循环次数之间的关系。由图1可知，随着冻融循环次数的逐渐增加，不同浸泡时间下混凝土试样的质量损失率km逐渐增大，纵波波速的损失率kv同样逐渐增大；同一冻融循环次数下，试样质量损失率与纵波波速损失率同样随浸泡时间的延长逐渐递增。根据实验结果，以浸泡时间48 h为例，当冻融循环10次时，试样质量损失率与纵波波速损失率分别为0.32%和0.65%；当冻融循环增至40次时，两指标的损失率分别增大至0.63%和1.36%。以冻融循环20次为例，当浸泡时间为24 h时，试样的质量损失率与纵波波速损失率分别为0.39%和0.59%；当浸泡时间延长至96 h时，量指标的损失率分别增大至0.69%和1.63%。可见，碳酸盐与冻融循环显著加速了混凝土的损伤劣化。

碳酸盐与混凝土反应能产生一定量碳酸钙，并在溶液中溶解，导致试样的质量减轻，波速降低；冻融循环使得试样内部孔隙结构不断承受收缩膨胀作用，颗粒间黏结强度降低，导致试样表面出现剥落碎屑，进而导致试样的质量减轻，波速降低。碳酸盐与冻融循环相互促进，其中，冻融循环引发的冻胀应力可加快混凝土表面腐蚀产物的脱落以及内部新裂缝的产生，并促使已有微裂缝扩展以至贯通，从而为碳酸盐腐蚀介质的进一步侵入提供快速通道。

图1 质量、纵波波速损失率与冻融循环次数的关系Fig. 1 Relationship between mass, p-wave velocity loss rate and number of freeze-thaw cycles

2.2 碳酸盐影响

对碳酸盐不同浸泡时间、不同冻融循环次数下的混凝土试样进行单轴压缩实验，计算不同实验条件下试样的抗压强度及弹性模量，并绘制二者对浸泡时间、冻融循环次数的变化曲线，以此来分析混凝土试样的强度参数的劣化规律。

图2 强度参数与碳酸盐浸泡时间的关系Fig. 2 Relationship between strength parameters and soaking time of carbonate

2.3 冻融循环影响

图3为混凝土试样的抗压强度与弹性模量随冻融循环次数的分布曲线。由图3可知，随着冻融循环次数的逐渐增加，不同浸泡时间下试样的抗压强度、弹性模量均呈逐渐递减变化趋势。以浸泡时间48 h为例，当冻融循环10次时，混凝土试样的抗压强度为76.47 MPa，弹性模量为10.59 GPa；当冻融循环次数分别为20、30、40次时，试样的抗压强度分别减小了17.44%、32.66%和49.73%，弹性模量分别减小了22.24%、26.18%和38.67%。可见，混凝土在冻融循环下承载能力显著降低，且冻融循环次数越多，试样的承载能力越低。原因是混凝土在冻融循环作用下，其内部孔隙中的水分不断的进行固态与液态之间的相互转化，体积则不断的在膨胀与收缩之间循环，混凝土孔隙周围的骨架结构不断进行拉伸作用，使得骨架的承载能力降低。但随着冻融循环次数的增加，混凝土内部骨架在反复拉伸作用下迅速屈服，冻融导致的损伤逐渐减小，使得抗压强度和弹性模量降幅逐渐减小，曲线逐渐趋缓。

图3 强度参数与冻融循环次数的关系Fig. 3 Relationship between strength parameters and number of freeze-thaw cycles

2.4 碳酸盐-冻融耦合影响

图4为混凝土强度参数随冻融循环次数、碳酸盐浸泡时间的三维分布曲面。从图4可以明显看出，随着冻融循环次数和碳酸盐溶液浸泡时间的同时增加，混凝土试样的抗压强度、弹性模量均呈逐渐减小的变化趋势。产生强度参数递减的原因与前文一致，需要补充的是在碳酸盐-冻融耦合作用下，混凝土试样的劣化程度加重，碳酸盐侵蚀导致试样表面及内部孔隙增大，孔隙中水分增多，冻融循环导致孔隙中水分冻结膨胀作用更强，进而骨架结构拉伸更严重。采用Origin软件对抗压强度、弹性模量同时随冻融循环和浸泡时间进行三维曲面拟合，发现两参数与冻融循环和浸泡时间之间关系为

(1)

式中：Z——强度参数；

n——冻融循环次数；

t——碳酸盐浸泡时间；

Z0、B、C、D——拟合参数。

混凝土抗压强度的拟合参数Z0、B、C、D分别为23.41、86.72、186.06、44.44，相关系数R2为0.983 7。混凝土弹性模量的拟合参数Z0、B、C、D分别为5.10、12.02、95.51、37.20，相关系数R2为0.920 3。由此可知，文中混凝土的强度参数与冻融循环和浸泡时间相关度均在0.9以上，具有较好的相关性。

图4 强度参数与冻融循环、浸泡时间的关系Fig. 4 Relationship between strength parameters and freeze-thaw cycle and soaking time

3 结 论

(1)逐渐增加冻融循环次数，不同浸泡时间下混凝土试样的质量损失率和纵波波速的损失率逐渐增大。同一冻融循环次数下，试样质量损失率与纵波波速损失率同样随浸泡时间的延长逐渐递增。

(2)同一冻融循环次数下，随着碳酸盐浸泡时间的逐渐延长，试样抗压强度、弹性模量均呈逐渐递减变化趋势，且降幅逐渐减小。同一碳酸盐浸泡时间下，随着冻融循环次数的逐渐增加，试样抗压强度、弹性模量均呈逐渐递减的变化趋势，且降幅逐渐减小。

(3)Origin软件三维曲面拟合显示，混凝土的强度参数与冻融循环、碳酸盐腐蚀时间之间满足指数函数递减关系，相关系数均在0.9以上，表明文中所得指数函数适用于冻融循环与碳酸盐腐蚀下的混凝土强度预测。