硫酸盐环境下轻骨料混凝土-普通混凝土界面性能劣化规律

郭正发; 朱红兵; 余志武; 余海堂; 付正昊; 肖宇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506892

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (14) :6137-6144 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506892

建筑科学

硫酸盐环境下轻骨料混凝土-普通混凝土界面性能劣化规律

郭正发 ¹ ,
朱红兵 ¹^,²^,^* ,
余志武 ² ,
余海堂 ³ ,
付正昊 ¹ ,
肖宇 ¹

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Degradation Law of Interface Performance between Lightweight Aggregate Concrete and Normal Concrete under Sulfate Environment

GUO Zheng-fa ¹ ,
ZHU Hong-bing ¹^,²^,^* ,
YU Zhi-wu ² ,
YU Hai-tang ³ ,
FU Zheng-hao ¹ ,
XIAO Yu ¹

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摘要

轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete, LWAC)具有轻质高强的特性,广泛用于普通混凝土(normal concrete, NC)结构的加固。然而,硫酸盐侵蚀会显著影响LWAC-NC界面的性能,是加固后复合体系面临的技术难题。为揭示LWAC-NC界面在硫酸盐环境下的性能演化规律,通过劈裂抗拉试验,分析了不同质量分数(0、3%、5%和7%)硫酸盐侵蚀后其界面的黏结性能。结果表明,随着硫酸盐侵蚀时间的延长,界面受侵蚀区域和微孔隙增加。界面劈裂抗拉强度和断裂能先升后降,与初始值相比,侵蚀150 d后界面强度降低 9.0%~28.1%,界面断裂能降低 5.3%~35.8%。熵权法分析进一步揭示,硫酸盐对界面断裂能的影响高于界面强度。最后,建立了考虑混凝土强度、界面粗糙度、新老混凝土浇筑时间差、硫酸盐浓度、侵蚀时间的界面劈裂抗拉强度演化模型,计算值与试验值误差范围为-19.3%~19.6%,希望为LWAC在富含硫酸盐环境下的应用提供参考。

Abstract

Lightweight aggregate concrete is widely used to strengthen existing normal concrete structures owing to its lightweight and high strength. However, sulfate erosion has been shown to degrade LWAC-NC interface performance, posing a technical challenge for the composite systems after strengthening. To reveal the performance evolution of the LWAC-NC interface under sulfate environment, splitting tensile tests were conducted to analyze the bond strength of the interface after sulfate erosion at various mass fractions (0, 3%, 5%, and 7%). The results revealed that with increasing erosion duration, the interfacial eroded area and microporosity increased. The interfacial splitting tensile strength and fracture energy increased before declining. After 150 days of exposure, strength decreased by 9.0% to 28.1% and fracture energy by 5.3% to 35.8%. Entropy-based analysis further revealed that sulfates affected interfacial fracture energy more than interfacial strength. Additionally, an evolution model for interfacial splitting strength was developed incorporating concrete strength, interfacial roughness, pouring time differences, sulfate concentration, and erosion duration. The model error ranged from -19.3% to 19.6%, which is intended to provide the reference for the application of LWAC(lightweight aggregate concrete) in sulfate-rich environments.

Graphical abstract

关键词

新老混凝土界面 / 劈裂抗拉强度 / 硫酸盐侵蚀 / 演化模型

Key words

interface between new and old concrete / splitting tensile strength / sulfate erosion / evolution model

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郭正发, 朱红兵, 余志武, 余海堂, 付正昊, 肖宇. 硫酸盐环境下轻骨料混凝土-普通混凝土界面性能劣化规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(14): 6137-6144 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506892

GUO Zheng-fa, ZHU Hong-bing, YU Zhi-wu, YU Hai-tang, FU Zheng-hao, XIAO Yu. Degradation Law of Interface Performance between Lightweight Aggregate Concrete and Normal Concrete under Sulfate Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(14): 6137-6144 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506892

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轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LWAC)因其轻质高强和优异的耐久性得到了广泛关注^[1]。同时其在减少天然骨料消耗和有效消纳固废方面契合绿色发展理念^[2],在高层建筑、大跨度结构建造时展现独特优势^[3],在混凝土结构修补加固领域具有广阔的应用前景^[4]。然而,作为加固修补材料,LWAC与既有普通混凝土(normal concrete,NC)形成的LWAC-NC界面往往是结构力学性能及耐久性能的一大薄弱环节^[5-6]。

