工程科学学报，第39卷.第8期：1278-1287,2017年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.8:1278-1287,August 2017 D0L:10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.019;htp:/journals.ustb.edu.cn 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 刘娟红⑧，赵力，纪洪广 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:juanhongl966@hotmail.com 摘要通过试验研究含初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环共同作用下的性能，分析了不同初始损伤程度混凝土随 腐蚀时间的增加，其质量、超声波传播速度、强度、单轴压缩应力应变曲线以及声发射活动的变化，运用损伤力学对腐蚀损伤 进行定量评价和参数拟合，基于声发射特性建立含初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型并进一步分析其损伤演化过程，借助 环境扫描电镜与电子能谱技术观测分析受硫酸盐腐蚀作用初始损伤混凝土微结构的变化，揭示其损伤机理.试验结果表明， 随着腐蚀时间的增加，不同初始损伤程度混凝土的质量、超声波传播速度和强度均呈先增大后减小，初始损伤程度增加会加 速混凝土在腐蚀作用下物理力学性能的劣化，其影响存在阈值，分别以抗压强度、超声波速为损伤变量可以建立混凝土的腐 蚀损伤劣化方程，并进一步得出不同损伤表达式间的函数关系：相同腐蚀时间下，初始损伤的增加使声发射活动减弱且产生 明显的声发射的时间滞后：初始损伤下，基于声发射特性的混凝土损伤演化过程可分为初期压密阶段、损伤稳定演化阶段和 损伤加速发展阶段3个阶段：初始损伤的增加使混凝土内部腐蚀反应更为活跃，微裂纹网络体系比无初始损伤状态下更加发 达，呈现龟裂状延伸和扩展，进而改变了混凝土的宏观物理力学性质. 关键词混凝土；初始损伤：硫酸盐腐蚀；超声波速度：声发射：损伤演化：微观结构 分类号TU528.31 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack LIU Juan-hong,ZHAO Li,JI Hong-guang School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:juanhong1966@hotmail.com ABSTRACT The variation of properties of concrete with initial damage under sulfate and wet-dry-cycle environments was experi- mentally investigated.With increased corrosion time,changes in the parameters of concrete with initial damage were analyzed,inclu- ding mass,ultrasonic velocity,compressive strength,stress-strain curves,and the activities of acoustic emission under uniaxial compression.A quantitative evaluation and parameter fitting for corrosion damage was made based on damage mechanical theory. Based on the acoustic emission characteristics,a damage model of corroded concrete with initial damage was established and its damage evolution was analyzed.Using environmental scanning electron microscopy (ESEM)and energy-dispersive X-ray analysis (EDX),the damage mechanisms were revealed in observations of the microstructures and element compositions of concretes with initial damage induced by sulfate corrosion.The research results show that with increased erosion time,the mass,ultrasonic velocity, and compressive strength of concrete with different degrees of initial damage first increase and then decrease.Increases in the degree of initial damage may accelerate the degradation of physical and mechanical properties,but a threshold effect exists.Compressive strength and ultrasonic velocity can be regarded as damage variables,and corrosion damage evolution equations and the functional relationship between different damage formulas were established.With increased erosion time,the stress-strain curve of concrete with initial damage is obviously concave-upward and the elastic-stage time period can be comparatively shorter whereas the yield-stage time 收稿日期：2016-10-20 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600800):国家自然科学基金资助项目(51678049)
