我国西北地区盐渍土分布范围较广，土层富含硫酸根离子，且地处内陆，海拔较高，气温波动大，而水工混凝土结构在高寒高盐地区受硫酸盐和冻融侵蚀破坏现象显著[1]，如盐锅峡电站、刘家峡电站和李家峡电站等大坝工程[2]．在上述硫酸盐富集地区，硫酸根离子经扩散作用侵入混凝土内部后结晶膨胀[3]，结晶盐转化及析出过程对周围孔壁产生较大结晶压力[4]，与水泥水化产物反应可形成石膏、钙矾石等膨胀产物，导致混凝土开裂破坏[5]．在温度正负交替过程中，混凝土内部孔隙水结冰，在静水压力和迁移压力作用下，其内部拉应力增长并最终引起结构破坏．盐冻交替作用下混凝土损伤劣化机理复杂，混凝土结构破坏突出[6]．混凝土内部存在大量微裂缝和微孔隙，其初始缺陷使混凝土在化学侵蚀和冻融作用下出现不同程度的损伤劣化．国内外学者对硫酸盐侵蚀和冻融损伤作用下的水工程混凝土劣化特性做了大量研究．文献[7]基于Fick第二定律和Davis修正方程，开展硫酸盐环境中混凝土离子扩散的数值模拟，建立离子与侵蚀产物之间的定量关系．文献[8-9]基于统计损伤理论及宏观试验现象，分别建立考虑硫酸盐侵蚀下的混凝土单、双轴压缩统计损伤本构模型和动弹性模量损伤模型．文献[10]研究了碱活化矿渣混凝土冻融损伤演化规律，并基于相对动态弹性模量构建冻融损伤力学模型．文献[11]基于等效应变假设，建立混凝土宏-细观耦合损伤模型，用于确定冻融循环和荷载耦合作用下混凝土的耐久性．为研究硫酸盐侵蚀和冻融循环(盐冻交替)对混凝土的双重损伤，不少学者开展了冻融循环和化学侵蚀作用下混凝土耐久性研究．文献[12-13]分别分析了盐冻作用下普通混凝土和矿物掺合料混凝土的损伤演化过程，发现矿物掺合料可降低水泥基材料的抗硫酸盐和冻融侵蚀性能．文献[14]通过复合盐浸-冻融-干湿循环试验，发现混凝土在多因素环境内受盐类结晶破坏和化学侵蚀共同作用，动弹性模量与质量损失率随试验循环次数增加呈上升趋势．文献[15]研究了混凝土受CO32- -SO42-侵蚀和冻融循环耦合作用下的耐久性，并基于逻辑斯蒂函数建立混凝土冻融损伤模型．文献[16]采用扫描电镜和差示扫描量热法方法观察了混凝土在硫酸盐侵蚀和冻融循环下的细观结构演变，分析其内部微孔冰含量的变化规律．上述研究表明：当前涉及硫酸盐侵蚀或冻融循环单一作用下的混凝土力学性能研究较多，盐冻交替作用下混凝土损伤演化规律有待进一步探讨．鉴于此，本研究针对高盐、高寒地区混凝土材料损伤劣化的问题，开展了不同质量分数(3%，6%和9%)硫酸盐溶液和冻融循环(循环次数为0~200)作用下混凝土侵蚀及力学性能测试，研究盐冻交替作用下混凝土损伤演化规律，为盐冻地区水工程维修加固和长效运行提供理论依据．1 试验概述1.1　试验材料试验原材料包括水、P.O 42.5普通硅酸盐水泥、细骨料(细度模数为2.7的天然中河砂)、粗骨料(粒径为5~20 mm的花岗岩)、引气剂和聚羧酸减水剂．水泥的3 d抗压和抗折强度实测值分别为18.0和4.5 MPa，28 d抗压强度和抗折强度实测值分别为46.0和7.0 MPa．1.2　试件制备本研究的混凝土水灰比为0.4，砂率为36%，引气剂质量掺量为0.03%，减水剂质量掺量为0.5%．参照水工混凝土试验规程[17]，混凝土质量配合比为：水155 kg/m3，水泥387.5 kg/m3，砂668.7 kg/m3，石子1 188.8 kg/m3．本试验共制备288个棱长为100 mm的混凝土立方体试件，其中用于硫酸盐侵蚀和盐冻交替循环试验的试件各144个，依据不同硫酸盐溶液质量分数和侵蚀历时分为24组．试件浇筑前清洗模具，在内部均匀涂抹脱模剂．依据试验规程浇筑完成后静置24~48 h开始脱模，并对脱模试件进行编号．待试件于养护箱中养护28 d后开始试验研究．1.3　试验方案本研究的混凝土试件宏观力学性能试验采用上海三思纵横机械制造有限公司生产的WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机．