軸向拉壓荷載對水泥膠砂傳輸性能的影響

王耀城，王少華，鐘鎮(zhèn)灝，劉 偉，董必欽，郭軍輝

1)深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東深圳518060；2)中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北武漢430000

【建筑與土木工程 / Architecture and Civil Engineering】

軸向拉壓荷載對水泥膠砂傳輸性能的影響

王耀城1，王少華1，鐘鎮(zhèn)灝1，劉 偉1，董必欽1，郭軍輝2

1)深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室，廣東深圳518060；2)中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北武漢430000

采用軸向拉伸與壓縮的方式，對混凝土最重要的組分水泥膠砂施加非破壞性的不同級別的荷載，研究在持續(xù)荷載作用下材料受力與碳化和氯離子侵蝕速度之間的關(guān)系．結(jié)果表明，在試驗研究的應(yīng)力區(qū)間內(nèi)，拉壓(應(yīng)力)分別增加(降低)了碳化和氯離子侵蝕速度；應(yīng)力對氯離子傳輸速率的影響比對碳化的影響更加明顯；相對非破壞性的拉力荷載，壓力荷載對材料的傳輸系數(shù)可能會產(chǎn)生相對較大的影響．

結(jié)構(gòu)工程；防災(zāi)減災(zāi)工程；砂漿；軸向拉壓荷載；碳化；氯離子侵蝕；多相；傳輸模型

在混凝土結(jié)構(gòu)的使用過程中，環(huán)境中的CO2和Cl-會通過擴散作用從混凝土表面向內(nèi)部鋼筋移動，導(dǎo)致鋼筋產(chǎn)生銹蝕．此現(xiàn)象是現(xiàn)階段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性領(lǐng)域普遍關(guān)注的一個重要問題，已有諸多學(xué)者對此兩種傳輸過程的機理及規(guī)律開展了廣泛研究[1-9]．在已經(jīng)展開的研究中，為便于分析CO2和Cl-在混凝土中的運動規(guī)律，許多研究者把混凝土假想為一種均勻材料，忽略其內(nèi)部砂漿、界面過渡區(qū)和骨料具有的不同的傳輸性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能．此假設(shè)對研究混凝土在真實服役情況下，CO2和Cl-的傳輸過程帶來了問題．由于砂漿、界面過渡區(qū)和骨料的力學(xué)性能均不同，真實服役的混凝土在自重和外部荷載等外力作用下，將產(chǎn)生不同程度的變形，承擔不同大小的荷載，進而引起傳輸性能各異．如在較大外部荷載作用下，力學(xué)強度較低的界面過渡區(qū)承受了很大應(yīng)力，部分區(qū)域會產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致傳輸速度驟增，但此時混凝土宏觀上仍保持相對完整．因此，在荷載作用下，諸多基于實驗室展開的無明顯荷載作用時CO2和Cl-在混凝土內(nèi)部傳輸?shù)难芯砍晒麑⒉辉龠m用．目前，針對混凝土在荷載作用下的傳輸過程研究相對較少．有學(xué)者采用彎曲的方式對混凝土進行加載．此類研究中，試樣截面不同位置處所受拉壓應(yīng)力數(shù)值相差明顯，所得滲透深度結(jié)果無法進行深入分析，且結(jié)果一般具有較大的離散性．另一部分學(xué)者研究了加載后再卸載的混凝土的傳輸性能．所得結(jié)果實際上反映的是混凝土受載后的損傷程度，與服役條件下混凝土經(jīng)受持續(xù)荷載作用的情況不符．因此，為了深入探討荷載對混凝土中CO2和Cl-傳輸性能的影響，需要對持續(xù)軸向荷載作用下，砂漿、界面過渡區(qū)和骨料內(nèi)的傳輸性能進行系統(tǒng)研究．

本研究通過試驗研究了混凝土中砂漿部分在軸向拉壓荷載作用下CO2和Cl-傳輸?shù)淖兓?guī)律．研究結(jié)果可精準全面地揭示CO2和Cl-在真實服役的鋼筋混凝土中的傳輸狀態(tài)，為現(xiàn)有混凝土多相傳輸模型提供數(shù)據(jù)支撐[10-15]，也為更加準確和深入的預(yù)測Cl-在混凝土中的有效擴散系數(shù)提供試驗數(shù)據(jù)．

1 試驗設(shè)計

1.1 試件制備、養(yǎng)護及預(yù)處理

由于在對試件進行拉伸加載時，為盡量使試件中段有效測試部位達到均勻受拉的目的，在滿足圣維南原理要求的情況下，采用截面尺寸相對較小的40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件，這樣既可避免儀器設(shè)備的制約，又盡量減小甚至避免了因外部夾持帶來的端部局部應(yīng)力集中．在拉應(yīng)力均勻施加方面，參考文獻[16]并綜合考慮各種因素后，本研究采用依靠夾具和試件端部摩擦力的方法來實現(xiàn)均勻拉力的加載．

按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》制備40 mm×40 mm×160 mm標準水泥膠砂試件．原材料為粵秀牌P-II42.5R硅酸鹽水泥，國家標準砂、自來水．試樣膠砂比為1∶23， 水膠比為0.5．新制備的水泥膠砂樣品在鐵制三聯(lián)模中成型，成型24 h后脫模，靜置于恒溫自來水水池中((20±3) ℃)養(yǎng)護至28 d．本試驗采用配比所得試件的28 d抗壓強度和軸向抗拉強度分別為40 MPa和7.48 MPa．