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期:1278鄄鄄1287,2017 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 8: 1278鄄鄄1287, August 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 08. 019; http: / / journals. ustb. edu. cn 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 刘娟红苣 , 赵 力, 纪洪广 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 苣 通信作者, E鄄mail: juanhong1966@ hotmail. com 摘 要 通过试验研究含初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环共同作用下的性能,分析了不同初始损伤程度混凝土随 腐蚀时间的增加,其质量、超声波传播速度、强度、单轴压缩应力应变曲线以及声发射活动的变化,运用损伤力学对腐蚀损伤 进行定量评价和参数拟合,基于声发射特性建立含初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型并进一步分析其损伤演化过程,借助 环境扫描电镜与电子能谱技术观测分析受硫酸盐腐蚀作用初始损伤混凝土微结构的变化,揭示其损伤机理. 试验结果表明, 随着腐蚀时间的增加,不同初始损伤程度混凝土的质量、超声波传播速度和强度均呈先增大后减小,初始损伤程度增加会加 速混凝土在腐蚀作用下物理力学性能的劣化,其影响存在阈值,分别以抗压强度、超声波速为损伤变量可以建立混凝土的腐 蚀损伤劣化方程,并进一步得出不同损伤表达式间的函数关系;相同腐蚀时间下,初始损伤的增加使声发射活动减弱且产生 明显的声发射的时间滞后;初始损伤下,基于声发射特性的混凝土损伤演化过程可分为初期压密阶段、损伤稳定演化阶段和 损伤加速发展阶段 3 个阶段;初始损伤的增加使混凝土内部腐蚀反应更为活跃,微裂纹网络体系比无初始损伤状态下更加发 达,呈现龟裂状延伸和扩展,进而改变了混凝土的宏观物理力学性质. 关键词 混凝土; 初始损伤; 硫酸盐腐蚀; 超声波速度; 声发射; 损伤演化; 微观结构 分类号 TU528郾 31 收稿日期: 2016鄄鄄10鄄鄄20 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600800); 国家自然科学基金资助项目(51678049) Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack LIU Juan鄄hong 苣 , ZHAO Li, JI Hong鄄guang School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: juanhong1966@ hotmail. com ABSTRACT The variation of properties of concrete with initial damage under sulfate and wet鄄鄄 dry鄄鄄 cycle environments was experi鄄 mentally investigated. With increased corrosion time, changes in the parameters of concrete with initial damage were analyzed, inclu鄄 ding mass, ultrasonic velocity, compressive strength, stress – strain curves, and the activities of acoustic emission under uniaxial compression. A quantitative evaluation and parameter fitting for corrosion damage was made based on damage mechanical theory. Based on the acoustic emission characteristics, a damage model of corroded concrete with initial damage was established and its damage evolution was analyzed. Using environmental scanning electron microscopy ( ESEM) and energy鄄dispersive X鄄ray analysis (EDX), the damage mechanisms were revealed in observations of the microstructures and element compositions of concretes with initial damage induced by sulfate corrosion. The research results show that with increased erosion time, the mass, ultrasonic velocity, and compressive strength of concrete with different degrees of