·1076· 工程科学学报，第38卷，第8期 随着地下空间开发深度和范围不断扩大，矿山井 本文通过试验模拟干湿循环作用下混凝土受 筒、巷道等地下混凝土结构的耐久性问题日益突出，受 10%质量分数硫酸钠溶液侵蚀，测试和分析不同侵蚀 地质条件制约，混凝土长期受到地下水中富含的可溶 龄期混凝土加载过程中波速和声发射的变化特征，运 性盐，如硫酸盐的化学侵蚀，而地下水位变动又使混凝 用损伤力学，以声发射累积振铃计数为损伤变量将腐 土受到干湿交替的加速破坏.此外，混凝土结构在服 蚀损伤和受荷损伤用数学模型统一起来，表征混凝土 役期间也在承受荷载作用.因此，矿井井简等地下 在环境腐蚀和荷载作用下损伤的演化规律：采用环境 混凝土结构时常受到化学过程和力学过程的双重破坏 扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射 作用，服役状态和性能出现劣化现象，而混凝土结 技术分析受蚀混凝土的微结构演化和腐蚀产物，揭示 构由损伤劣化至失稳失效是逐渐发展的过程，具有时 地下环境不同侵蚀时期混凝土的损伤演化机理. 间效应，这就增加了工程灾害的隐蔽性和破坏性，因此 1 试验方案 研究混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环特殊环境下的损 伤演化规律和机理对判定混凝土结构损伤状态和工程 1.1原材料和试件制作 灾害预警具有现实意义60 试验采用P.042.5金隅牌普通硅酸盐水泥，掺合 材料的波速特征是其物理性质的综合反映，国内 料选用Ⅱ级粉煤灰和S95级磨细矿渣，水泥主要性能 外许多学者在材料受力破坏过程中的波速和声发射特 指标见表1，其中水泥细度采用80um方孔标准筛进行 征方面进行了大量研究切，研究表明，在材料的损 筛析试验.细骨料为天然河砂，细度模数2.8；粗骨料 伤和破坏过程中，超声波波速将发生改变，同时释放出 连续级配，粒径范围5~20mm;减水剂为西卡聚羧酸 大量的弹性波，即伴有声发射现象：通过对材料波速和 型减水剂：拌合水为自来水.无水硫酸钠采用国药集 声发射信号的分析，可推断其内部的性态变化，分析其 团生产的AR级分析纯试剂. 破坏机制.但多数研究集中在混凝土、岩石等材料在 试验用混凝土配合比见表2.根据试验需要，试件 力学破坏过程中的声发射特性，针对矿井特殊环境下 尺寸为100mm×100mm×100mm.试件成型后自然养 受硫酸盐腐蚀的混凝土材料的波速和声发射特性有待 护24h后拆模，移入温度(20±2)℃、相对湿度95%的 进一步研究. 养护室内养护28d,然后进行试验 表1水泥的主要性能 Table 1 Performance indicators of cement 凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 标准稠度用水量 细度/% 初凝 终凝 3d 28d 3d 28d (质量分数)1% 170 390 29.8 47.8 5.2 8.1 6.6 28.5 表2混凝土配合比 Table 2 Proportions of the prepared concrete mixture 强度等级 水泥kg 粉煤灰kg磨细矿渣kg石kg 砂kg 水kg 减水剂kg水胶质量比 G30 220 90 1017 833 170 2.59 0.46 1.2试验方法 试件长度的比值即为声波传播速度：在混凝土试件侧 试验时，为加速试验进程，腐蚀溶液配制质量分数 面固定声发射传感器接收试件破裂的声发射信号，试 10%的硫酸钠溶液，其他步骤按照GB/T50082一2009 件在承受外力作用时，内部将会发生损伤破坏，利用声 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进 发射探头可以对这一过程进行监测因.采用扫描电 行硫酸盐干湿循环腐蚀，干湿循环周期为24h,其中浸 镜和能谱仪观测混凝土腐蚀损伤后的微观结构，根据 泡16h,烘干温度80℃，烘干6h,冷却2h.在混凝土试 X射线衍射测试结果分析混凝土腐蚀产物的物质组 件侵蚀20d、40d、60d,80d后取出采用液压式屏显万 成.硫酸盐干湿循环试验设备为NELDSC全自动硫 能试验机（型号WEP-600)进行单轴压缩试验，同时测 酸盐干湿循环试验机，超声检测设备为康科瑞NM4A 试加载过程中声波传播速度和声发射特征的变化.试 非金属超声检测分析仪，声发射试验采用美国物理声 验过程中，在混凝土试件侧面布置声波传感器，测量加 学公司生产的6通道PCI2声发射检测系统进行声发 载过程中试件的声波波速变化规律，采用发射和接收 射监测，通道传感器谐振频率为60kHz,前置放大器增 两个传感器测量超声波在试件中传播的时间差，其与 益为40db,噪音门槛值为45dh.工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 随着地下空间开发深度和范围不断扩大，矿山井 筒、巷道等地下混凝土结构的耐久性问题日益突出，受 地质条件制约，混凝土长期受到地下水中富含的可溶 性盐，如硫酸盐的化学侵蚀，而地下水位变动又使混凝 土受到干湿交替的加速破坏． 