已有研究表明,LWAC-NC界面黏结性能受到多种因素的显著影响,包括混凝土自身强度^[5]、界面粗糙度^[7]、界面剂^[8]、新老混凝土浇筑时间差^[9]等。围绕这些关键因素,研究人员取得了系列成果。例如,Costa等^[10]提出了一种考虑界面粗糙度的LWAC-NC界面剪切强度计算模型。王建民等^[11]考虑界面处理方式、浇筑间隔时间和法向力等因素,发现LWAC-NC界面的破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则。Zhu等^[12]根据试验结果,建立了考虑界面粗糙度、界面剂和新老混凝土浇筑龄期差的LWAC-NC界面劈裂抗拉强度计算公式。然而,现有研究主要集中在一般环境下的LWAC-NC界面强度。在沿海和富含硫酸盐土壤地区,混凝土结构容易受到硫酸盐侵蚀^[13-14],这加速了界面性能的劣化^[15]。考虑到硫酸盐侵蚀对LWAC-NC界面性能的影响尚未得到充分探讨。因此,需要针对硫酸盐环境下LWAC-NC界面性能进行探究,建立相应的强度演化公式,以提升LWAC在恶劣环境下的应用可靠性。

因此,现将新老混凝土界面劈裂抗拉试验^[16]用于评价LWAC-NC界面的黏结性能,并且引入界面断裂能评价指标^[17]。基于先前的研究和试验结果,考虑硫酸盐浓度和侵蚀天数影响,提出LWAC-NC界面劈裂抗拉强度演化公式,以期为LWAC应用于硫酸盐地区混凝土结构的修补加固工程提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

NC为老混凝土,LWAC作为新混凝土(修补加固材料)。NC由P·O 42.5普通硅酸盐水泥、碎石、河砂和水组成。LWAC由碎石型页岩陶粒(800级)、陶砂、P·O 42.5水泥、粉煤灰、硅灰、水和高性能聚羧酸减水剂拌合制成。陶粒在使用前进行预湿处理,滤干至表面无明水时使用。NC和LWAC的配合比如表1所示。对养护28 d试样进行抗压试验和劈裂抗拉试验,得到NC和LWAC的抗压强度(34.5 MPa和48.8 MPa)和劈裂抗拉强度(3.2 MPa和3.3 MPa)。采用无水硫酸钠配制质量分数为0%、3%、5%和7 %的4种浓度硫酸盐溶液。

1.2 试验设计与制作

1.2.1 试验设计

试件如图1所示,尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。试验变量为硫酸盐浓度和侵蚀天数。混凝土硫酸盐侵蚀试验常将硫酸盐质量分数设置为5%^[18],因此将硫酸盐质量分数设置为0%(对照组)、3%、5%、7%4个梯度。文献[19]对混凝土的耐侵蚀性进行研究,硫酸盐浓度为5 wt%,浸泡天数最高为150 d,发现浸泡90 d后其性能开始下降。在每种硫酸盐浓度下设置了不同的侵蚀时间(0、30、60、90、120、150 d),均设置3个平行试样。

1.2.2 试样制作

图2为试样制作流程:①制作尺寸150 mm×150 mm×75 mm 的NC块(在20 ℃左右温度下水养护28 d);②对老混凝土表面进行粗糙处理,使粗糙度(灌砂法^[13])为1.5 mm(1.4~1.6 mm),并涂抹厚度为1.5 mm的水泥浆界面剂;③浇筑LWAC,形成尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的LWAC-NC复合试样(养护28 d);④将复合试样放置在不同浓度硫酸盐溶液中进行侵蚀,试样之间的距离大于20 mm。达到相应侵蚀时间时,将试样取出进行力学性能测试。硫酸钠溶液每14 d进行更换。

1.3 试验方法

1.3.1 界面劈裂抗拉试验

对LWAC-NC界面进行劈裂抗拉试验^[16],加载方法如图3所示。微机控制电液伺服万能试验机的加载速率控制在0.05~0.08 MPa/s。正式加载前,对每个试样进行预加载,确保夹具与试样、装置与夹具之间的缝隙被压实。试样界面的劈裂抗拉强度σ为

