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·