此外，混凝土结构在服 役期间也在承受荷载作用［1--4］． 因此，矿井井筒等地下 混凝土结构时常受到化学过程和力学过程的双重破坏 作用［4--5］，服役状态和性能出现劣化现象，而混凝土结 构由损伤劣化至失稳失效是逐渐发展的过程，具有时 间效应，这就增加了工程灾害的隐蔽性和破坏性，因此 研究混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环特殊环境下的损 伤演化规律和机理对判定混凝土结构损伤状态和工程 灾害预警具有现实意义［6--10］． 材料的波速特征是其物理性质的综合反映，国内 外许多学者在材料受力破坏过程中的波速和声发射特 征方面进行了大量研究［11--17］，研究表明，在材料的损 伤和破坏过程中，超声波波速将发生改变，同时释放出 大量的弹性波，即伴有声发射现象; 通过对材料波速和 声发射信号的分析，可推断其内部的性态变化，分析其 破坏机制． 但多数研究集中在混凝土、岩石等材料在 力学破坏过程中的声发射特性，针对矿井特殊环境下 受硫酸盐腐蚀的混凝土材料的波速和声发射特性有待 进一步研究． 本文通过试验模拟干湿循 环 作 用 下 混 凝 土 受 10% 质量分数硫酸钠溶液侵蚀，测试和分析不同侵蚀 龄期混凝土加载过程中波速和声发射的变化特征，运 用损伤力学，以声发射累积振铃计数为损伤变量将腐 蚀损伤和受荷损伤用数学模型统一起来，表征混凝土 在环境腐蚀和荷载作用下损伤的演化规律; 采用环境 扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合 X 射线衍射 技术分析受蚀混凝土的微结构演化和腐蚀产物，揭示 地下环境不同侵蚀时期混凝土的损伤演化机理． 1 试验方案 1. 1 原材料和试件制作 试验采用 P． O 42. 5 金隅牌普通硅酸盐水泥，掺合 料选用Ⅱ级粉煤灰和 S95 级磨细矿渣，水泥主要性能 指标见表 1，其中水泥细度采用 80 um 方孔标准筛进行 筛析试验． 细骨料为天然河砂，细度模数 2. 8; 粗骨料 连续级配，粒径范围 5 ～ 20 mm; 减水剂为西卡聚羧酸 型减水剂; 拌合水为自来水． 无水硫酸钠采用国药集 团生产的 AＲ 级分析纯试剂． 试验用混凝土配合比见表 2． 根据试验需要，试件 尺寸为 100 mm × 100 mm × 100 mm． 试件成型后自然养 护 24 h 后拆模，移入温度( 20 ± 2) ℃、相对湿度 95% 的 养护室内养护 28 d，然后进行试验． 表 1 水泥的主要性能 Table 1 Performance indicators of cement 凝结时间/min 抗压强度/MPa 抗折强度/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 29. 8 47. 8 5. 2 8. 1 6. 6 28. 5 表 2 混凝土配合比 Table 2 Proportions of the prepared concrete mixture 强度等级 水泥/ kg 粉煤灰/ kg 磨细矿渣/ kg 石/ kg 砂/ kg 水/ kg 减水剂/ kg 水胶质量比 C30 220 90 60 1017 833 170 2. 59 0. 46 1. 2 试验方法 试验时，为加速试验进程，腐蚀溶液配制质量分数 10% 的硫酸钠溶液，其他步骤按照 GB / T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进 行硫酸盐干湿循环腐蚀，干湿循环周期为 24 h，其中浸 泡 16 h，烘干温度 80 ℃，烘干 6 h，冷却 2 h． 在混凝土试 件侵蚀 20 d、40 d、60 d、80 d 后取出采用液压式屏显万 能试验机( 型号 WEP--600) 进行单轴压缩试验，同时测 试加载过程中声波传播速度和声发射特征的变化． 试 验过程中，在混凝土试件侧面布置声波传感器，测量加 载过程中试件的声波波速变化规律，采用发射和接收 两个传感器测量超声波在试件中传播的时间差，其与 试件长度的比值即为声波传播速度; 在混凝土试件侧 面固定声发射传感器接收试件破裂的声发射信号，试 件在承受外力作用时，内部将会发生损伤破坏，利用声 发射探头可以对这一过程进行监测［13］． 采用扫描电 镜和能谱仪观测混凝土腐蚀损伤后的微观结构，根据 X 射线衍射测试结果分析混凝土腐蚀产物的物质组 成． 硫酸盐干湿循环试验设备为 NELD-LSC 全自动硫 酸盐干湿循环试验机，超声检测设备为康科瑞 NM-4A 非金属超声检测分析仪，声发射试验采用美国物理声 学公司生产的 6 通道 PCI-2 声发射检测系统进行声发 射监测，通道传感器谐振频率为 60 kHz，前置放大器增 益为 40 db，噪音门槛值为 45 db． · 6701 ·