(1)σ=$\frac{2P}{\pi A}$

式(1)中:A为试样界面面积,mm²。

1.3.2 扫描电镜试验

如图4所示,从未受劈裂抗拉试样界面处切割,取出含有LWAC-NC界面的芯样用于电镜扫描。芯样的来源包含未受硫酸盐侵蚀(质量分数0%,150 d)和遭受硫酸盐侵蚀后(质量分数7%,150 d)的试样,其尺寸约为1 cm³。扫描电镜型号为TESCAN MIRA LMS,放大倍数可为2~10⁶倍。

2 结果与分析

2.1 界面破坏模式

界面的破坏形态可以反映新老混凝土的黏结性能^[20],并且破坏形态表现了界面受到硫酸盐的侵蚀程度。以质量分数5%的试样为例,其破坏模式如图5所示。图5(a)为受到硫酸盐侵蚀0 d的试样(对照组)。可以看出,LWAC和NC均受到损坏。破坏面展示出了新老混凝土相互混合的模式,并且出现了粗骨料被拉断的现象。这种破坏模式属于混合内聚破坏^[11],说明新老混凝土黏结良好,通常发生在具有一定界面粗糙度的黏结试样中^[17]。硫酸盐侵蚀至30 d时,界面四角出现了侵蚀痕迹,主要表现为白色侵蚀产物(钙矾石和石膏等^[21])。

图5(b)和图5(c)显示界面处少量区域被侵蚀,但此时界面的破坏模式依然为混合内聚。白色侵蚀产物的面积逐渐扩大,硫酸盐侵蚀至90 d之后,占据了界面大部分区域,这说明硫酸盐溶液对整个界面造成了侵蚀。此时界面的破坏模式很难观察到新老混凝土的混合部分,破坏面较之前光滑,说明界面的黏结性能受硫酸盐侵蚀而恶化,如图5(d)~5(f)所示。

可见,硫酸盐溶液的侵蚀,逐渐使LWAC-NC界面性能恶化,使其黏结性能降低。

2.2 硫酸盐侵蚀微观形貌变化

随着硫酸盐侵蚀时间的增加,LWAC-NC界面破坏模式发生改变,宏观上硫酸盐侵蚀面积增加。新老混凝土之间的界面过渡区(interfacial transition zone, ITZ)被认为是一种由氢氧化钙组成的多孔介质。其微观结构特征能够证明宏观变化。图6展示了LWAC-NC界面受到硫酸盐侵蚀前后的SEM图像。

可以看出,硫酸盐侵蚀前的新老混凝土界面之间存在部分微孔隙,但整体微观结构较为密实。受到硫酸盐侵蚀后,新老混凝土间的微观裂隙被展开,出现了大量的微孔隙,部分微孔隙的直径超过20 μm,这说明硫酸盐的侵蚀降低了界面密实度,产生大量的微缝隙,界面黏结性能劣化。

2.3 界面荷载-位移曲线

LWAC-NC界面的宏观和微观变化说明了硫酸盐对界面的劣化影响,但界面的劣化程度不好量化,因此需要引入其他指标对界面劣化程度进行分析。界面劈裂抗拉荷载-位移曲线显示了峰值荷载和极限位移等,可以看出界面强度在破坏过程中的变化规律。图7是LWAC-NC试件的劈裂抗拉荷载-位移曲线(每组平行试样取其中1个)。

所有试样的荷载-位移曲线近似呈线性规律,在达到峰值荷载时发生突然的急速下降,发生脆性破坏。质量分数0%组的曲线形状基本一致,随着侵蚀天数的增加,峰值荷载和极限位移略微增加,这是水化产物填充了界面的微孔隙导致^[18]。其他组的曲线出现了明显的差异,随着侵蚀天数的增加,峰值荷载和极限位移先增加后降低。可见,硫酸盐侵蚀对LWAC-NC界面产生影响,但对于其影响程度,需通过荷载-位移曲线计算相关指标得到。

2.4 界面劈裂抗拉强度和界面断裂能

图8(a)显示了试样界面劈裂抗拉强度的演化规律(包含误差带)。质量分数0%溶液侵蚀下,界面强度因水化作用而逐渐小幅增加。其余组界面强度均随硫酸盐侵蚀时长增加而先上升后下降。除了水泥水化作用,侵蚀前期,硫酸盐与水泥水化产物发生化学反应生成钙矾石和石膏,填充了新老混凝土界面的微缝隙,使界面的微观结构更致密^[22]。而随着侵蚀时间的增加,这些产物积累增多,膨胀导致界面微观结构裂缝增多,粘结强度下降。

