凍融循環(huán)作用下混凝土的硫酸鹽應(yīng)力腐蝕特性

張?jiān)魄?余紅發(fā),孫 偉,張建業(yè)

(1.南京航空航天大學(xué)土木工程系,南京210016;2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189;3.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司,北京100038)

混凝土的耐久性問(wèn)題一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn),但是研究多集中于單一耐久性因素的作用,實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)往往處于2個(gè)或者2個(gè)以上因素的耦合作用,其中至少包含外部荷載的應(yīng)力作用,目前大量的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的耐久性成果并不能合理反映結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)。1960年前蘇聯(lián)有文獻(xiàn)[1]報(bào)道了混凝土的壓應(yīng)力腐蝕和拉應(yīng)力腐蝕。張志興等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),外部應(yīng)力對(duì)混凝土在5.0%硫酸銨溶液中的化學(xué)腐蝕具有加速作用。林毓梅等[3]研究混凝土的硫酸鹽應(yīng)力腐蝕,指出應(yīng)力促進(jìn)了混凝土的腐蝕膨脹,混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)存在內(nèi)部腐蝕損傷和外部應(yīng)力的負(fù)面效應(yīng)。慕儒等[4-5]則關(guān)注了高強(qiáng)混凝土的硫酸鹽應(yīng)力腐蝕問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越大,腐蝕作用越強(qiáng)。陳拴發(fā)等[6]研究了粉煤灰混凝土的硫酸鹽應(yīng)力腐蝕特性,發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰可有效地提高混凝土的抗應(yīng)力腐蝕能力。這些基于常溫條件下的應(yīng)力腐蝕研究成果,雖然極大地豐富了混凝土的化學(xué)腐蝕理論體系,但是在我國(guó)存在凍融循環(huán)破壞作用的華北濱海鹽漬土和西北硫酸鹽鹽漬土環(huán)境中,仍然難以得到實(shí)際應(yīng)用。余紅發(fā)等[7-12]進(jìn)行的調(diào)查研究表明,西部鹽漬土地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)因受到外部荷載、凍融循環(huán)和化學(xué)腐蝕作用,服役3～5年就遭受嚴(yán)重破壞。因此,選取凍融循環(huán)、35%外部彎曲應(yīng)力和5.0%MgSO4溶液化學(xué)腐蝕為耐久性因素,進(jìn)行常溫和凍融循環(huán)作用下的腐蝕試驗(yàn),研究高強(qiáng)混凝土(High Strength Concrete,HSC)、大摻量礦物摻合料混凝土(High-volumemineral admixturEconcrete,HVMAC)和綜合運(yùn)用引氣劑、高效減水劑、混雜纖維和膨脹劑技術(shù)的高耐久性混凝土(High DurablEConcrete,HDC)的應(yīng)力腐蝕規(guī)律及其與凍融循環(huán)條件之間的規(guī)律性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

采用江蘇嘉新京陽(yáng)水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥,化學(xué)成分見(jiàn)表1。鎮(zhèn)江產(chǎn)風(fēng)選I級(jí)粉煤灰(Fly ash,FA),細(xì)度6.8%,含水率 0.04%,需水量比93%。江蘇江南粉磨公司的S95級(jí)磨細(xì)礦渣(Slag,SG),比表面積461m2/kg。?？蠂?guó)際貿(mào)易(上海)有限公司提供的?？吓莆⒐璺?Silica Fume,SF),平均粒徑為0.2μm。安徽巢湖速凝劑總廠生產(chǎn)的鋁酸鹽混凝土膨脹劑(AluminatEExpansivEAgent,AEA),FA、SG、SF和AEA的化學(xué)成分見(jiàn)表1。南京產(chǎn)黃砂,表觀密度2 500 kg/m3,堆積密度1 615 kg/m3,含泥量1.0%,細(xì)度模數(shù)2.72,屬于Ⅱ區(qū)級(jí)配,中砂。南京六合產(chǎn)玄武巖碎石,最大粒徑10mm,表觀密度2 820 kg/m3,堆積密度1 435 kg/m3,含泥量0.3%,針片狀顆粒含量11.4%,壓碎指標(biāo)6%,基本屬于5～10mm連續(xù)級(jí)配。常州市天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)的束狀單絲聚丙烯纖維,密度0.91 g/m3,長(zhǎng)度 19mm,直徑0.048mm,彈性模量≥3.5 GPa。北京海達(dá)工順科技有限公司生產(chǎn)的工順牌GS-2005-3啞鈴型鋼纖維,長(zhǎng)度20mm,等效直徑0.45mm,長(zhǎng)徑比44.4,彈性模量200 GPa。上海華登外加劑廠生產(chǎn)的HP400R型聚羧酸緩凝高效減水劑,減水率30%以上,無(wú)氯離子,堿含量小于減水劑干重的1%。江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的JM-B型萘系高效減水劑,減水率達(dá)20%以上,Na2SO4含量小于2%,氯離子含量小于0.01%。江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的液體JM-2000c高效引氣劑,推薦摻量為萬(wàn)分之0.5～1.0。

