渗漏溶蚀作用下碾压混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律试验研究

孔祥芝 ，陈改新 ，李曙光，纪国晋

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038）

1 研究背景

渗漏溶蚀是水工混凝土建筑物常见的病害之一［1-3］，特别是碾压混凝土层间、新老混凝土结合面、坝体建基面等部位的层（缝）间渗漏溶蚀，不仅影响工程外观，破坏大坝整体性，严重的甚至可能危及坝体抗滑稳定。20世纪30年代，前苏联科研人员首先指出了波特兰水泥混凝土的溶蚀病害，随后提出了混凝土强度随钙元素溶出的衰减模型［4］。20世纪80年代，中国水利水电科学研究院和武汉大学开始研究大坝混凝土的溶蚀耐久性问题，提出了接触溶蚀和渗透溶蚀的概念［5-6］，建立了混凝土、弹性模量与溶蚀程度的相关关系［7］。另外，何真等［8］利用魔角旋转核磁共振测试技术从机理上分析了不同掺量粉煤灰对水泥基材料在溶蚀条件下性能退化的影响。20世纪90年代以来，出于对核废料封存用混凝土掩体安全性的担心，瑞士、法国和中国等国重点开始研究接触溶蚀及其对水泥基材料性能的影响，包括溶蚀进程加速方法［9-12］、水泥浆体微观结构变化、宏观性能衰减规律和预测模型等研究［13-16］。但以往的研究都是针对材料本体，对混凝土层（缝）间渗漏溶蚀过程，以及溶蚀对缝隙两侧混凝土微观结构和抗剪强度的影响等研究较少。水库大坝建成蓄水运行后，坝体层（缝）间渗漏溶蚀病害发展缓慢，但长期溶蚀作用会引起混凝土层（缝）间结合强度，特别是抗剪强度的下降。因此，开展大坝混凝土层（缝）间渗漏溶蚀试验研究，揭示溶蚀作用下混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律，为运行期发生渗漏溶蚀病害的水库大坝的抗滑稳定性分析提供基础资料，具有重要的科学意义和实用价值。

2 试验原材料及混凝土配合比

表1 混凝土配合比

表2 水泥、火山灰化学成分 （单位：%）

本文选用典型的C9020强度等级大坝碾压混凝土来研究层（缝）间渗漏溶蚀，混凝土配合比见表1。水泥采用42.5中热硅酸盐水泥，掺合料采用天然火山灰，水泥、火山灰化学成分见表2。细骨料采用石英砂，细度模数为2.75，二氧化硅含量98%；粗骨料采用天然卵石，最大粒径40 mm；外加剂采用萘系缓凝高效减水剂和松香类引气剂。

3 混凝土层（缝）间渗漏溶蚀试验模拟

3.1 溶蚀进程加速方法 混凝土溶蚀是极其缓慢的物理化学过程，为了在有限的时间内完成试验，研究人员通常采用去离子水（软水）、硝酸铵溶液或施加电压等方法加速溶蚀进程。采用去离子水加速混凝土溶蚀进程最接近实际情况，但加速效果有限［5-6］。施加电压法是在试件两侧形成电势，让离子发生定向迁移溶出试件达到加速效果，这种方法只适合用于渗透溶蚀［9-10］。硝酸铵溶液加速法由法国学者Carde等［11］提出，是基于式（1）所示酸碱化学反应和扩散作用，用6 mol/L的硝酸铵溶液浸泡混凝土试件，通过提高钙离子在混凝土孔溶液与溶蚀介质中的浓度梯度来加速钙溶出，加速倍率按照式（2）计算。Carde的试验结果表明［11］，6 mol/L的硝酸铵溶液对水泥净浆1d的溶蚀深度约等于pH值为4.5的去离子水3个月的溶蚀深度，加速倍率约等于100倍。Heukamp等［14］结合Adenot等［16］的研究成果认为，这一加速倍数约等于300。