混凝土相对动弹性模量测量采用ZT801岩体参数测定仪进行超声检测，以推求其动弹性模量．混凝土试件在20 ℃恒温条件下采用全浸泡方式进行硫酸盐侵蚀，依据试验设计分别选择不同侵蚀历时下的试件展开冻融试验．工况S组为不进行冻融循环的硫酸盐侵蚀试验，将试件浸泡15，30，45，60，75，90，105，120 d后分别测试其质量、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度和相对动弹性模量．工况SF组为盐冻交替侵蚀试验组，将试件养护28 d后取出，浸泡于不同质量分数硫酸盐溶液中，以15 d为1个周期，侵蚀1个周期后取出试件进行冻融循环试验，循环25次后取出，记为1次盐冻交替循环(重复以上操作完成8次盐冻交替循环)．具体试验方案设计见表1．10.13245/j.hust.230225.T001表1试验方案设计工况介质质量分数侵蚀方式工况介质质量分数侵蚀方式S-1Na2SO43%硫酸盐侵蚀SF-1Na2SO43%盐冻交替侵蚀S-2Na2SO46%SF-2Na2SO46%S-3Na2SO49%SF-3Na2SO49%2 试验结果分析2.1　表观变化表观形态是混凝土试件受硫酸盐侵蚀和冻融循环后的直观表现，一定程度上可反映混凝土侵蚀损伤程度．图1为不同质量分数硫酸盐溶液侵蚀和盐冻交替侵蚀作用下混凝土表观形态图，图中：C为硫酸盐溶液质量分数；t为混凝土侵蚀历时；N为盐冻交替循环次数．10.13245/j.hust.230225.F001图1不同工况下混凝土表观形态演化图由图1可知：初始状态混凝土试件表面平整，无掉渣剥蚀现象；在硫酸盐侵蚀初期，试件表面、边缘和棱角相对完整，只在表层出现砂化现象，符合侵蚀初期基本规律[18]，而相同历时下受盐冻交替作用的混凝土试件表面破坏明显，表面砂浆大范围剥落，孔洞增加，细骨料裸露．随侵蚀历时增加，单因素硫酸盐侵蚀作用的混凝土试件表面裂缝逐渐扩展，混凝土棱角剥落破损，表面粗糙度增加，盐冻作用下混凝土试件细骨料大量流失，粗骨料裸露，表面剥落严重．总体而言，随着硫酸盐溶液质量分数增加，混凝土表观形态劣化逐渐加重．2.2　质量变化不同侵蚀试验下混凝土质量变化如图2所示．由图2(a)可知：随着侵蚀历时增长，不同工况下的混凝土试件质量呈增长趋势，但增幅较小，历时120 d后工况S-1~S-3混凝土质量m1较初始时刻分别增长8.9，11.5和13.4 g．10.13245/j.hust.230225.F002图2不同工况下混凝土质量变化曲线由图2(b)可知：随盐冻循环次数增加，盐冻交替作用下的混凝土质量m2不断减小，质量损失率逐渐提高．在硫酸盐侵蚀单因素作用下，混凝土质量缓慢增长，分析其原因为：硫酸根离子在侵蚀初期与水泥水化产物发生反应，产生膨胀性晶体物质，并填充到混凝土试件孔隙中，导致试件质量快速增长．当侵蚀历时达到105 d时，混凝土试件中的氢氧化钙等水化产物含量减少，侵蚀反应速率降低，混凝土质量增速减缓．在盐冻交替作用下，随盐冻循环次数增加，混凝土表面溃散，骨料裸露并有流失现象，这是发生质量损失的主要原因．在盐冻交替初期，硫酸钠溶液与水泥水化产物反应生成膨胀性物质，可抑制冻融循环带来的质量损失，故高质量分数硫酸钠溶液中的混凝土质量损失率较低；在盐冻交替次数超过3次后，冻融和硫酸盐双重作用造成的质量损失远大于反应生成物引起的质量增加，硫酸钠溶液质量分数提高开始对混凝土质量损失起加速作用，当盐冻交替循环次数达到8次时，相较于未进行盐冻侵蚀状态，三种溶液侵蚀下的混凝土质量损失率分别为2.33%，3.02%和3.90%．2.3　抗压强度图3为不同质量分数硫酸钠溶液单因素侵蚀作用和盐冻交替作用下混凝土抗压强度变化曲线，图中：fc1为硫酸盐单因素侵蚀下混凝土抗压强度；fc2为盐冻交替作用下混凝土抗压强度．