盐类侵蚀作用下混凝土力学性能退化规律研究

毕景瑶，汪建平，周丽娜，3*，丁 浩

(1.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.中铁一局集团建筑安装工程有限公司，陕西 西安 710043；3.新疆土木工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830017)

海洋环境、内陆盐湖和盐碱地都包括氯盐、硫酸盐在内的混合盐，这些区域分布着大量的钢筋混凝土结构，包括工业和民用建筑、桥梁、隧道、矿井以及水利、海港等土木工程，该环境下服役的钢筋混凝土结构不可避免地发生腐蚀、开裂、锈胀隆起和钢筋锈蚀等耐久性病害，导致其承载能力显著下降，结构逐步“酥化”，造成建筑结构功能性损伤[1-2]。依据《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)规定，新疆盐渍地区混凝土建筑物构筑物所处环境作用等级在冻融及化学腐蚀类别中均归为非常严重等级。该地区特殊的气候和地理环境导致水利建筑物和构筑物面临更为复杂的温度、湿度、复合盐种类、浓度和软水侵蚀的耦合作用，化学侵蚀交互冻融作用对于对其耐久性提出更高的要求，尤其是氯盐与硫酸盐侵蚀机理影响因素较多，二者耦合作用下的耐久性损伤机理尚不明确，因此揭示新疆盐渍地区服役环境下水工混凝土临界损伤状态对于保障基础设施工程的安全耐久至关重要。

矿渣和粉煤灰均以玻璃态结构为主，含钙量较低，但两种材料对水泥基材料的抗硫酸钠侵蚀性能发挥作用不同，粉煤灰可以提高其抗酸盐侵蚀性能，而矿渣对水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能有不利影响[3-4]。掺加矿物掺合料降低了C3A含量，且火山灰反应消耗了大量的水化产物氢氧化钙，掺合料的微集料填充效应提高了试件的密实度，降低了孔隙率和有害离子的侵入速度[5]。 目前，已有研究集中在氯盐侵蚀产物Friedel盐的稳定性影响因素[6]或者不同种类混凝土的硫酸盐损伤规律[7-11]。矿物掺合料的物理性能和化学成分对混凝土的水化过程、工作性能、力学性能及耐久性能影响显著，不同矿物掺合料在混凝土体系中发挥的作用有区别，随着现代土木工程朝着超高层、大跨度发展，以及极端环境的高耐久和低碳化混凝土的需求，多种矿物掺合料复掺是提升混凝土性能的有效方法[12]。

强度是土木工程结构对材料的基本要求，混凝土力学性能与弹性模量、抗渗性、耐久性等难以测量的主要性能具有直接关系，因此常用强度数据推断混凝土其他性能的优劣程度[12]。文献研究表明，混凝土立方体抗压强度较高，具有很好的稳定性，但轴心抗压强度更符合工程实际。劈裂抗拉强度是衡量混凝土抗裂能力的指标。应力应变全曲线能较为全面的分析混凝土的各阶段的变形和结构承载力情况。基于此，本文对现有的盐类侵蚀试验数据，从混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和峰值应力与峰值应变探究盐类侵蚀混凝土力学性能的变化规律，以期对盐渍环境下混凝土耐久性损伤评估与预测提供新思路。

本文图中用到试验编码意义见表1。

表1 试验代码汇总

1 硫酸盐侵蚀混凝土力学性能影响规律

根据目前统计的文献，硫酸盐侵蚀的浓度设定一般选取10%和5%，本节分别从10%硫酸钠溶液和5%的硫酸钠溶液中将侵蚀周期较为一致的数据归纳分析其单一硫酸盐侵蚀与氯盐-硫酸盐复合侵蚀后混凝土力学性能的变化规律。

1.1 抗压强度

图1为10%硫酸钠溶液侵蚀下侵蚀制度、水胶比及矿物掺合料对混凝土抗压强度影响规律[13-15]。从图中可以看出，无论是全浸泡还是干湿循环制度下，混凝土抗压强度大致为先上升后下降的情况。水胶比在0.35左右时，混凝土的初始强度较大，强度提升明显，强度下降较为明显；掺矿粉混凝土强度较素混凝土和掺粉煤灰混凝土有明显的提升，掺加粉煤灰和矿粉减缓了硫酸盐侵蚀混凝土抗压强度的下降程度，但单掺粉煤灰的混凝土后期抗压强度有很大变化，可能是因为粉煤灰掺量过大，使混凝土变得酥脆，加快了破坏进程。将粉煤灰和矿粉复掺进混凝土，在前中期试块的抗压强度一直在增长，说明矿物掺合料复掺对于混凝土抗压强度的改善有良好的作用。水胶比在0.45左右时，混凝土的初始强度较小，掺加粉煤灰对混凝土抗压强度影响不明显，最大强度值的出现时间明显晚于水胶比0.35组混凝土，说明矿物掺合料对硫酸盐侵蚀过程中混凝土的力学性能改善效果取决于其自身的性能。

