袁晓奇

(辽宁宇鑫建设有限公司，沈阳 110000)

中国北方寒区土壤和水中的硫酸盐含量丰富，较单一因素作用受冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合作用的混凝土破坏更加严重，对混凝土耐久性造成极大影响[1-2]。因此，研究冻融与硫酸盐侵蚀下的损伤机理具有重要的工程实际意义。近年来，国内诸多研究者利用各种方法探讨了混凝土耐久性受冻融-硫酸盐耦合作用下的影响机理，如张云清等[3]探究了硫酸镁侵蚀下混凝土的抗冻性，并提出混凝土性能不同则受硫酸盐溶液的影响不同；余红发等[4]研究了盐湖卤水中不同性能混凝土的破坏机理及冻蚀性能，并指出卤水降低冰点引起的正效应与盐结晶压引起的负效应决定了混凝土冻蚀破坏程度；葛勇等[5]研究了不同浓度硫酸钠溶液中非引气与引气混凝土的抗冻性，在水和硫酸盐溶液中不同强度的混凝土抗冻性存在明显差异，为改善混凝土抗冻性可以掺入适量的引气剂；慕儒[6]等研究了硫酸钠侵蚀作用下混凝土的抗冻性，提出硫酸钠溶液对不同水灰比的混凝土影响不同。大多数学者研究盐冻条件下混凝土损伤时，一般选用混凝土强度、相对动弹性模量、质量以及外观等评价指标[7]。随着科技的快速发展，超声检测逐渐得到广泛的应用，如张峰、张凤杰等[8-9]对氯化钠和硫酸盐溶液中混凝土的损伤层厚度利用超声法进行检测，为合理设计保护层厚度提供借鉴；Akhras、Naffa等[10-11]研究了混凝土受冻融损伤和化学腐蚀检测中信号能量法、高频超声波法的应用。目前，针对混凝土在冻融-硫酸盐中的损伤机理研究还鲜有报道。因此，文章探讨了冻融-硫酸盐耦合作用下混凝土损伤层厚度及其肾损伤规律，旨在为水工结构方案设计以及提高混凝土耐久性提供理论依据。

1 试验方案

1.1 原材料及配合比设计

原材料有：①水泥：鞍山钢都水泥厂P·O 42.5级水泥；②粉煤灰：大连国泰Ⅱ级粉煤灰；③骨料：粒径5-15mm石灰岩质锤破碎石，细度模数2.70的大凌河广达中砂；④减水剂：大连科诺QW-4聚羧酸高效减水剂；⑤引气剂：中铝聚能MA高效引气剂；⑥拌合水：自来水。试验配合比，见表1。

表1 试验配合比

1.2 试件制作及试验方法

试验过程中重点考虑同一配合比混凝土冻融损伤受不同溶液种类及浓度的影响，H2O及质量分数5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的编号为W、M、S5、S1，试样尺寸400mm×100mm×100mm，共4组，每组3块。浇筑完成后室温静置24h拆模、编号，及时放入标养室养护28d，然后取出自然条件下再养护60d。为保证试样吸水饱和，在达到预定养护龄期时提前5d取出，并放入配有水和质量分数5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液的试件盒内，将试件盒装入快速冻融试验箱并开展标准推荐的“快冻法”冻融试验；设定100、150、200、250、300、350作为冻融循环次数，混凝土损伤层厚度利用非金属NM-4B型超声检测仪测定[12]。

1.3 表面损伤层厚度检测

接受换能器按一定测距沿混凝土表面连续扫查，测点A处固定发射换能器T，检测过程中及时读取声时值，超声检测原理图，见图1。

图1 超声检测原理图

换能器R、T的间距等于测距l0时，超声波从未损伤层穿过损伤层经两次传播达到接受换能器的时间正好等于沿损伤层直接传播达到接受换能器，该条件下符合以下公式：

(1)

将上式进一步转换处理，可以利用下式计算混凝土的损伤层厚度hf(mm)，即：

(2)

式中：Vf、Va为混凝土损伤层和未损伤层中超声波的传播速度，km/s；l0为声速突变时换能器间的距离，mm。根据超声平测法检测结果可以绘制时-距关系图，声速改变转折点l0的前、后代表混凝土损伤及未损伤时l与t的相关直线，即混凝土损伤、未损伤的l与t关系可以利用回归方法进行求解，具体表达式为：

lf=Af+Vftf、la=Aa+Vata

(3)

式中：lf、la为转折点前后各测点的测距，mm；tf、ta为其对应的声时，μs；Af、Aa为回归系数，即损伤；Vf、Va为未损伤回归直线的截距与斜率。最终，可以利用下式计算声时突变时的l0值，即：

(4)

联合公式(3)和公式(2)可以计算损伤层厚度hf。将测点布置于侧面平整的400mm×100mm棱柱体上，由于混凝土损伤厚度较小，为了保证测量精度选择初始测量间距25mm，然后依次增大测距为50、75、100、150、200、250，耦合剂选用凡士林。