硫酸盐质量分数为3%~7%时,与初始强度相比,侵蚀时间为150 d时强度下降9.0%~28.1%。硫酸盐浓度的增加导致强度下降更显著,并且使强度升降拐点提前出现。

劈裂抗拉荷载-位移曲线与坐标轴围成的面积为界面断裂能^[16],计算公式为

(2)G=$\frac{{\int }_{0}^{\Delta }Pd\Delta }{A}$

式(2)中:G为断裂能,N/m;

${\int }_{0}^{\Delta } $

PdΔ为曲线与坐标轴围成的面积,N·m。

图8(b)显示,界面断裂能演化与界面强度相似,包括对照组的略微逐渐上升和硫酸盐溶液浸泡组均在一定侵蚀时长出现明显的先升后降拐点。硫酸盐质量分数为3%~7%时,与初始断裂能相比,侵蚀150 d时界面断裂能下降5.3%~35.8%。硫酸盐浓度越大断裂能下降越显著,且拐点提前出现。

2.5 基于熵权法的LWAC-NC界面耐侵蚀性

当处于同一侵蚀状态下,LWAC-NC界面强度和断裂能劣化幅度不同。用单一的指标去评价界面的黏结性能显得不够全面。因此,通过熵权法来分析LWAC-NC界面的耐侵蚀性^[20]。

将LWAC-NC界面的强度和断裂能作为两个权重指标进行计算,计算过程如下:构建原始的矩阵Y=(a_ij)_mn,其中n为指标的个数,i=1, 2, …, m,m为每个指标对应的对象数,j=1, 2, …, n。对原始矩阵里的值进行无量纲化,将矩阵变为新的判断矩阵X=(x_ij)_mn。无量纲化按照式(3)计算;按照式(4)计算第每个指标下第i个样本值占该指标的比重P_ij;按照式(5)计算第j项指标的熵值e_j;按照式(6)计算各项指标的权重W_j;按照式(7)计算耐侵蚀性能值D_i。

(3)x_ij=$\frac{{a}_{ij}}{{a}_{1j}}$

(4)P_ij=$\frac{{x}_{ij}}{\sum _{i=1}^{m}{x}_{ij}}$, j=1,2,…,n

(5)e_j=-$\frac{1}{lnm}\sum _{i=1}^{m}$P_ijlnP_ij, j=1,2,…,n

(6)W_j=$\frac{1-{e}_{j}}{\sum _{j=1}^{n}1-{e}_{j}}$, j=1,2,…,n

(7)D_i=$\sum _{j=1}^{n}$x_ijW_j, i=1,2,…,n

以质量分数5%组为例进行计算。用0、30、60、90、120、150 d的界面强度和断裂能作为两个指标,构建原始判断矩阵Y;根据式(3)对初始矩阵进行无量纲化;根据式(4)计算各项数值比重;根据式(5)计算熵值;根据式(6)计算各指标的权重;根据式(7)计算综合耐侵蚀性能值。按相同方法,求出其余组的耐侵蚀性能值D,演化规律如图9所示。

(8)Y=$\left[\begin{array}{ll}2.21& 110.22\\ 2.35& 120.36\\ 2.45& 134.89\\ 2.73& 151.60\\ 2.20& 112.53\\ 1.78& 94.00\end{array}\right]$

(9)X=$\left[\begin{array}{ll}1.000 0& 1.000 0\\ 1.063 3& 1.092 0\\ 1.108 6& 1.223 8\\ 1.235 3& 1.375 4\\ 0.995 5& 1.021 0\\ 0.805 4& 0.852 8\end{array}\right]$

(10)P=$\left[\begin{array}{ll}0.161 1& 0.152 3\\ 0.171 3& 0.166 3\\ 0.178 6& 0.186 4\\ 0.199 0& 0.209 5\\ 0.160 3& 0.155 5\\ 0.129 7& 0.129 9\end{array}\right]$

(11)e=[0.995 5 0.993 5]

(12)W=[0.409 98 0.590 02]