10.13245/j.hust.230225.F003图3不同工况下混凝土抗压强度变化曲线由图3(a)可知：浸泡在质量分数为3%，6%和9%硫酸钠溶液中的混凝土，分别在侵蚀90，75和60 d抗压强度达到最大值，依次为47.2，47.1和46.7 MPa，相较于初始状态分别提高了16.0%，15.7%和14.7%；当侵蚀历时为120 d时，不同质量分数溶液中的混凝土抗压强度分别降低到44.3，42.1和39.5 MPa，与初始状态相比，溶液质量分数为3%和6%中的混凝土强度仍有提高，质量分数为9%的硫酸盐溶液中的混凝土强度下降．总体而言，随侵蚀历时增加，各硫酸钠溶液中混凝土的抗压强度呈先增加后降低的变化趋势，高质量分数硫酸钠溶液可加速侵蚀过程并强化侵蚀程度，使混凝土抗压强度峰值出现提前，但峰值强度有所降低．由图3(b)可以看出：在盐冻循环初期，硫酸钠与水泥水化产物反应生成膨胀产物可增加混凝土内部孔隙致密性，且盐溶液降低了孔隙水冰点，减轻了混凝土冻融损伤，故高质量分数硫酸钠溶液侵蚀下的混凝土抗压强度损失较小．在盐冻交替作用后期，混凝土内部损伤不断积累，抗压强度迅速下降．在经历8次盐冻交替循环后，混凝土抗压强度分别为28.2，25.4和22.2 MPa，相对于初始值分别下降了30.8%，37.5%和45.5%，较同一历时下的硫酸盐单因素侵蚀作用分别降低了36.3%，39.7%和43.8%．2.4　劈裂抗拉强度图4为不同质量分数硫酸钠溶液侵蚀作用和盐冻交替作用下混凝土劈裂抗拉强度劣化规律曲线，图中：ft1为硫酸盐单因素侵蚀下混凝土抗拉强度；ft2为盐冻交替作用下混凝土抗拉强度．10.13245/j.hust.230225.F004图4不同工况下混凝土抗拉强度变化曲线由图4(a)知：混凝土试件抗拉强度规律与抗压强度基本一致，呈现先增加后降低的趋势．随硫酸钠溶液质量分数提高，混凝土抗拉强度峰值出现时间提前，峰值强度有所下降，分别为4.01，3.92和3.89 MPa，较初始状态分别增长了18.4%，15.7%和14.7%．抗拉强度与抗压强度的比值在0.083附近小范围波动．图4(b)反映了不同质量分数硫酸钠溶液盐冻交替作用下混凝土劈裂抗拉强度劣化规律，在盐冻交替循环8次后，3%~9%硫酸钠溶液下的混凝土劈裂抗拉强度依次为2.4，2.1和1.8 MPa，较初始状态分别下降了29.3%，39.13%和47.54%，较同期硫酸盐侵蚀单因素作用分别降低了34.9%，41.1%和45.9%．在盐冻作用初期，由于盐侵作用混凝土密实性提高，冻融循环作用受到抑制，孔隙填充效应大于扩张效应，因此高质量分数硫酸钠溶液浸泡下的混凝土劈裂抗拉强度较高．在盐冻作用后期，膨胀性产物积累过量，孔壁受到硫酸盐结晶产生的结晶压力、侵蚀产物的膨胀力和冻融产生的冻胀力这三种力共同作用，导致孔隙膨胀和开裂，致使混凝土试件的抗拉强度急剧下降．2.5　相对动弹性模量变化图5为硫酸钠溶液侵蚀和盐冻交替下混凝土相对动弹性模量变化曲线，图中：RE1为硫酸盐单因素侵蚀下混凝土相对动弹性模量；RE2为盐冻交替作用下混凝土相对动弹性模量．以初始时刻弹性模量为基准值，将相对动弹性模量定义为混凝土在侵蚀过程中的弹性模量实测值与初始值的比值．10.13245/j.hust.230225.F005图5不同工况下混凝土动弹性模量变化曲线由图5(a)可知：在120 d侵蚀历时下，混凝土试件的相对动弹性模量先增大后减小，其最大值分别为1.056，1.061和1.067．在侵蚀初期，试件内部侵蚀产物提高了混凝土密实度，试件相对动弹性模量相应提高．随膨胀性产物积累，试件孔隙结构劣化，相对动弹性模量逐渐下降．高质量分数硫酸钠溶液中侵蚀反应速率较快，进入劣化阶段时间相应提前．由图5(b)可知：工况SF-1混凝土的相对动弹性模量逐渐降低，工况SF-2和SF-3混凝土的相对动弹性模量均呈先增加后减小的趋势．