图1 10%硫酸钠溶液侵蚀不同类型混凝土抗压强度变化规律

在考虑水胶比、侵蚀方式和掺料种类的因素，结合上述的强度变化，可以得出水胶比对混凝土的初始抗压强度有很大影响，水胶比越小，在前中期抗压强度提升的幅度越大；干湿循环相较于浸泡，明显增强了硫酸盐对混凝土的侵蚀，原因在于干湿循环的侵蚀方式有利于混凝土孔隙的发展；在一定水胶比范围内，粉煤灰或者矿粉的掺加可以显著提升混凝土的强度、延缓混凝土劣化进程，二者复掺的效果优于单掺，且从侵蚀后期数据发现，掺加粉煤灰的效果不如掺加矿粉的效果好。

图2为5%硫酸钠溶液侵蚀水胶比0.40的不同玄武岩纤维掺量混凝土抗压强度的变化曲线[16]。由图可知，随着侵蚀龄期的增长，混凝土抗压强度大致为先上升后下降，但不同侵蚀方式、干湿循环周期和玄武岩纤维掺量下侵蚀混凝土强度最大值出现的时间存在差异。分析结果表明，长期浸泡的混凝土初期的抗压强度提升最快，其次是干湿循环周期为15 d的试块、干湿循环周期为30 d的试块，最后为干湿循环周期为1 d的试块；在前中期，干湿循环的试块抗压强度下降速率明显快于长期浸泡的试块，说明干湿循环对混凝土的侵蚀更快，且循环周期越小，侵蚀越厉害；初期上升较慢是因为混凝土孔隙结构还未出现损伤，混凝土内部的化学反应没有持续进行。粉煤灰掺量为20%时，玄武岩纤维的掺量在0.2%的情况下混凝土的抗压强度提升最大，抗侵蚀效果最好。

图2 5%硫酸钠溶液侵蚀条件下玄武岩纤维复掺粉煤灰混凝土抗压强度变化曲线

1.2 劈裂抗拉强度

硫酸盐侵蚀早期造成的表面损伤用拉力测试评估是较为明显的，它能反映混凝土的抗裂能力。图3为5%硫酸钠溶液浸泡不同类型混凝土劈裂抗拉强度的变化情况。从图3可以看出，在5%硫酸钠溶液中，混凝土劈裂抗拉强度的变化规律与抗压强度的变化规律相似，均有小段提升，随后下降。对比同一水胶比和相同侵蚀制度，可以发现PVA纤维的掺加对于劈裂抗拉强度的提升相较于粉煤灰有明显的提高，说明PVA纤维的掺加对于混凝土内部的黏固作用很大，增强骨料之间的拉结；当PVA纤维掺量在2%时，混凝土的劈裂抗拉强度提升最大，当掺量继续增加时对混凝土劈裂抗拉强度的提升效果减小，说明在一定范围内，PVA纤维的使用能有效延缓混凝土的劣化。

图3 5%硫酸钠溶液侵蚀不同类型混凝土劈裂抗拉强度[17-18]变化曲线

此外，PVA纤维组整体的强度变化较为平缓，粉煤灰组的强度变化较为明显，可能与混凝土的密实度有关，二者都能改善混凝土的孔隙结构，细化密实孔隙，但随着侵蚀的发生，孔隙不断发展，加速侵蚀，PVA纤维之间的桥接作用能有效延缓裂缝的发展[17]，所以硫酸盐侵蚀产物吸水膨胀提供的强度有限，直至超过纤维和混凝土自身的拉应力，试块在后期才有一个较为明显的下降段。粉煤灰的掺加在一定程度上密实了混凝土，提升了其强度，但不能延缓裂缝的发展，侵蚀严重时混凝土易酥脆，所以强度提升得快，但劣化得也快。

1.3 单轴受压峰值应力

单轴受压峰值应力的大小表征混凝土的耐久性和强度，确保混凝土的安全性和可靠性。图4为10%硫酸钠溶液侵蚀不同掺量粉煤灰混凝土峰值应力的变化情况[12，18]。

图4 10%硫酸钠溶液侵蚀不同类型混凝土峰值应力变化曲线

从图4可以看出，在10%硫酸钠溶液侵蚀的情况下，混凝土的峰值应力变化大致为先上升后下降的情况，与混凝土抗压强度的变化规律相似，但水平应力轴压荷载比例在60%时，混凝土的峰值应力一直在快速下降，说明荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用加快了混凝土力学性能的损伤。