initial damage first increase and then decrease. Increases in the degree of initial damage may accelerate the degradation of physical and mechanical properties, but a threshold effect exists. Compressive strength and ultrasonic velocity can be regarded as damage variables, and corrosion damage evolution equations and the functional relationship between different damage formulas were established. With increased erosion time, the stress鄄strain curve of concrete with initial damage is obviously concave鄄upward and the elastic鄄鄄stage time period can be comparatively shorter whereas the yield鄄鄄stage time
刘娟红等：初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 ·1279· period increases.An increase in the degree of initial damage results in an obvious attenuation of the acoustic emission activity,which lags behind the time of the obvious acoustic emission response.Based on the acoustic emission characteristics,the damage evolution process of concrete with initial damage can be divided into three stages,including the compaction,stable damage evolution and devel- opment,and accelerating damage development stages.With an increase in the degree of initial damage,stronger corrosion reactions and composition changes occur inside the concrete.Compared to undamaged concrete,the expansion and extension of denser and deeper micro-cracks occur in concrete with initial damage under sulfate attack,which accelerates the degradation of the physical and mechanical properties of corroded concrete. KEY WORDS concrete;initial damage;sulfate attack;ultrasonic velocity;acoustic emission;damage evolution;microstructure 矿山井筒、巷道等地下混凝土结构所处服役环境理.邢明亮等[)采用试验方法研究了硫酸盐腐蚀与 复杂，在满足安全性设计的同时，耐久性问题日益突疲劳荷载对混凝土的叠加效应.余振新等[2)研究了 出，地下水中常富含一些可溶性盐（如硫酸盐），地下弯曲荷载、干湿交替和硫酸盐三因素耦合作用对混 混凝土结构在服役过程中经常受到这些盐类的化学侵 凝土损伤劣化过程的影响，结果表明弯曲荷载和干 蚀作用，而地下水位的变动又对混凝土产生干湿交替 湿循环都使得混凝土在硫酸盐溶液中的损伤程度更 的加速破坏作用-].地下混凝土结构服役状态和性 加严重.赵庆新等[以质量变化率和相对动弹模量 能的劣化与环境因素的长期作用密不可分.同时，实 为评价指标，研究了损伤度对混凝土抗硫酸盐腐蚀 际工程中由于施工不当、偶然载荷以及地震等诸多因 性能的影响.目前多数研究集中在完整混凝土受硫 素的作用，混凝土结构往往是有初始损伤的4-)，因此酸盐腐蚀后的物理力学性质以及劣化机理，而针对 对于长期在腐蚀环境中服役的此类含初始损伤混凝土 工程界存在的受硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用 结构，有必要研究其在硫酸盐侵蚀作用下的物理力学 下，含初始损伤混凝土的物理性能和力学特征及其 性能变化和损伤劣化规律，这将有助于评价实际工程 损伤演化机制的问题，还有待进一步研究. 中混凝土结构的真实服役状态和预测其使用寿命，并 本文采用预加荷载形成不同初始损伤的混凝土， 为修复和加固提供依据. 然后通过试验模拟混凝土受疏酸盐腐蚀和干湿循环耦 对于硫酸盐腐蚀混凝土的过程、性能变化、机理 合作用的服役环境，观察不同初始损伤混凝土在不同 和影响因素等方面，国内外学者做了很多相关的研 侵蚀时期的表观形貌，并分析其质量、超声波波速、强 究.左晓宝和孙伟[o、乔宏霞等]、Sun等[s分别结 度等变化及加载过程中声发射特性的变化，全面描述 合硫酸盐腐蚀反应对离子扩散的影响建立了硫酸根 含初始损伤混凝土在腐蚀环境中的性能变化规律，并 离子扩散模型来描述硫酸盐在混凝土中的扩散过 对腐蚀损伤进行定量评价和参数拟合，基于声发射特 程；Feng等o],Idiart等o)分别采用微结构模型和细 性建立含初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型，得出 观模型模拟水泥基材料受硫酸盐腐蚀的劣化；Zhang 其损伤演化曲线和方程.