当硫酸盐侵蚀及盐冻作用交替循环次数达到8次时，混凝土相对动弹性模量分别为0.75，0.67和0.62，随硫酸盐溶液质量分数提高逐渐降低．在盐冻循环后期，混凝土孔隙中硫酸盐溶液饱和结晶水压力增大，侵蚀产物的膨胀力及冻胀压力同时增加，造成混凝土内部结构损伤，相对动弹性模量大大降低，这与文献[19]所述一致．结合抗压强度、质量和相对动弹性模量的变化规律可知：在盐冻作用初期，盐离子可降低溶液冰点，一定程度抑制冻融循环带来的破坏，减弱低温引起的冻胀作用，且硫酸盐侵蚀的结晶产物与反应产物填充到混凝土初始孔隙中，可增加其内部密实度，但随着盐冻循环的不断进行，硫酸盐侵蚀与冻融循环相互促进，对混凝土损伤发展起到了叠加效应，渗透压和盐结晶压力共同作用致使混凝土内部损伤持续累积，力学性能相应降低[20]．3 混凝土损伤演化规律综合比较混凝土抗压强度、质量和相对动弹性模量变化规律，考虑混凝土结构在工程应用中多为受压结构，本研究选取抗压强度构建混凝土损伤度函数．硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤度表达式为Dc1=1-fc1/fc0，式中：Dc1为硫酸盐侵蚀下混凝土抗压强度损伤度，且Dc1≤1；fc0为初始状态下的混凝土试件单轴抗压强度．盐冻交替作用下混凝土损伤度表达式为Dc2=1-fc2/fc0，式中Dc2为盐冻交替作用下混凝土抗压强度损伤度，且Dc2≤1．3.1　硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤演化规律不同质量分数硫酸钠溶液侵蚀下混凝土损伤度变化及拟合曲线如图6所示．由图6可知：不同质量分数硫酸盐侵蚀下混凝土抗压强度损伤度拟合函数的相关系数R2分别为0.985，0.924和0.954，说明采用三次函数曲线描述其损伤演化规律合理．以图中拟合曲线极小值为分界线，可将硫酸盐侵蚀下混凝土损伤演化过程分为如下两个阶段：前期为负损伤阶段，即强度增长阶段；后期为正损伤阶段，即强度降低阶段．随着侵蚀溶液质量分数提高，损伤曲线极值点左移，损伤度到达极小值的时间逐渐提前．根据回归分析结果，可得到各工况不同侵蚀历时下混凝土损伤度的拟合函数为10.13245/j.hust.230225.F006图6硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤度及拟合曲线Dc1=At3+Bt2+Ct，式中A，B和C为损伤度拟合参数．硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗压强度损伤度拟合参数见表2，分别统计了其拟合相关系数R2和均方根误差(RMSE)．10.13245/j.hust.230225.T002表2硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗压强度损伤度拟合参数工况ABCR2RMSES-17.769×10-7-6.826×10-55.555×10-40.9850.006S-22.884×10-7-2.030×10-5-0.0020.9240.012S-37.695×10-82.752×10-5-0.0040.9540.0113.2　盐冻交替作用下混凝土损伤演化规律盐冻交替作用下混凝土损伤度如图7所示．由图7可知：混凝土盐冻损伤演化可分为三个过程，即加速损伤阶段、缓慢损伤阶段和快速损伤阶段．10.13245/j.hust.230225.F007图7硫酸盐侵蚀和冻融循环交替作用下混凝土损伤度随着硫酸钠溶液质量分数提高，加速损伤阶段历时长度缩小，这是由于硫酸钠溶液会降低孔隙水的冰点，降低前期冻融损伤．在发生200次冻融循环，即盐冻交替循环8次后，工况SF-1，SF-2和SF-3混凝土损伤度分别为0.307，0.375和0.454，损伤程度随硫酸盐溶液质量分数提高而增加．