(13)D=$\left[\begin{array}{l}1.000 0\\ 1.080 3\\ 1.176 6\\ 1.318 0\\ 1.010 5\\ 0.833 4\end{array}\right]$

LWAC-NC界面耐侵蚀性能D的演化规律与界面劈裂抗拉强度以及断裂能相似。质量分数0%组耐侵蚀性能D小幅上升。硫酸盐组随着侵蚀时间增长而先增大后减小,并且增加硫酸盐浓度会导致侵蚀更加严重。熵权法结合两种指标更好地代表了硫酸盐对LWAC-NC界面的影响。此外,界面断裂能的权重大于界面强度,说明硫酸盐对界面断裂能的影响程度大于界面黏结强度。

2.6 新老混凝土界面劈裂抗拉强度计算公式

界面劈裂抗拉强度是新老混凝土黏结性能的重要指标。文献[12]建立了一般环境新老混凝土界面劈裂抗拉强度计算公式,即

(14) $\begin{aligned}\sigma= & 1.43\left(-0.019 h^{2}+0.15 h+0.55\right) \times \\& {\left[(0.116 \exp (-T / 8.49)+0.83] \alpha_{2} f_{\mathrm{tsN}}\right.}\end{aligned}$

式(14)中:h为界面粗糙度,mm;T为新老混凝土浇筑龄期差,d;f_tsN为新混凝土28 d的劈裂抗拉强度,MPa;α₂为界面剂影响参数;本次试验中,h=1.5 mm,T=28 d,f_tsN=3.3 MPa;不使用界面剂时α₂取0.58;界面剂为水泥净浆时α₂取0.83^[12]。

在式(14)基础上进一步考虑硫酸盐溶液浓度c和侵蚀天数n两个因素,设置硫酸盐影响系数β,如式(15)所示。其中σ_S为硫酸盐侵蚀后界面劈裂抗拉强度。根据式(14)和式(15)和σ_S可以计算β,将c、n与β进行拟合,得到它们之间的关系,如图10(a)所示。最终结合式(14)得到σ_S的表达式。

(15)σ_S=βσ=f(c,n)σ

(16)σ_S=[0.91+(8.9×10^-4+0.001 1c-4.55×10^-5c²)n+(-1.45×10^-6-9.26×10^-6c+2.47×10^-7c²)n²]σ

式(16)考虑了混凝土材料强度、界面粗糙度、新老混凝土浇筑龄期差、硫酸盐浓度和硫酸盐侵蚀天数。为了验证该模型的可靠性,将本次试验和文献[23-24]的试验数据代入模型,结果如图10(b)所示。可以看出,其他文献的试验条件存在差异(例如硫酸盐侵蚀方式等),导致了误差,试验值与计算值的误差在-19.3%~19.6%。总体而言模型可靠性较高。

3 结论

(1)随着硫酸盐溶液侵蚀时间增加,LWAC-NC界面产生白色侵蚀产物,并从试件四角逐渐向中心扩散。硫酸盐侵蚀不仅导致界面失效模式发生不利改变,还使界面处微观孔隙增加,微观结构密实度下降,从而使界面受到劣化。

(2)界面黏结强度和界面断裂能随侵蚀时长增加而先上升后下降。当侵蚀时间达到150 d时,界面强度相较于初始强度下降9.0%~28.1%,界面断裂能则下降5.3%~35.8%。硫酸盐浓度的增加提前了性能指标的升降拐点,使得界面性能劣化进程加快。

(3)熵权法对界面的耐侵蚀性分析表明,耐侵蚀性能值D的演化规律与界面强度和断裂能相似。权重系数分析发现,硫酸盐侵蚀对界面断裂能的影响程度要大于界面强度。

(4)提出了综合考虑混凝土强度、界面粗糙度、新老混凝土浇筑时间差、硫酸盐浓度、硫酸盐侵蚀时间等关键变量的硫酸盐环境下LWAC-NC界面劈裂抗拉强度演化公式,公式计算值与试验值吻合度高,误差范围为-19.3%~19.6%。可为LWAC在恶劣环境下的加固与修复应用提供参考。

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基金资助

国家自然科学基金(51778630)

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划(T2022002)

武汉科技大学研究生创新创业基金(JCX2024013)

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Received	Published	Revised
2025-09-25	2026-05-18	2025-12-25
Online Date
2026-08-06

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