当水胶比为0.47左右时，荷载作用对混凝土峰值应力的影响随着侵蚀龄期的增长略有提升再下降，但荷载比例越大，中后期混凝土的峰值应力下降越多。施加荷载会密实混凝土，对混凝土的强度提升有一定作用，同时也能延缓硫酸盐侵蚀混凝土，但荷载过大时会导致混凝土内部结构的破坏，产生微小裂缝，促进硫酸盐的侵蚀，且荷载比例越大，促进效果越明显，混凝土劣化越快。无荷载混凝土在侵蚀后期峰值应力下降幅度比荷载比例为30%的大，说明一定的外部荷载对硫酸盐侵蚀混凝土的变形具有抑制作用。综上所述，荷载比例在30%和45%时，对延缓混凝土的劣化有一定的正反馈，其中荷载比例在30%时，效果最好。荷载比例在60%时，呈现负反馈的作用，导致混凝土劣化加速。

图5为5%硫酸钠溶液浸泡不同龄期混凝土峰值应力的变化情况[14，19-20]。从图5中可以看出，硫酸盐侵蚀对混凝土的峰值应力有一定的影响，在荷载-硫酸侵蚀-长期浸泡的耦合作用下的试块，初期峰值应力值不大，其变化规律与图4大致相同，但变化幅度<10%硫酸钠溶液，说明溶液浓度对盐类侵蚀混凝土强度的影响较大。

图5 5%硫酸钠溶液侵蚀不同类型混凝土峰值应力变化规律

水胶比为0.52的普通混凝土在硫酸盐侵蚀过程中出现了2个峰值应力，且第一个峰值提高幅度较大，可能是因为膨胀侵蚀产物的快速积累，导致强度增加；峰值应力二次提升的原因可能是混凝土出现损伤后孔隙发展过程中持续生成的水化产物填充，密实了混凝土，强度二次提升；水胶比为0.47时，也呈现这样的趋势，但由于混凝土内部结构更密实，抵抗了强度下降，当达到最大抵抗能力后，混凝土开始出现劣化。水胶比为0.42时，普通混凝土最大值出现的时间晚于0.52和0.47的普通混凝土，说明水胶比越小，混凝土内部之间的黏结度越大，反而有利于延缓硫酸盐的侵蚀混凝土，水胶比在一定范围时，混凝土的黏结度好，孔隙结构稳定，达到延缓侵蚀的作用。粉煤灰的掺加使得混凝土的初始峰值应力反而变小，后期峰值应力的下降也快于单掺纤维的混凝土，说明矿物掺合料和纤维之间的相互作用存在临界值。

1.4 单轴受压峰值应变

图6为10%硫酸钠溶液干湿循环下不同类型混凝土峰值应变的变化情况[19，21]。由图可知，10%硫酸钠溶液中，随着侵蚀时间的增加，峰值应变与强度的变化相反，先下降后上升，但其变化规律是一致的。随着侵蚀产物的生成不断填充孔隙，强度有所提升，对应的峰值应变降低，但随着侵蚀物质的积累，裂缝开始发展，混凝土不断劣化，变形量也快速增加。

图6 10%硫酸钠溶液干湿循环下不同类型混凝土峰值应变曲线

对比矿物掺合料和纤维掺量对侵蚀混凝土峰值应变的影响，可以发现，普通混凝土的峰值应变发展最快，其次是掺有纤维的混凝土，最后是双掺纤维和粉煤灰的混凝土峰值应变发展最慢。说明纤维与粉煤灰双掺可以优势互补，对混凝土的性能提升较大。单掺纤维对前期的峰值应变发展有较大影响，但后期劣化速度加快。

图7为不同荷载对5%硫酸钠溶液浸泡粉煤灰混凝土峰值应变的影响化情况[14，22]。从图7中可以看出，混凝土的峰值应变随侵蚀龄期呈上升趋势，前期增长速率较慢，中后期增长速率较快，原因在于侵蚀中后期混凝土内部出现损伤，开始不断劣化。总体来看，荷载施加能明显抑制变形，但荷载过大，对于变形的抑制效果反而不如无荷载的混凝土。对比图6和图7可以发现，外加荷载使得硫酸盐侵蚀破坏对混凝土峰值应变的规律不同，证实了荷载作用在一定程度上可以影响改善混凝土内部的微观裂缝和膨胀侵蚀产物造成的变形规律。