混凝土的损伤演化规律与逆S型曲线相符合，因此本研究采用S型曲线的反函数来描述混凝土在盐冻循环作用下的损伤过程．实际工程中常以冻融循环次数作为判断混凝土耐久性的指标，为便于拟合，采用冻融循环次数作为自变量，损伤演化拟合函数定义为Dc2=α+βlnγn+μ+λ，(1)式中：n为冻融循环次数；α，β，γ，μ和λ为待定参数，可通过试验数据测得．对各工况下不同冻融循环次数的混凝土损伤度根据式(1)进行拟合，拟合参数见表3．10.13245/j.hust.230225.T003表3盐冻交替作用下混凝土抗压强度损伤度拟合参数工况αβγμλR2RMSESF-1-0.0680.07527.67654.911-0.1020.9920.244SF-2-0.6280.20386.614584.245-0.1030.9870.289SF-3-0.7990.20828.719459.523-0.0410.9790.351不同冻融循环次数的混凝土损伤演化函数为：Dc2=    -0.068+0.075ln27.676n+54.911-0.102(n∈(0,200),工况SF-1);    -0.628+0.203ln86.614n+584.245-0.103(n∈(0,200),工况SF-2);    -0.799+0.208ln28.719n+459.523-0.041(n∈(0,200),工况SF-3).不同冻融循环次数的混凝土损伤拟合曲线与实测值对比如图8所示．由图8可知：所得关系式拟合精度较高，R2均大于0.95，拟合值与实测值符合较好，能较好地反映混凝土抗压强度损伤度与冻融循环次数的关系．经过盐冻交替作用下的混凝土，其抗压强度变化大致呈现如下三个阶段．第一阶段为加速损伤阶段，这一过程的损伤主要由冻融循环引起，结冰过程中水产生的冻胀力引起混凝土中的微裂缝扩张．随着微裂缝尺寸和数量的增加，混凝土的含水饱和度显著增加，这一重复过程对混凝土造成了严重、不可逆转和加速的损坏．第二阶段为缓慢损伤阶段，这一阶段由于前一阶段的损伤累积，内部裂纹逐渐连接，裂缝内的水自由迁移能力提高，混凝土基体松动，该变化对结冰过程产生的膨胀力有一定缓冲作用，并且由于盐溶液具有降低冰点的作用，使冻涨力进一步降低，因此该阶段不可逆损伤的增长速度较第一阶段缓慢．第三阶段为快速损伤阶段，盐冻循环加剧破坏混凝土，这个阶段盐冻损伤叠加效应明显，穿透性裂纹迅速发展，基体松散程度提高，盐冻造成的损害明显增强．10.13245/j.hust.230225.F008图8盐冻交替作用下混凝土损伤度及拟合曲线4 结论本研究结合混凝土宏观力学性能试验，研究了不同质量分数硫酸盐溶液侵蚀及冻融循环交替作用下混凝土表观形态、力学性能和损伤度变化，探讨盐冻交替作用下水工程混凝土损伤演化规律，得到主要结论如下．a．在单因素硫酸盐侵蚀下，随侵蚀历时增加，混凝土试件力学强度呈先增大后减小的变化趋势；硫酸盐溶液质量分数越高，混凝土性能劣化越显著．相较质量分数为3%的硫酸盐溶液，质量分数为6%和9%硫酸盐溶液侵蚀在120 d后的试件抗压强度分别降低4.9%和10.8%，抗拉强度分别降低5.2%和10.8%．b．三种不同质量分数硫酸盐溶液盐冻交替循环8次后的混凝土试件抗压和抗拉强度平均值较单硫酸盐侵蚀情况分别降低了39.9%和40.7%，盐冻交替作用下混凝土劣化效应较单一硫酸盐侵蚀更为严重．c．在盐冻初期，硫酸盐对冻融损伤起一定抑制作用，随盐冻循环不断进行，硫酸盐侵蚀与冻融循环可相互促进，对混凝土损伤呈叠加效应，且高质量分数硫酸盐溶液下混凝土试件劣化程度更为严重．d．基于抗压强度构建了盐冻交替作用下混凝土强度损伤演化函数．盐冻循环交替作用下混凝土强度损伤演化函数曲线为逆S曲线，其损伤演化可分为加速损伤、缓慢损伤和快速损伤三个阶段．