借助环境扫描电镜与电子能 等[]通过试验建立了混凝土在硫酸盐侵蚀下的膨胀 谱技术观测分析了初始损伤下硫酸盐腐蚀对混凝土的 模型：Hossack和Thomas[2]研究了不同环境温度下混 微结构、矿物元素的改造作用，揭示含初始损伤混凝土 凝土胶凝材料受硫酸盐侵蚀的性能：梁咏宁和袁迎 的劣化机理 曙[]通过实验室加速腐蚀的方法研究了受腐蚀混凝 1试验设计与方法 土一系列的力学参数和本构关系；Bonakdar等t通 过粒子激发X射线分析、能谱分析和微观硬度测试 1.1原材料和试件制作 研究了水泥基材料在硫酸盐腐蚀作用下的性能变 试验所用水泥(P.042.5普通硅酸盐水泥)的主 化：Siad等研究了不同矿物掺合料对混凝土硫酸 要物理性能指标见表1，粗骨料、细骨料分别选用粒径 盐腐蚀性能的影响，发现天然火山灰作为矿物惨合 5~20mm连续级配碎石和细度模数2.8的河砂，将二 料有利于提高自密实混凝土的抗疏酸盐腐蚀性能； 级粉煤灰和S95级磨细矿渣作为参合料，拌合水为自 Behfarnia和Farshadfat通过试验研究了不同火山灰来水.试验采用西卡聚羧酸型减水剂和国药集团生产 材料和聚丙烯纤维对混凝土受硫酸盐侵蚀性能的影 的AR级分析纯无水硫酸钠试剂. 响；高润东等[)通过微观和宏观观测综合研究了不 表2为试验所用混凝土配合比.试件成型尺寸为 同配比混凝土在干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀的劣 100mm×100mm×100mm.成型后自然养护24h拆 化规律.王海龙等[]揭示了混凝土受干湿循环和硫 模，移入养护室养护28d后进行试验，养护室温度为 酸盐侵蚀共同作用，在不同侵蚀时期的损伤演变机 (20±2)℃、相对湿度为95%
刘娟红等: 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 period increases. An increase in the degree of initial damage results in an obvious attenuation of the acoustic emission activity, which lags behind the time of the obvious acoustic emission response. Based on the acoustic emission characteristics, the damage evolution process of concrete with initial damage can be divided into three stages, including the compaction, stable damage evolution and devel鄄 opment, and accelerating damage development stages. With an increase in the degree of initial damage, stronger corrosion reactions and composition changes occur inside the concrete. Compared to undamaged concrete, the expansion and extension of denser and deeper micro鄄cracks occur in concrete with initial damage under sulfate attack, which accelerates the degradation of the physical and mechanical properties of corroded concrete. KEY WORDS concrete; initial damage; sulfate attack; ultrasonic velocity; acoustic emission; damage evolution; microstructure 矿山井筒、巷道等地下混凝土结构所处服役环境 复杂,在满足安全性设计的同时,耐久性问题日益突 出,地下水中常富含一些可溶性盐(如硫酸盐),地下 混凝土结构在服役过程中经常受到这些盐类的化学侵 蚀作用,而地下水位的变动又对混凝土产生干湿交替 的加速破坏作用[1鄄鄄3] . 地下混凝土结构服役状态和性 能的劣化与环境因素的长期作用密不可分. 同时,实 际工程中由于施工不当、偶然载荷以及地震等诸多因 素的作用,混凝土结构往往是有初始损伤的[4鄄鄄5] ,因此 对于长期在腐蚀环境中服役的此类含初始损伤混凝土 结构,有必要研究其在硫酸盐侵蚀作用下的物理力学 性能变化和损伤劣化规律,这将有助于评价实际工程 中混凝土结构的真实服役状态和预测其使用寿命,并 为修复和加固提供依据. 对于硫酸盐腐蚀混凝土的过程、性能变化、机理 和影响因素等方面,国内外学者做了很多相关的研 究. 左晓宝和孙伟[6] 、乔宏霞等[7] 、Sun 等[8] 分别结 合硫酸盐腐蚀反应对离子扩散的影响建立了硫酸根 离子扩散模型来描述硫酸盐在混凝土中的扩散过 程;Feng 等[9] 、Idiart 等[10] 分别采用微结构模型和细 观模型模拟水泥基材料受硫酸盐腐蚀的劣化;Zhang 等[11]通过试验建立了混凝土在硫酸盐侵蚀下的膨胀 模型;Hossack 和 Thomas [12]研究了不同环境温度下混 凝土胶凝材料受硫酸盐侵蚀的性能;梁咏宁和袁迎 曙[13]通过实验室加速腐蚀的方法研究了受腐蚀混凝 土一系列的力学参数和本构关系;Bonakdar 等[14] 通 过粒子激发 X 射线分析、能谱分析和微观硬度测试 研究了水泥基材料在硫酸盐腐蚀作用下的性能变 化;Siad 等[15]研究了不同矿物掺合料对混凝土硫酸 盐腐蚀性能的影响,发现天然火山灰作为矿物掺合 料有利于提高自密实混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能; Behfarnia 和 Farshadfa [16]通过试验研究了不同火山灰 材料和聚丙烯纤维对混凝土受硫酸盐侵蚀性能的影 响;高润东等[17]通过微观和宏观观测综合研究了不 同配比混凝土在干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀的劣 化规律. 