式中：α为加速倍率，即对于相同的钙离子溶出量，时间的加速倍数；RNH、RH2O分别指浸泡在硝酸铵溶液和水中的试件累计溶出的钙离子与时间的线性关系的斜率值。

本文采用1 mol/L的硝酸铵溶液和去离子水分别浸泡表1所示配比碾压混凝土试件，测试1 mol/L硝酸铵溶液对溶蚀进程的加速效果。图1是从混凝土试件表面累计溶出钙离子的量随时间的变化关系。

图1 混凝土试件表面累计溶出钙离子量与的关系

试验结果表明，浸泡在1 mol/L硝酸铵溶液中的试件，75 d钙离子累计溶出16.5 g，浸泡在去离子水中的试件，75 d钙离子累计溶出0.47 g，硝酸铵溶液对钙离子溶出速率具有显著的加速效果。按照式（2）计算可得［11］，1 mol/L硝酸铵溶液对试验混凝土溶蚀进程的加速倍率约为1 430倍，加速效果显著。

本文中采用1 mol/L硝酸铵溶液作为溶蚀介质进行渗漏溶蚀模拟试验。

3.2 渗漏溶蚀试验模拟 采用表1所示混凝土配合比成型边长150 mm立方体试件45块，标准养护90 d后随机分为5组，每组中取1块试件用切割机沿中心面切开，作为参照样用来测试溶蚀程度，其余8块用混凝土抗剪仪沿中心面剪断，重新扣合后用来模拟带有层（缝）的混凝土。为了模拟缝隙渗漏溶蚀，每块试件除了缝面（或切割面）外其他表面涂刷环氧涂层。试件养护120 d后开始溶蚀。每组试件浸泡在一个固定的盛有50 L 1 mol/L硝酸铵溶液的试验箱内。溶液中放置1台微型水泵，浸泡期间开启，保持硝酸铵溶液处于流动状态。浸泡时间每超过60 d更新一次硝酸铵溶液。图2是其中2组试件的试验情况。

图2 缝面溶蚀试验情况

图3 混凝土缝面累计溶出钙离子量与的关系

图3是混凝土试件分别经0、18、105、216和461 d加速溶蚀作用后，从缝面累计溶出钙离子量与的关系。从图3可以看出，钙离子溶出量随着溶蚀时间的增加而增大，与具有很好的线性关系，符合Fick第二扩散定律［11］。由此可见，混凝土层（缝）间发生渗漏，渗水沿缝隙流动，在浓度梯度作用下缝隙两侧混凝土孔溶液中的钙离子不断向水流扩散，缝隙渗漏溶蚀属于接触溶蚀［7］，溶蚀过程可以采用硝酸铵溶液循环浸泡法模拟。

3.3 溶蚀程度评价和测试方法 有关混凝土溶蚀程度的表征，实验室通常用钙溶出率、总盐溶出量、混凝土孔溶液pH值变化、溶出液电导率和溶蚀深度等参数表征［4-15］。服役期的水工混凝土建筑物发生渗漏溶蚀后，溶出的钙大部分都随水流流失无法准确测定，因此溶蚀程度无法再用钙元素溶出率表征。混凝土缝隙渗漏溶蚀属于接触溶蚀，在溶蚀过程中缝隙两侧混凝土孔溶液中的钙离子不断向水流扩散，被水带走，随着溶蚀的持续进行，钙离子溶出前锋线将不断向缝隙两侧混凝土的内部延伸，在此将溶出前锋线至缝面的距离定义为缝面溶蚀深度，用dL表示。缝面溶蚀深度越大表明混凝土遭受溶蚀的程度越严重。