2 结果与分析

2.1 超声平测时-距关系

对混凝土试件利用超声平测法检测并生成各测点时-距关系，受文章篇幅限制仅列出M组各测点的时-距曲线，硫酸镁溶液中的时-距关系曲线，见图2。混凝土内部超声波的传播速率即为直线的斜率，其速率的变化就是斜率的变化，冻融循环初期时-距曲线是过原点的直线，随着冻融循环的增大逐渐成为交点明显的两条直线。

(a)冻融循环100次

(b)冻融循环150次

(c)冻融循环200次

(d)冻融循环250次

(e)冻融循环300次

(f)冻融循环350次

从图2可以看出，混凝土损伤层中超声波速(即交点的前半段直线斜率)较小，直线斜率随冻融循环次数的不断增大逐渐下降；混凝土损伤层中超声波速(即交点的后半段直线斜率)较大，两直线交点随冻融循环次数的逐渐增大不断上移，交点的后半段直线也右移。

采用公式(2)-(3)计算各参数平均值，从而反映混凝土冻融损伤受不同溶液种类及浓度的影响，损伤层厚度hf测试结果，见表2。

表2 损伤层厚度hf测试结果

2.2 超声波速变化规律

随冻融循环次数变化混凝土损伤层、未损伤层中超声波波速在不同溶液中的变化特征，超声波速变化曲线，见图3。从图3(a)可以看出，未损伤层中的超声波速Va随着冻融循环次数的增大有所上升，这表明混凝土未损伤层的密实度相对较高。①掺入适量的粉煤灰参与二次水化，提高了内部密实度；②未损伤混凝土内部渗入的盐溶液发生化学反应、物理结晶，内部孔隙被生成的产物填充，这使得混凝土的密实程度以及未损伤层中的超声波速增大。盐溶液对提高混凝土的密实程度随着溶液浓度和渗透作用的增加逐渐增大，从而提高了超声波在未损伤层中的传播速率[13-16]。

从图3(b)可以看出，损伤层中的超声波速Va随着冻融循环次数的增大有所下降，并且低于未损伤层中的Va，这表明混凝土损伤层的密实度相对较低，混凝土劣化加重，即声速下降，传播的时间变长。冻融次数相同的情况下，从大到小损伤层中超声波的传播速率为S5>W>S1>M，即冻融条件下混凝土损伤层受不同溶液的劣化程度具有一定差异。

(a)未损伤层中超声波速Va

(b)损伤层中超声波速Vf

2.3 超声平测损伤层厚度变化

随冻融循环次数变化不同溶液中的损伤层厚度，损伤层厚度hf变化曲线，见图4。从图4可以看出，混凝土损伤层厚度hf总体呈线性上升趋势，冻融次数相同情况下从小到大损伤层厚度排列为S5

受冻融-硫酸盐耦合作用的混凝土损伤程度可以利用损伤层厚度来衡量，损伤层密实度和超声波速随冻融次数的增大逐渐下降，混凝土的损伤层厚度及其损伤程度不断增加。冻融次数相同的条件下，不同溶液引起的损伤程度存在明显差异，这是由于硫酸盐既有促进又有抑制冻融破坏的功能。一方面，硫酸盐溶液的存在能够提高并的可压缩性，使得孔隙水冰点下降，抑制了冻融破坏；另一方面，硫酸盐溶液提高了内部饱水程度，即增大了混凝土的冰水含量和冻胀力，此外混凝土内部渗入的硫酸盐会发生化学反应、物理结晶生成无胶凝性或膨胀性产物，在一定程度上促进了冻融破坏。因此，上述两方面作用的叠加最终决定了混凝土冻融破坏程度，即硫酸盐溶液促进冻融破坏的作用>抑制作用时则表现为促进破坏，反之则为抑制破坏。

图4 损伤层厚度hf变化曲线

混凝土冻融破坏受不同种类及浓度的盐溶液影响不同，硫酸钠的促进作用随硫酸钠浓度的升高转变成抑制作用，硫酸镁的双重腐蚀作用使得其促进冻融破坏的作用最大，即混凝土内部渗入的硫酸镁溶液与C-S-H反应生成M-S-H，而这种产物的胶结能力极低，因此其促进冻融破坏的作用最为显著。

3 结 论

1)混凝土受冻融-硫酸盐耦合作用的损伤程度可以利用损伤层厚度来衡量。冻融循环与不同溶液耦合作用下，超声波在损伤层中的传播速率存在一定差异，并且未损伤层中的波速高于损伤层。混凝土损伤层密实度和超声波速随冻融循环次数的增大逐渐下降，混凝土的损伤层厚度及其损伤程度不断增加。

2)冻融次数相同的条件下，不同溶液引起的损伤程度具有明显差异，这是由于硫酸盐既有促进又有抑制的双重作用；浓度较低时硫酸钠发挥促进作用而浓度较高时发挥抑制作用，硫酸镁的双重腐蚀作用使得其促进冻融破坏最为显著。