王海龙等[18]揭示了混凝土受干湿循环和硫 酸盐侵蚀共同作用,在不同侵蚀时期的损伤演变机 理. 邢明亮等[19]采用试验方法研究了硫酸盐腐蚀与 疲劳荷载对混凝土的叠加效应. 余振新等[20] 研究了 弯曲荷载、干湿交替和硫酸盐三因素耦合作用对混 凝土损伤劣化过程的影响,结果表明弯曲荷载和干 湿循环都使得混凝土在硫酸盐溶液中的损伤程度更 加严重. 赵庆新等[4] 以质量变化率和相对动弹模量 为评价指标,研究了损伤度对混凝土抗硫酸盐腐蚀 性能的影响. 目前多数研究集中在完整混凝土受硫 酸盐腐蚀后的物理力学性质以及劣化机理,而针对 工程界存在的受硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用 下,含初始损伤混凝土的物理性能和力学特征及其 损伤演化机制的问题,还有待进一步研究. 本文采用预加荷载形成不同初始损伤的混凝土, 然后通过试验模拟混凝土受硫酸盐腐蚀和干湿循环耦 合作用的服役环境,观察不同初始损伤混凝土在不同 侵蚀时期的表观形貌,并分析其质量、超声波波速、强 度等变化及加载过程中声发射特性的变化,全面描述 含初始损伤混凝土在腐蚀环境中的性能变化规律,并 对腐蚀损伤进行定量评价和参数拟合,基于声发射特 性建立含初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型,得出 其损伤演化曲线和方程. 借助环境扫描电镜与电子能 谱技术观测分析了初始损伤下硫酸盐腐蚀对混凝土的 微结构、矿物元素的改造作用,揭示含初始损伤混凝土 的劣化机理. 1 试验设计与方法 1郾 1 原材料和试件制作 试验所用水泥(P. O 42郾 5 普通硅酸盐水泥)的主 要物理性能指标见表 1,粗骨料、细骨料分别选用粒径 5 ~ 20 mm 连续级配碎石和细度模数 2郾 8 的河砂,将二 级粉煤灰和 S95 级磨细矿渣作为掺合料,拌合水为自 来水. 试验采用西卡聚羧酸型减水剂和国药集团生产 的 AR 级分析纯无水硫酸钠试剂. 表 2 为试验所用混凝土配合比. 试件成型尺寸为 100 mm 伊 100 mm 伊 100 mm. 成型后自然养护 24 h 拆 模,移入养护室养护 28 d 后进行试验,养护室温度为 (20 依 2)益 、相对湿度为 95% . ·1279·
·1280· 工程科学学报，第39卷，第8期 表1水泥的主要物理性能指标 Table 1 Physical performance indicators of cement 凝结时间/min 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 标准稠度用水量 细度/% 初凝 终凝 3d 28d 3d 28d (质量分数)/% 170 390 5.2 8.1 29.8 47.8 6.6 28.5 表2混凝土配合比 Table 2 Proportions of prepared concrete mixture 强度等级 水泥/kg 石/kg 砂/kg 水/kg 磨细矿渣/kg粉煤灰/kg减水剂/kg 水胶比 C30 220 1017 833 170 ⊙ 90 2.59 0.46 1.2试验方法 将形成初始损伤的混凝土试件和未受初始应力的 试验前采用康科瑞NM4A非金属超声检测分析 混凝土试件在质量分数5%的硫酸钠溶液中进行硫酸 仪对混凝土试件进行了超声波传播速度的测试，为降 盐干湿循环腐蚀，干湿循环参照GB/T50082一2009 低同批次混凝土试件离散性的影响，挑选超声波传播 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，浸 速度相近的试件进行试验. 泡16h、烘干冷却8h,共24h为一个周期.在腐蚀60、 加载前，随机取6个试件做单轴压缩破坏试验，分 120、180、240和300d后，将混凝土试件取出测试其质 别测定这6个试件的极限抗压强度，然后对其取平均 量、超声波速度、抗压强度等物理力学性能，同时测试 值.参照赵庆新教授等施加初始损伤的方法)，通过对 加载过程中声发射特征的变化.对不同腐蚀时期的混 试件施加连续、均匀荷载形成不同的初始损伤，并设置 凝土试件进行加载试验时，将声发射传感器固定在混 不受初始应力作用的一组与其做对比，载荷控制在不超 凝土试件的侧面，如图1所示.试件在压力荷载作用 过混凝土试件平均极限抗压强度的60%，加载后用超声 下，内部将会出现损伤破坏，声发射传感器能够及时接 检测仪测试试件的波速变化，根据式(1)计算混凝土试 收试件破裂的声发射信号.借助环境扫描电镜与电子 件的初始损伤度，通过调整荷载大小和加载次数使试件 能谱技术观测分析了初始损伤下硫酸盐腐蚀对混凝土 的初始损伤1，分别为0.10.2，以形成不同损伤. 的微结构、矿物元素的改造作用，揭示初始损伤下混凝 土的损伤演化机理.硫酸盐干湿循环试验设备为 0=1-0 (1) NELD-LSC全自动硫酸盐干湿循环试验机.声发射试 式中：山，为初始损伤度；。、"。分别为混凝土预加载前 验所用仪器为美国物理声学公司生产的6通道PC-2 和预加载后的超声波传播速度. 声发射检测系统 应力 前置放大器 应变片 混凝土试样 应变片 AE参数采集 应变采集仪 探头 前置放大器 应力 图1·混凝土声发射测试示意图 Fig.1 Sketch of acoustic emission testing system for concrete 小裂缝：初始损伤度为0.1的试件腐蚀120d时表面出 2试验结果分析 现少量颗粒剥落，腐蚀240d时从边缘产生细微裂缝， 2.1试验现象及表观形态 腐蚀300d时试件表面出现贯通裂缝，位置较浅且细 图2为不同初始损伤下混凝土试件在硫酸钠溶液 小：初始损伤度为0.2的试件在腐蚀120d时即出现微 干湿交替腐蚀环境中的照片.可以看出，腐蚀过程中 裂缝，随着腐蚀的进行，裂缝不断扩展，边角开始剥落， 伴有白色结晶产物，无初始损伤试件在腐蚀240d时表 腐蚀300d时贯通裂缝明显加宽加深，破损程度非常 面状况仍然较完整，腐蚀300d时靠近试件边缘出现细 严重