表1 原材料化學(xué)成分 /(Wt?t-1)

續(xù)表1

1.2 混凝土配合比

實(shí)驗(yàn)制備了 HSC、HVMAC和 HDC,其中,HSC摻加了20%FA,水膠比為0.43;HVMAC摻加了40%FA、10%SG和5%SF,水膠比為0.23;HDC是在 HVMAC基礎(chǔ)上引氣、并摻加10%AEA,同時(shí)運(yùn)用混雜纖維(0.1%聚丙烯纖維+0.7%鋼纖維)增強(qiáng)技術(shù),水膠比為0.24。表2是不同混凝土的配合比和基本性能,礦物摻合料和外加劑的計(jì)量采用總膠體材料的質(zhì)量比,纖維的計(jì)量采用混凝土混凝土的體積比,28 d抗壓強(qiáng)度的立方體試件邊長(zhǎng)為100mm,耐久性試件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的40mm×40mm×160mm棱柱體。

表2 混凝土的配合比和性能

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

常溫腐蝕實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的塑料腐蝕池中進(jìn)行,室內(nèi)溫度范圍控制在20℃±5℃。凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)執(zhí)行GBJ 82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法》中的“快凍法”,凍融設(shè)備采用CDR-2型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)。試件中心溫度分別控制在-17℃±2℃和8℃±2℃。在腐蝕實(shí)驗(yàn)周期內(nèi),每天進(jìn)行6次凍融循環(huán)次數(shù)。腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量濃度5.0%的MgSO4溶液。應(yīng)力腐蝕的加載裝置采用慕儒等[5]設(shè)計(jì)的雙彈簧加載架(圖1),每組加載3個(gè)試件,施加的彎拉應(yīng)力比、即彎曲應(yīng)力與破壞應(yīng)力的比值為0.35。測(cè)試參數(shù)是試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量,采用NM-4B型非金屬超聲波檢測(cè)分析儀測(cè)定混凝土試件的動(dòng)彈性模量,混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量Er可用下式計(jì)算[13]:

其中,E0和v0分別為混凝土實(shí)驗(yàn)前的初始動(dòng)彈性模量和超聲波速度,Et和vt分別為混凝土經(jīng)過(guò)一定腐蝕階段或者凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)彈性模量和超聲波速度。當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%或者發(fā)生脆性斷裂時(shí),認(rèn)為混凝土試件發(fā)生了耐久性破壞。

圖1 試件加載裝置[5]

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融循環(huán)對(duì)HSC應(yīng)力腐蝕的影響規(guī)律

圖1是HSC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。由圖可見(jiàn),在5.0%MgSO4溶液的應(yīng)力腐蝕作用下,無(wú)論是常溫條件還是凍融循環(huán)條件,HSC的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化要經(jīng)歷2個(gè)發(fā)展階段:強(qiáng)化段和劣化段。在腐蝕實(shí)驗(yàn)的初期,因腐蝕產(chǎn)物在混凝土毛細(xì)孔內(nèi)部的填充密實(shí)效應(yīng)以及FA的火山灰活性水化效應(yīng),混凝土試件都存在相對(duì)動(dòng)彈性模量的增長(zhǎng)階段,對(duì)于常溫應(yīng)力腐蝕,HSC達(dá)到最高相對(duì)動(dòng)彈性模量115%時(shí),這種初期強(qiáng)化段的時(shí)間長(zhǎng)度為105 d;對(duì)于凍融循環(huán)下的應(yīng)力腐蝕,達(dá)到最高相對(duì)動(dòng)彈性模量113%的初期強(qiáng)化段的時(shí)間長(zhǎng)度是27次凍融循環(huán),相當(dāng)于4.5 d。當(dāng)混凝土試件達(dá)到最高相對(duì)動(dòng)彈性模量之后,隨著應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)入劣化段。在劣化段,混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的降低速度與溫度條件有密切的關(guān)系,在常溫條件下的降低速度比較緩慢,而且在300 d之后出現(xiàn)波動(dòng)性下降,在600 d時(shí)其相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到了89%,還沒(méi)有達(dá)到破壞指標(biāo);在凍融循環(huán)作用下,相對(duì)動(dòng)彈性模量快速下降,在425次凍融循環(huán)(對(duì)應(yīng)于71 d)時(shí)下降到63%,隨后混凝土試件很快發(fā)生了斷裂破壞。分析表明,混凝土應(yīng)力腐蝕進(jìn)入劣化段的發(fā)展結(jié)果,就是混凝土發(fā)生耐久性破壞,因而,混凝土發(fā)生劣化的速度越慢,從開(kāi)始劣化到破壞的時(shí)間長(zhǎng)度就越長(zhǎng),混凝土的耐久性就越好。