图7 不同荷载作用下5%硫酸钠溶液浸泡粉煤灰混凝土的峰值应变曲线

2 复合盐侵蚀混凝土力学性能影响规律

复合盐耦合侵蚀混凝土较硫酸盐侵蚀混凝土的情况更复杂，因为硫酸盐和氯盐的交互作用产生了超叠加的效应，造成混凝土的性能变化规律的探究过程复杂。

2.1 抗压强度

图8为0.40水胶比不同复合盐溶液浓度的纤维混凝土抗压强度的变化情况[23-24]。从图8中可以看出，从不同组中纤维混凝土抗压强度的变化可以发现，每组试块的变化趋势大致相同，都是先上升后下降，前期混凝土的强度提升较为平缓，但中后期开始快速增加，且都在侵蚀龄期210 d时达到最大值。在图中还可以得出，在5%的硫酸钠溶液中，抗压强度是混杂纤维混凝土>钢纤维混凝土>PF纤维混凝土。在复合盐侵蚀过程中，掺量为0.7%的PF纤维对于混凝土的抗压强度的提升有一个快速上升期，但随之又会快速下降，且随着溶液浓度的提高，抗压强度的增加越快。从材料因素分析，掺加纤维能有效延缓混凝土裂缝的出现和发展，是因为掺加纤维改善了混凝土孔隙结构，使其与混凝土的界面黏结能力提升以及纤维之间的桥接作用，达到增韧缓裂的作用，从而延缓了混凝土的劣化。前期抗压强度增加平缓是因为混凝土结构还是良好的，阻碍了离子的扩散，对强度的影响不大。纤维的使用在中后期明显提高了混凝土的抗压强度，且钢纤维对抗压强度的提升更为明显。

图8 0.40水胶比不同复合盐溶液浓度的不同纤维混凝土抗压强度变化规律

基于5%硫酸钠溶液下，氯离子浓度变化对混凝土抗压强度的影响分析，硫酸盐与氯盐的耦合侵蚀过程是复杂的竞争关系，也是相互促进和抑制的过程。PF掺量为0.7%的混凝土抗压强度随着氯盐浓度的增加影响程度越大。由图可知，复合盐溶液中浸泡混凝土的抗压强度增加较为平缓，说明侵蚀较为缓慢，有少量物质沉积填充了孔隙。氯离子浓度为10%时，强度提升较其他两组提升较大，说明10%的氯离子浓度对于硫酸根离子的促进作用最明显，反应生成物沉积程度大。在中期，混凝土抗压强度骤然上升，氯离子浓度越高，抗压强度上升越大。因为氯离子浓度越大，混凝土内部发生反应生成的Friedel盐越多，自由氯离子的浓度降低，Friedel盐的稳定性越好。同时纤维分担了部分应力，使得膨胀侵蚀产物继续生成，增加了混凝土的密实度，混凝土强度得到二次提升，但混凝土结构还是遭到破坏，所以后期劣化较快。

2.2 劈裂抗拉强度

图9为复合盐侵蚀中混凝土劈裂抗拉强度随侵蚀龄期的变化情况[24-25]。从图9中可以看出，水胶比相近，其劈裂抗拉强度的变化并不相同，再生粗骨料取代率为50%的混凝土，在复合盐侵蚀下混凝土的劈裂抗拉强度呈现下降趋势；使用聚丙烯醇纤维的混凝土，劈裂抗拉强度呈先上升后下降的趋势。使用再生粗骨料能显著提升混凝土的劈裂抗拉强度，其初始劈裂抗拉强度约在10MPa，远远大于PF纤维混凝土的劈裂抗拉强度值，但经过硫酸盐-镁盐-氯盐的多重侵蚀后再生骨料混凝土的劈裂抗拉强度直线下降；掺加PF纤维的试块在初期对强度的提升并无影响，直到膨胀物质处于完全积累的状态时，PF纤维抵抗了一部分的拉应力，延缓了复合盐侵蚀的进程。

图9 复合盐侵蚀不同类型混凝土劈裂抗拉强度变化曲线

考虑氯盐与硫酸盐耦合作用对混凝土强度的影响，可以发现氯盐浓度在5%和10%时，能有效抑制硫酸盐的侵蚀，但氯离子浓度在15%时，出现促进硫酸盐侵蚀和强度二次提升的现象，说明离子浓度对氯离子和硫酸根离子之间的竞争关系不只是抑制也有促进[25]。