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 表 1 水泥的主要物理性能指标 Table 1 Physical performance indicators of cement 凝结时间/ min 抗折强度/ MPa 抗压强度/ MPa 初凝 终凝 3 d 28 d 3 d 28 d 细度/ % 标准稠度用水量 (质量分数) / % 170 390 5郾 2 8郾 1 29郾 8 47郾 8 6郾 6 28郾 5 表 2 混凝土配合比 Table 2 Proportions of prepared concrete mixture 强度等级 水泥/ kg 石/ kg 砂/ kg 水/ kg 磨细矿渣/ kg 粉煤灰/ kg 减水剂/ kg 水胶比 C30 220 1017 833 170 60 90 2郾 59 0郾 46 1郾 2 试验方法 试验前采用康科瑞 NM鄄4A 非金属超声检测分析 仪对混凝土试件进行了超声波传播速度的测试,为降 低同批次混凝土试件离散性的影响,挑选超声波传播 速度相近的试件进行试验. 加载前,随机取 6 个试件做单轴压缩破坏试验,分 别测定这 6 个试件的极限抗压强度,然后对其取平均 值. 参照赵庆新教授等施加初始损伤的方法[4] ,通过对 试件施加连续、均匀荷载形成不同的初始损伤,并设置 不受初始应力作用的一组与其做对比,载荷控制在不超 过混凝土试件平均极限抗压强度的 60% ,加载后用超声 检测仪测试试件的波速变化,根据式(1)计算混凝土试 件的初始损伤度,通过调整荷载大小和加载次数使试件 的初始损伤 I0分别为 0郾 1、0郾 2,以形成不同损伤. I0 = 1 - vt0 vp0 . (1) 式中:I0为初始损伤度;vp0 、vt0分别为混凝土预加载前 和预加载后的超声波传播速度. 将形成初始损伤的混凝土试件和未受初始应力的 混凝土试件在质量分数 5% 的硫酸钠溶液中进行硫酸 盐干湿循环腐蚀,干湿循环参照 GB/ T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》,浸 泡 16 h、烘干冷却 8 h,共 24 h 为一个周期. 在腐蚀 60、 120、180、240 和 300 d 后,将混凝土试件取出测试其质 量、超声波速度、抗压强度等物理力学性能,同时测试 加载过程中声发射特征的变化. 对不同腐蚀时期的混 凝土试件进行加载试验时,将声发射传感器固定在混 凝土试件的侧面,如图 1 所示. 试件在压力荷载作用 下,内部将会出现损伤破坏,声发射传感器能够及时接 收试件破裂的声发射信号. 借助环境扫描电镜与电子 能谱技术观测分析了初始损伤下硫酸盐腐蚀对混凝土 的微结构、矿物元素的改造作用,揭示初始损伤下混凝 土的损伤演化机理. 硫酸盐干湿循环试验设备为 NELD鄄LSC 全自动硫酸盐干湿循环试验机. 声发射试 验所用仪器为美国物理声学公司生产的 6 通道 PCI鄄2 声发射检测系统. 图 1 混凝土声发射测试示意图 Fig. 1 Sketch of acoustic emission testing system for concrete 2 试验结果分析 2郾 1 试验现象及表观形态 图 2 为不同初始损伤下混凝土试件在硫酸钠溶液 干湿交替腐蚀环境中的照片. 可以看出,腐蚀过程中 伴有白色结晶产物,无初始损伤试件在腐蚀240 d 时表 面状况仍然较完整,腐蚀300 d 时靠近试件边缘出现细 小裂缝;初始损伤度为 0郾 1 的试件腐蚀 120 d 时表面出 现少量颗粒剥落,腐蚀 240 d 时从边缘产生细微裂缝, 腐蚀 300 d 时试件表面出现贯通裂缝,位置较浅且细 小;初始损伤度为 0郾 2 的试件在腐蚀 120 d 时即出现微 裂缝,随着腐蚀的进行,裂缝不断扩展,边角开始剥落, 腐蚀 300 d 时贯通裂缝明显加宽加深,破损程度非常 严重. ·1280·
刘娟红等：初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 ·1281· 240d 300d (b) 240d 200, (c) 图2不同初始损伤混凝土随腐蚀时间的典型试验现象.(a)无初始损伤：(b)初始损伤度为0.1：(c)初始损伤度为0.2 Fig.2 Typical experimental phenomena of concrete with different degrees of initial damage and corrosion times:(a)without initial damage;(b)0.I degree of initial damage;(c)0.2 degree of initial damage 2.2含初始损伤混凝土受腐蚀作用的性能变化 显降低：而初始损伤度为0、0.1的试样在腐蚀60d时， 为了解受硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用不同初 其质量仍处于增加阶段，腐蚀120d后才呈缓慢减小， 始损伤混凝土的性能变化，在腐蚀过程中定期测试各 且下降速率明显小于初始损伤度为0.2试件.不同初 组试件的质量和超声波传播速度并进行比较分析.由 始损伤下试样的超声波速均在腐蚀60d后即开始减 于试件的初始质量并不一样，为便于比较，定义质量变 小，试件内部密实程度的变化能够通过超声波传播速 化因子S,其量纲为一，表达式为： 度的改变来反映，当试件受腐蚀作用内部密实性变差， S=m-mo 波速也会相应减小)] (2) mo 2.0 式中：S为质量变化因子；m、m,分别为混凝土腐蚀前 0●一0.1▲一0.2 1.5 和腐蚀到时间t时的质量. 图3、图4分别为不同初始损伤下混凝土试件质 1.0 量变化因子，超声波速随腐蚀时间的变化曲线.可以 看出，随着腐蚀时间的增加，不同初始损伤下混凝土质 量和超声波速均经历一个先增后减的过程，在腐蚀初 期腐蚀产物和盐结晶填充了试件内部的初始微孔洞， 使得试件质量较腐蚀前增加，内部结构也更密实：而腐 0.50 60 120180 240300 蚀后期生成物的不断累积膨胀使试件内部又出现新的 腐蚀时间！ 微缺陷（孔隙、裂隙）并扩展延伸，且伴有表皮的部分 图3不同初始损伤下混凝土质量变化因子随腐蚀时间的变化 脱落，因此试件质量和传播波速开始逐渐减小2)].初 Fig.3 Changes in mass variation factor of concrete with different de- 始损伤度为0.2时，试件的质量在腐蚀60d后开始明 grees of initial damage and corosion times