图4是5组试件分别经过不同时间的加速溶蚀作用后，垂直于参照样切割面的横截面喷酚酞指示剂后的显色情况。从图4可以看出，遭受溶蚀作用的试件断面都包含不变色区和粉红色区两个区域，分界线非常明显，并且随着溶蚀时间的增长，不变色区域逐渐增大，粉红色区域逐渐减小。众所周知，普通水泥混凝土呈碱性（孔溶液pH值通常大于12），断面遇酚酞指示剂后显示粉红色［17］，混凝土遭受硝酸铵溶液溶蚀作用，碱性降低，断面遇到酚酞指示剂后不再显色。因此，利用酚酞指示剂可以粗略确定钙离子溶出前锋线位置（分界线位置），但无法排除实际混凝土结构遭受碳化的影响。

图4 混凝土断面碱性分布情况

为了准确测定钙离子溶出前锋线位置，应用电子探针沿着试件切割面（缝面）的法向方向（溶蚀发展方向）从切割面开始进行元素线扫描［18］，分析钙元素衍射峰强弱（反映钙的相对含量的高低）沿溶蚀发展方向的变化。图5是经过105 d溶蚀后的试件（图4中（c））中钙元素衍射峰的变化情况，x表示试件内部距切割面的距离。从图5可以看出，钙元素衍射峰强度沿x轴方向分为低强区（x＜10.5 mm）和高强区（x＞10.5 mm），低强区钙元素相对含量显著低于高强区，由此可以确定钙离子溶出前锋线的位置在x=10.5 mm处，与酚酞指示剂变色位置的测试结果基本一致。按照缝面溶蚀深度的定义，该组试件的缝面溶蚀深度dL为10.5 mm。

图6是5组试件的缝面溶蚀深度与钙离子累计溶出量的关系。从图6可以看出，二者具有很好的线性关系，进一步证实采用酚酞指示剂加电子探针线扫描技术测定缝面溶蚀深度的方法是可行的。

图5 钙元素衍射峰

图6 缝面溶蚀深度dL与钙离子累计溶出量的关系

4 混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律

4.1 混凝土微观结构变化 取缝面溶蚀深度为10.5 mm的试样，沿溶蚀发展方向将参照样划分为3个区域，溶蚀区（距离缝面0～5 mm）、过渡区（6～11 mm）和未溶蚀区（＞12 mm）。3个区域内浆体的孔结构测试结果列于表3，孔体积如图7所示。

表3 浆体孔结构测试结果

从表3和图7可知，溶蚀区、过渡区和非溶蚀区浆体的孔隙率分别为24.3%、22.0%和19.4%，孔体积分别为0.099、0.080和0.057 ml/g，平均孔径分别为27.1、27.3和28.6 nm。与非溶蚀区相比，溶蚀区和过渡区浆体的孔隙率、孔体积，各级孔隙的含量均明显增大，平均孔径略有减小。作者分析认为，在溶蚀过程中，水泥石中部分水化产物溶解并被带走，产生一些新的孔隙（微孔），随着溶蚀持续进行，小孔逐渐增大成为大孔，因此，溶蚀使水泥浆体孔隙率增大，各级孔隙的含量均明显增大，而平均孔径略有降低。

图7 不同区域浆体的孔隙体积分布

图8是混凝土溶蚀区和未溶蚀区中浆体的扫描电镜照片。对比图8（a）（b）可知，遭受溶蚀作用后，浆体的密实度变差，孔隙增多，断面中出现细小的氢氧化钙晶体。分析认为，使用1 mol/L的硝酸铵溶液加速混凝土溶蚀，孔溶液中的氢氧化钙处于过饱和状态，在干燥过程中氢氧化钙重新结晶析出。

4.2 混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律 依据《水工碾压混凝土试验规程》（DL/T 5433-2009）中抗剪强度试验方法，测试遭受不同程度溶蚀作用的混凝土层（缝）面抗剪强度，法向应力取1.5、3.0、4.5和6.0 MPa。图9是各级法向荷载作用时的剪应力τ摩。由图9可知，剪应力τ摩随着法向应力σ的提高而增大，混凝土层（缝）面抗剪强度可以用库仑方程表示［19］。根据库仑方程拟合可得混凝土层（缝）面摩擦系数fm′和黏聚力cm′，其结果列于表4。由表4可知，随着缝面溶蚀深度的增加，混凝土层（缝）面抗剪强度参数（fm′和cm′）均在下降，当dL＞14.0 mm后，基本趋于稳定。