圖1 HSC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,HSC在快速凍融循環(huán)作用下,MgSO4應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)化段和劣化段的時(shí)間長(zhǎng)度比常溫條件的相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度分別壓縮了96%和88%以上,因此,凍融循環(huán)作用大大地加劇了HSC在5.0%MgSO4溶液條件下的應(yīng)力腐蝕破壞進(jìn)程,其破壞機(jī)理是:混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在界面、孔隙等原生微裂縫,外加應(yīng)力在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部引發(fā)新的微裂紋,并使原生微裂紋擴(kuò)展和相互連通[14],成為一個(gè)空間微裂紋網(wǎng)絡(luò),硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物在微裂紋面上和裂尖處結(jié)晶生長(zhǎng)、結(jié)晶應(yīng)力,從而推動(dòng)微裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展、最終導(dǎo)致混凝土的脆性破壞。當(dāng)應(yīng)力腐蝕發(fā)生在凍融循環(huán)的溫度環(huán)境中,混凝土內(nèi)部微裂紋網(wǎng)絡(luò)的裂紋面和裂尖同時(shí)存在了腐蝕產(chǎn)物的結(jié)晶應(yīng)力、凍融循環(huán)時(shí)溶液結(jié)冰的凍脹力[15-17]的疲勞作用。

2.2 HVMAC在常溫和凍融循環(huán)作用下的應(yīng)力腐蝕特性

圖2是HVMAC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律。由圖可見(jiàn),HVMAC在5.0%MgSO4溶液的應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量規(guī)律與HSC類似,同樣存在強(qiáng)化段和劣化段。HVMAC常溫應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)化段時(shí)間長(zhǎng)度為105 d,由于摻加了更多的礦物摻合料,火山灰效應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物更多,因而強(qiáng)化段的最高相對(duì)動(dòng)彈性模量比HSC要高,達(dá)到了121.9%。在凍融循環(huán)作用下,HVMAC應(yīng)力腐蝕強(qiáng)化段的時(shí)間長(zhǎng)度為15次凍融循環(huán),相當(dāng)于2.5 d,對(duì)應(yīng)的最高相對(duì)動(dòng)彈性模量為109.9%。

圖2 HVMAC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

在應(yīng)力腐蝕的劣化段,凍融循環(huán)作用下HVMAC的相對(duì)動(dòng)彈性模量急劇下降,在75次凍融循環(huán)(相當(dāng)于12.5 d)時(shí),相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到68.1%,之后混凝土試件發(fā)生突然的脆性斷裂。相對(duì)而言,常溫條件下,HVMAC的相對(duì)動(dòng)彈性模量經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力腐蝕之后,到500 d才開(kāi)始快速降低,在600 d時(shí)下降到58.4%,達(dá)到了耐久性破壞標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn),與常溫條件相比,凍融循環(huán)作用下HVMAC的應(yīng)力腐蝕的劣化段時(shí)間長(zhǎng)度壓縮了98%。這同樣證明,凍融循環(huán)作用加速了HVMAC的MgSO4應(yīng)力腐蝕破壞。

比較圖2與圖1的結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn),無(wú)論是常溫條件,還是凍融循環(huán)條件,低水膠比(0.23)的HVMAC的抗應(yīng)力腐蝕能力,明顯不如較高水膠比(0.43)、低摻量礦物摻合料的HSC。這表明,即使采用低水膠比和大摻量礦物摻合料的技術(shù)方案,并不能顯著改善混凝土在MgSO4溶液環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為。

2.3 應(yīng)力腐蝕作用下HDC的抗凍性能

圖3示出了HDC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化。結(jié)果表明,HDC的MgSO4應(yīng)力腐蝕同樣存在相對(duì)動(dòng)彈性模量的強(qiáng)化段和劣化段,因而屬于一種普遍規(guī)律。由于HDC采用了(膨脹劑+引氣劑+混雜纖維)的復(fù)合技術(shù),盡管HDC的常溫應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)化段時(shí)間長(zhǎng)度仍然是105 d,但是在凍融循環(huán)作用下其應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)化段時(shí)間長(zhǎng)度則大大延長(zhǎng),達(dá)到了600次凍融循環(huán),相當(dāng)于100 d,分別比HSC和HVMAC延長(zhǎng)了21倍和39倍,強(qiáng)化段的最高相對(duì)動(dòng)彈性模量則與HVMAC類似。