刘娟红等: 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 图 2 不同初始损伤混凝土随腐蚀时间的典型试验现象. (a) 无初始损伤; (b) 初始损伤度为 0郾 1; (c) 初始损伤度为 0郾 2 Fig. 2 Typical experimental phenomena of concrete with different degrees of initial damage and corrosion times: (a) without initial damage; (b) 0郾 1 degree of initial damage; (c) 0郾 2 degree of initial damage 2郾 2 含初始损伤混凝土受腐蚀作用的性能变化 为了解受硫酸盐腐蚀和干湿循环耦合作用不同初 始损伤混凝土的性能变化,在腐蚀过程中定期测试各 组试件的质量和超声波传播速度并进行比较分析. 由 于试件的初始质量并不一样,为便于比较,定义质量变 化因子 S,其量纲为一,表达式为: S = mt - m0 m0 . (2) 式中: S 为质量变化因子;m0 、mt分别为混凝土腐蚀前 和腐蚀到时间 t 时的质量. 图 3、图 4 分别为不同初始损伤下混凝土试件质 量变化因子、超声波速随腐蚀时间的变化曲线. 可以 看出,随着腐蚀时间的增加,不同初始损伤下混凝土质 量和超声波速均经历一个先增后减的过程,在腐蚀初 期腐蚀产物和盐结晶填充了试件内部的初始微孔洞, 使得试件质量较腐蚀前增加,内部结构也更密实;而腐 蚀后期生成物的不断累积膨胀使试件内部又出现新的 微缺陷(孔隙、裂隙)并扩展延伸,且伴有表皮的部分 脱落,因此试件质量和传播波速开始逐渐减小[21] . 初 始损伤度为 0郾 2 时,试件的质量在腐蚀 60 d 后开始明 显降低;而初始损伤度为 0、0郾 1 的试样在腐蚀 60 d 时, 其质量仍处于增加阶段,腐蚀 120 d 后才呈缓慢减小, 且下降速率明显小于初始损伤度为 0郾 2 试件. 不同初 始损伤下试样的超声波速均在腐蚀 60 d 后即开始减 小,试件内部密实程度的变化能够通过超声波传播速 度的改变来反映,当试件受腐蚀作用内部密实性变差, 波速也会相应减小[21] . 图 3 不同初始损伤下混凝土质量变化因子随腐蚀时间的变化 Fig. 3 Changes in mass variation factor of concrete with different de鄄 grees of initial damage and corrosion times ·1281·
·1282· 工程科学学报，第39卷，第8期 6.0 60 5.5 量一0●一0.1▲一0.2 ■0◆一0.1▲一0.2 5.0 50 4.5 4 4.0 6 3.5 30 3.0 250 0 120180240300 200 60120180240300 腐蚀时间d 腐蚀时间d 图4不同初始损伤下混凝土超声波速随腐蚀时间的变化 图5不同初始损伤下混凝土抗压强度随腐蚀时间的变化 Fig.4 Changes in ultrasonic velocity of concrete with different de- Fig.5 Changes in compressive strength of concrete with different de grees of initial damage and corrosion times grees of initial damage and corosion times 腐蚀60d时，初始损伤度为0、0.1、0.2的混凝土 量，则得到基于各损伤变量的损伤表达式分别为[]： 试样其超声波速较腐蚀前分别增加5.9%、16.6%和 v. 19.6%:腐蚀300d时，其超声波速较其波速峰值分别 D=1- (3) 下降21.1%、24.4%和34.9%.初始损伤度为0、0.1、 0.2的混凝土试样其质量最大增幅分别为1.12%、 D=1-C (4) 00 1.21%和1.36%：腐蚀300d时，初始损伤度为0、0.1 式中：D,、D分别为超声波速和抗压强度对应的腐蚀损 的试样质量较腐蚀前分别增加0.53%、0.34%，而初 伤因子；，、σ.分别为试件腐蚀到时间，对应的波速和 始损伤度为0.2的试样质量较腐蚀前减小0.33%.可 强度值，σ，为试件腐蚀前的强度值 以看出，初始损伤使混凝土试样内部产生了微孔隙、微 为了更清晰的探究混凝土的性能劣化规律，本文 裂隙等初始缺陷，因此硫酸盐溶液更易进入，也存在更 暂不考虑在腐蚀初期腐蚀产物的填充效应引起的强度 大的填充空间，当腐蚀产物快速填充大量孔隙，质量和 增长，重点研究侵蚀180d后混凝土随腐蚀时间的损伤 超声波速迅速增加：而随着腐蚀的进行，由于早期初始 和劣化过程.由式(3)、(4)计算出不同初始损伤试件 损伤对试样内部结构完整性的破坏效应，腐蚀后期其 在不同腐蚀时期超声波速和抗压强度对应的腐蚀损伤 质量和超声波速急剧减小，这一现象在初始损伤度为 因子，如图6所示 0.2时尤其显著.初始损伤度为0.1时影响较小，其质 由图6可见，经数据拟合，不同初始损伤下试件强 量和超声波速变化规律同无初始损伤试样基本一致. 度的劣化均表现出较明显的函数关系，其总的拟合函 赵庆新教授等[在试验中观察到类似的现象，为这一 数形式见下式： 结论提供了有力的佐证. D.=a1×e+c- (5) 图5所示为含初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干 式中：D,为抗压强度对应的腐蚀损伤因子：为腐蚀时 湿循环耦合作用下抗压强度σ，的变化规律.可以看 间；a、b,和c,为与初始损伤相关的参数，具体见表3. 出，不同初始损伤混凝土的抗压强度随腐蚀时间增加 由表3可知，初始损伤下混凝土强度的腐蚀劣化 均表现为先增大后减小，腐蚀60d时，无初始损伤试 拟合公式其平方差均在0.97以上，能够较好的拟合混 件抗压强度较腐蚀前增加17.69%，达到47.9MPa:初 凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环复杂环境下强度随时间 始损伤度0.2试件抗压强度较腐蚀前微增6.63%.