图8 浆体断面

图9 层（缝）面抗剪强度与法向应力的关系

表4 混凝土抗剪强度试验结果

混凝土沿层（缝）面抗剪强度属于不规则结构面在一定法向荷载作用下的抗剪强度，剪切过程中既有爬坡作用也存在削齿作用，类似于岩石沿节理面的抗剪强度（图10）［20］。根据巴尔顿提出的节理峰值抗剪强度τ的方程（图10）可知，节理面的抗剪强度主要取决于节理粗糙度系数（JRC）、节理壁的抗压强度（JCS）和基本内摩擦角φb（相当于节理面的残余内摩察角）［20］。由此可知，混凝土层（缝）面抗剪强度主要由缝面粗糙度、齿面的抗压强度和缝面的基本内摩擦角决定。对于表4所列混凝土抗剪强度试验结果，每组试件是随机组成，缝面粗糙度和基本内摩擦角可以认为近似相等，因此，各组试件抗剪强度的差异主要由齿面抗压强度决定。

混凝土层（缝）间发生渗漏溶蚀，缝隙两侧混凝土的孔隙率增大，微观结构变差，齿面抗压强度下降，进而引起层（缝）面抗剪强度降低。随着缝面溶蚀深度的增加，齿面抗压强度不断降低，层（缝）面抗剪强度持续下降。但是，当缝面溶蚀深度增大至超出剪切荷载作用的约束区，抗剪强度将不再随溶蚀深度的增加而变化。假设缝面溶蚀深度为x，根据牛顿冷却定律［21］，则有：

式中：f(x)为抗剪强度；B为抗剪强度最终稳定值；k为常数，负号表示抗剪强度下降速率随着溶蚀深度的增加而降低。

对式（3）进行不定积分：

图10 岩石节理面抗剪强度[20]

设未遭受溶蚀作用的混凝土层（缝）面抗剪强度为A，则有，x=0f(x)=A，代入式（5）可得：

应用式（6）拟合表4所列混凝土摩擦系数和黏聚力，结果如图11所示。由图11可知，式（6）所示抗剪强度衰减模型能够很好地模拟混凝土层（缝）间摩擦系数和黏聚力随缝面溶蚀深度的变化。混凝土层（缝）面抗剪强度随着缝面溶蚀深度的增大而下降，当缝面溶蚀深度增大至超出剪切荷载作用的约束区，抗剪强度将不再随溶蚀深度的增加而变化，逐渐趋于稳定。对于试验混凝土，摩擦系数最终约降至初始值的65%，黏聚力最终约降至初始值的60%。

图11 混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律

4 结论

碾压混凝土层（缝）间发生渗漏，渗水沿缝面流动，在浓度梯度作用下缝隙两侧混凝土中的水泥水化产物不断溶解并向水流扩散，被水带走，发生溶蚀病害。溶蚀沿着缝面的法向逐渐向两侧混凝土的内部延伸，采用硝酸铵溶液循环浸泡法能够有效加速并模拟混凝土层（缝）间渗漏溶蚀过程，溶蚀程度可以用缝面溶蚀深度定量表征，用酚酞指示剂+电子探针线扫描技术准确测定。

碾压混凝土层（缝）间发生渗漏溶蚀，缝隙两侧混凝土的孔隙率增大，微观结构变差，混凝土层（缝）面摩擦系数和黏聚力下降。基于牛顿冷却定律的抗剪强度衰减模型能够较好地反映碾压混凝土层（缝）面抗剪强度衰减规律，即渗漏溶蚀作用下，碾压混凝土层（缝）面抗剪强度随着缝面溶蚀深度的增加而下降，但下降速率逐渐降低，抗剪强度最终趋于稳定。

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