在MgSO4應(yīng)力腐蝕的劣化段,常溫條件下HDC的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降,在250 d之后出現(xiàn)波動(dòng)性降低,在600 d時(shí)降低到65.6%,仍然高于HVMAC的數(shù)值(58.4%)。在凍融循環(huán)作用下,HDC相對(duì)動(dòng)彈性模量的劣化段降低速度雖然比常溫條件加速了,但是與相同條件下的 HSC和HVMAC相比較,仍然是放慢了速度,到1 050次凍融循環(huán)(相當(dāng)于175 d)時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為68%,隨后發(fā)生斷裂破壞。因此,凍融循環(huán)作用仍然加快了HDC的MgSO4應(yīng)力腐蝕破壞進(jìn)程,其劣化段的時(shí)間長(zhǎng)度比常溫條件壓縮了71%。對(duì)照兩種溫度條件,HDC的MgSO4應(yīng)力腐蝕的劣化段時(shí)間長(zhǎng)度之間的差異已經(jīng)大大縮短了,表明HDC在凍融循環(huán)作用下的抗應(yīng)力腐蝕能力大大增強(qiáng)。

將圖3與圖1和圖2進(jìn)行比較,可看出,在常溫條件(對(duì)應(yīng)中國(guó)溫暖地區(qū))下,較高水膠比(0.43)、低摻量礦物摻合料的HSC具有較強(qiáng)的抗硫酸鹽應(yīng)力腐蝕能力。但是,在凍融循環(huán)(對(duì)應(yīng)于中國(guó)的寒冷地區(qū))作用下,采用(膨脹劑+引氣劑+混雜纖維)復(fù)合技術(shù)的低水膠比(0.24)、大摻量礦物摻合料的HDC,發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞的凍融循環(huán)次數(shù)分別比HSC和HVMAC延長(zhǎng)了1.5倍和13倍,表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗硫酸鹽應(yīng)力腐蝕能力。

圖3 HDC在常溫和凍融循環(huán)作用下應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

3 結(jié)論

1)在MgSO4應(yīng)力腐蝕作用下,混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化要經(jīng)歷強(qiáng)化和劣化2個(gè)發(fā)展階段。強(qiáng)化段和劣化段的時(shí)間長(zhǎng)度與耐久性實(shí)驗(yàn)的溫度條件有關(guān)。腐蝕產(chǎn)物對(duì)毛細(xì)孔內(nèi)部的填充密實(shí)效應(yīng)以及礦物摻合料的火山灰活性水化效應(yīng),是混凝土產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕強(qiáng)化段的根本原因?；炷翍?yīng)力腐蝕進(jìn)入劣化段的發(fā)展結(jié)果,必將導(dǎo)致混凝土發(fā)生耐久性破壞。

2)在MgSO4溶液環(huán)境條件下,凍融循環(huán)作用大大地加劇了混凝土的應(yīng)力腐蝕破壞進(jìn)程,其破壞機(jī)理是:外加應(yīng)力引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂紋的引發(fā)、擴(kuò)展和貫通,在形成的微裂紋網(wǎng)絡(luò)的裂紋面和裂尖,同時(shí)存在腐蝕產(chǎn)物的結(jié)晶應(yīng)力以及溶液凍脹力的疲勞作用。

3)無(wú)論是常溫條件,還是凍融循環(huán)條件,低水膠比HVMAC的抗應(yīng)力腐蝕能力,明顯不如較高水膠比、低摻量礦物摻合料的HSC。

4)采用高效引氣、混雜纖維增強(qiáng)和膨脹劑的綜合技術(shù)方案制備的HDC,發(fā)生硫酸鹽應(yīng)力腐蝕破壞的凍融循環(huán)次數(shù)高達(dá) 1 050次,分別比 HSC和HVMAC延長(zhǎng)了1.5倍和13倍,因而能夠顯著地提高低水膠比HVMAC的抗硫酸鹽應(yīng)力腐蝕能力。因此,在我國(guó)存在凍融循環(huán)破壞作用的華北濱海鹽漬土和西北硫酸鹽鹽漬土環(huán)境中,建議采用高效引氣、混雜纖維增強(qiáng)和膨脹劑的綜合技術(shù)配制混凝土。

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