2.3 峰值应力与峰值应变

图10为不同复合盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土峰值应力随冻融循环次数的变化情况[26-27]。

图10 复合盐冻融侵蚀下混凝土峰值应力变化曲线

从图10中可以看出，混凝土在冻融-复合盐侵蚀条件下，峰值应力下降较快，呈下降趋势。对比水胶比为0.49的C40再生混凝土在不同浓度的复合盐溶液中的变化，可以发现峰值应力下降速度为：浓度为3.7%的复合盐溶液(一倍基准浓度)<浓度为7.4%的复合盐溶液(二倍基准浓度)<浓度为11.1%的复合盐溶液(三倍基准浓度)。

再生骨料的使用和强度等级对于混凝土峰值应力的提升是较为明显的，在图中有四组曲线重合程度较高的曲线，分别为水胶比为0.42和水胶比为0.46的C50混凝土、水胶比为0.49和水胶比为0.64的C40混凝土、水胶比为0.77的C30再生混凝土和水胶比为0.39的C40普通混凝土、水胶比为0.65的C30再生混凝土和水胶比为0.49的C40普通混凝土，可以发现再生粗骨料的添加使得水胶比对混凝土的峰值应力影响程度变小，但再生粗骨料的添加使得峰值应力得到很大提升，水胶比0.49使用40%再生骨料代替普通骨料的C40混凝土初始峰值应力增加了20%。在冻融-复合盐侵蚀破坏早期再生混凝土的强度有提升，但由于冻融破坏加剧混凝土内部损伤，有利于复合盐离子的传输，因此在中后期各组混凝土峰值应力快速下降，说明在冻融-侵蚀的条件下，冻融有利于侵蚀的发生。

图11为不同复合盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土峰值应变随冻融循环次数的变化情况[26，28]。从图11中可以看出，混凝土在冻融-复合盐侵蚀条件下，峰值应变呈现上升趋势。对比水胶比为0.49的C40再生混凝土在不同浓度的复合盐溶液中的变化，可以发现峰值应变上升速度为：浓度为3.7%的复合盐溶液(一倍基准浓度)<浓度为7.4%的复合盐溶液(二倍基准浓度)<浓度为11.1%的复合盐溶液(三倍基准浓度)。

图11 复合盐冻融侵蚀下混凝土峰值应变变化曲线

再生粗骨料的使用和强度等级对于混凝土形变的抑制程度在前期大致相同，在中后期才体现出明显差距，在中后期中应变上升较快的依次为：0.49-DR-ZSC40-FH11.1>0.65-DR-ZSC30-FH3.7>0.49-DR-PTC40-FH3.7>0.49-DR-ZSC40-FH3.7；通过对比发现，复合盐溶液浓度对混凝土的变形影响最大，其次是再生粗骨料的影响，最后是混凝土强度等级的影响。

此外，冻融破坏有利于混凝土裂缝的发展，加快侵蚀速度，但粗骨料的添加能抑制混凝土的劣化。

3 单一盐与复合盐侵蚀下的力学性能对比分析

图12为干湿循环制度下单一盐类侵蚀和复合盐类侵蚀对混凝土抗压强度的影响规律[15，27]。由图可以看出，在干湿循环的条件下，普通素混凝土在单一盐或复合盐侵蚀下的抗压强度变化对比发现，抗压强度变化先上升后下降，水胶比对混凝土的强度影响较大，水胶比越小，初始强度值越大。侵蚀程度大小为：10%的硫酸钠溶液>复合盐溶液>清水组；说明单一硫酸盐的侵蚀危害较复合盐侵蚀的危害更大，对混凝土侵蚀破坏的程度愈快。

图12 单一盐和复合盐侵蚀下混凝土抗压强度变化曲线

4 结 论

(1) 在10%、5%的硫酸钠溶液和复合盐溶液侵蚀下，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和峰值应力的变化规律大致相似，呈先上升后下降。盐类侵蚀混凝土力学性能上升段和下降段的速率及最大值与侵蚀方式、掺合料种类及其数量、盐类浓度等因素息息相关。

(2) 氯盐浓度不同时，复合盐侵蚀后混凝土力学性能的发展历程不同，说明氯盐对混凝土硫酸盐侵蚀发挥的作用存在临界值。

(3) 再生骨料混凝土是当前双碳目标下的研究热点，其力学性能及耐久性能的研究较多，但针对盐类侵蚀的损伤机理及改善措施仍存在不足和空白。此外，通过归纳盐类侵蚀混凝土力学性能的损伤规律可知，提升混凝土早期强度及改善其变形能力均可改善其抗盐类侵蚀能力。