腐 的损伤演化规律 蚀120d后混凝土强度逐渐下降，无初损试件的剩余强 不同初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环耦 度在腐蚀300d时为33.7MPa,为腐蚀前的0.83倍：而 合作用下抗压强度的损伤因子D,与无损检测的超声 初损0.2试件其剩余强度仅为腐蚀前抗压强度的 波速损伤因子D,存在较好的二次函数关系，如图7所 0.59倍.初损0.1试件随腐蚀时间的强度变化规律与 示，其总的拟合函数形式见下式，从而可以用无损检测 无初损试件基本一致，剩余强度为腐蚀前的0.78倍， 的波速指标表征预测混凝土结构的强度性能 降幅较小 D.=a2×D+b2×D.+c2 (6) 混凝土的劣化程度能够通过宏观物理力学性能的 式中，a2、b2和c2为与初始损伤相关的参数，具体见 变化得到反映.为了对含初始损伤混凝土在腐蚀环境 表4. 中性能的变化规律进行定量描述，根据损伤力学基本 由表4可知初始损伤下试样腐蚀后的强度损伤因 理论，分别将抗压强度σ，、超声波速，定义为损伤变 子与波速损伤因子间拟合公式平方差都在0.96以上
工程科学学报,第 39 卷,第 8 期 图 4 不同初始损伤下混凝土超声波速随腐蚀时间的变化 Fig. 4 Changes in ultrasonic velocity of concrete with different de鄄 grees of initial damage and corrosion times 腐蚀 60 d 时,初始损伤度为 0、0郾 1、0郾 2 的混凝土 试样其超声波速较腐蚀前分别增加 5郾 9% 、16郾 6% 和 19郾 6% ;腐蚀 300 d 时,其超声波速较其波速峰值分别 下降 21郾 1% 、24郾 4% 和 34郾 9% . 初始损伤度为 0、0郾 1、 0郾 2 的混凝土试样其质量最大增幅分别为 1郾 12% 、 1郾 21% 和 1郾 36% ;腐蚀 300 d 时,初始损伤度为 0、0郾 1 的试样质量较腐蚀前分别增加 0郾 53% 、0郾 34% ,而初 始损伤度为 0郾 2 的试样质量较腐蚀前减小 0郾 33% . 可 以看出,初始损伤使混凝土试样内部产生了微孔隙、微 裂隙等初始缺陷,因此硫酸盐溶液更易进入,也存在更 大的填充空间,当腐蚀产物快速填充大量孔隙,质量和 超声波速迅速增加;而随着腐蚀的进行,由于早期初始 损伤对试样内部结构完整性的破坏效应,腐蚀后期其 质量和超声波速急剧减小,这一现象在初始损伤度为 0郾 2 时尤其显著. 初始损伤度为 0郾 1 时影响较小,其质 量和超声波速变化规律同无初始损伤试样基本一致. 赵庆新教授等[4]在试验中观察到类似的现象,为这一 结论提供了有力的佐证. 图 5 所示为含初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干 湿循环耦合作用下抗压强度 滓st的变化规律. 可以看 出,不同初始损伤混凝土的抗压强度随腐蚀时间增加 均表现为先增大后减小,腐蚀 60 d 时,无初始损伤试 件抗压强度较腐蚀前增加 17郾 69% ,达到 47郾 9 MPa;初 始损伤度 0郾 2 试件抗压强度较腐蚀前微增 6郾 63% . 腐 蚀120 d 后混凝土强度逐渐下降,无初损试件的剩余强 度在腐蚀 300 d 时为 33郾 7 MPa,为腐蚀前的 0郾 83 倍;而 初损 0郾 2 试件其剩余强度仅为腐蚀前抗压强度的 0郾 59 倍. 初损 0郾 1 试件随腐蚀时间的强度变化规律与 无初损试件基本一致,剩余强度为腐蚀前的 0郾 78 倍, 降幅较小. 混凝土的劣化程度能够通过宏观物理力学性能的 变化得到反映. 为了对含初始损伤混凝土在腐蚀环境 中性能的变化规律进行定量描述,根据损伤力学基本 理论,分别将抗压强度 滓st、超声波速 vt定义为损伤变 图 5 不同初始损伤下混凝土抗压强度随腐蚀时间的变化 Fig. 5 Changes in compressive strength of concrete with different de鄄 grees of initial damage and corrosion times 量,则得到基于各损伤变量的损伤表达式分别为[21] : Dv = 1 - vt vp0 , (3) Ds = 1 - 滓st 滓s0 . (4) 式中:Dv、Ds分别为超声波速和抗压强度对应的腐蚀损 伤因子;vt、滓st分别为试件腐蚀到时间 t 对应的波速和 强度值,滓s0为试件腐蚀前的强度值. 为了更清晰的探究混凝土的性能劣化规律,本文 暂不考虑在腐蚀初期腐蚀产物的填充效应引起的强度 增长,重点研究侵蚀180 d 后混凝土随腐蚀时间的损伤 和劣化过程. 由式(3)、(4)计算出不同初始损伤试件 在不同腐蚀时期超声波速和抗压强度对应的腐蚀损伤 因子,如图 6 所示. 由图 6 可见,经数据拟合,不同初始损伤下试件强 度的劣化均表现出较明显的函数关系,其总的拟合函 数形式见下式: Ds = a1 伊 e b1 t + c1 . (5) 式中:Ds为抗压强度对应的腐蚀损伤因子;t 为腐蚀时 间;a1 、b1和 c1为与初始损伤相关的参数,具体见表 3. 由表 3 可知,初始损伤下混凝土强度的腐蚀劣化 拟合公式其平方差均在 0郾 97 以上,能够较好的拟合混 凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环复杂环境下强度随时间 的损伤演化规律. 不同初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环耦 合作用下抗压强度的损伤因子 Ds与无损检测的超声 波速损伤因子 Dv存在较好的二次函数关系,如图 7 所 示,其总的拟合函数形式见下式,从而可以用无损检测 的波速指标表征预测混凝土结构的强度性能. Ds = a2 伊 D 2 v + b2 伊 Dv + c2 . (6) 式中,a2 、b2 和 c2 为与初始损伤相关的参数,具体见 表 4. 由表 4 可知初始损伤下试样腐蚀后的强度损伤因 子与波速损伤因子间拟合公式平方差都在 0郾 96 以上, ·1282·