在試件進行加載前，對氯離子侵蝕和碳化的試件進行相對濕度預(yù)處理，具體步驟為：①氯離子傳輸試件在28 d飽水狀態(tài)下施加拉壓荷載；②碳化試件在加載前先均化試件內(nèi)部相對濕度至65%左右(試件于溫度為(20±3) ℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕養(yǎng)護箱中靜置14 d)．隨后，將每個試件用環(huán)氧樹脂進行密封，僅將一個40 mm×160 mm的側(cè)面暴露在空氣中，以期使試件內(nèi)部形成一維的碳化和氯離子侵蝕過程．

1.2 荷載施加

本研究旨在探求材料承受的軸向應(yīng)力對其傳輸過程的影響．試驗過程中材料承受的應(yīng)力級別是通過試件的極限抗拉/抗壓荷載設(shè)計的[9]．由文獻[17]可知，當混凝土受到的壓力大于其極限抗壓強度的40%時，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生微裂縫，使其傳輸性能明顯變化；卞雷等[18]認為，在混凝土受到拉應(yīng)力大于其極限應(yīng)力的60%時，將產(chǎn)生明顯裂縫．本研究希望盡量避免由裂縫帶來的傳輸性能變化．因此，設(shè)計的研究強度范圍指定為40%fc、無應(yīng)力至60%ft．其中，fc和ft分別為材料的抗壓和抗拉強度(針對本試驗所用材料及配合比，其強度值分別為40.00和7.48 MPa)．研究表明，壓力對傳輸性能的影響相對拉力偏弱[19-20]．因此在本試驗壓力階段選擇40%fc和20%fc兩個應(yīng)力水平，而在拉力階段選擇20%ft、40%ft和60%ft3個應(yīng)力水平．對試件施加軸向拉力的儀器為上虞市拓展儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZY-3系列數(shù)顯式錨桿拉力計，額定最大拉力為30 kN，精度為0.01 kN(本試驗施加的最大拉力荷載為1.54 kN)；施加壓力的儀器為深圳大學(xué)MTS300噸級微機控制電液壓伺服壓力試驗機，額定最大壓力為3 MN，精度為0.01 kN．本試驗施加的最大壓力荷載為12.8 kN．

采用的拉伸與壓縮裝置示意圖和對應(yīng)的加載步驟見圖1．

圖1 拉伸與壓縮裝置荷載施加過程Fig.1 Loading process of stretching and compressing device

1.3 碳化及氯離子侵入試驗

1.3.1 碳化實驗

將施加荷載后的試件放入碳化箱中，碳化箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)置溫度為(20±3)℃，相對濕度為(65±3)%，CO2體積分數(shù)為(5.0±0.3)%．待試件的碳化齡期t依次達到2、4和8周時，將試件取出，卸除荷載，對橫截面方向進行劈裂，在新劈裂的斷面處，依照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試規(guī)范標準，采用質(zhì)量分數(shù)為1%的酚酞溶液測試試件的碳化深度，測試時采用游標卡尺在滲透區(qū)域均勻的地方選取5個位置，記錄測量后的數(shù)據(jù)．

1.3.2Cl-滲透實驗

將施加荷載后的試件及加力裝置共同放入裝有質(zhì)量濃度為165g/L的NaCl溶液的塑料箱中，將箱子用塑料薄膜覆蓋，減緩實驗過程中水分蒸發(fā)．當浸沒時間達到2、4和8周時，將試件取出、卸除荷載、劈裂，并在新劈裂的斷面噴灑0.1mol/L的AgNO3溶液，并測試Cl-的侵入深度．

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 碳化試驗結(jié)果

圖2為在不同應(yīng)力等級作用下，各個碳化齡期的碳化深度結(jié)果．其中，直方圖為不同碳化齡期的測試結(jié)果．

由圖2可見，不同齡期結(jié)果的誤差線表明測試結(jié)果具有一定的離散性．在同一應(yīng)力級別作用下，隨著碳化齡期增加，碳化深度總體呈增加趨勢，且前期的碳化深度增加比后期更明顯；但40%fc試件的結(jié)果稍有不同，碳化4周試件的碳化深度高于8周的試驗結(jié)果，其原因可能是由于試件個體間的差異和試驗過程中的操作誤差造成的．為了降低試驗過程中誤差的影響，將3個碳化齡期的測試結(jié)果進行平均，并與應(yīng)力等級進行比較(圖2中平均值曲線)，用來分析拉(壓)應(yīng)力對碳化過程影響．需要指出的是，平均值中所體現(xiàn)的碳化深度并不代表某個齡期下的碳化深度，但可作為統(tǒng)計學(xué)指標，分析不同級別的應(yīng)力對試件碳化深度的影響．

圖2 碳化深度與應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relationship between carbonation depth and different stress levels

由圖2還可見，隨著應(yīng)力從-16.00 MPa提升至0 MPa，進而增至0.96 MPa，試件的碳化深度漸增．在壓應(yīng)力作用下，隨著應(yīng)力的增大，碳化深度明顯減小，且減幅急?。辉诶瓚?yīng)力階段，隨著應(yīng)力的增大，碳化深度總體呈增大趨勢，但變化幅度較?。谒械膽?yīng)力級別中，隨著碳化時間的增加，CO2的傳輸更加深入，碳化深度增大．相對于碳化4～8周，碳化早期階段(0～4周)碳化深度的增加更明顯．這可能是因為隨著碳化齡期的增長，碳化生成了越來越多的碳酸鈣，填充了材料的孔結(jié)構(gòu)，隨著碳化齡期增長，這種填充效果越來越明顯，影響了CO2傳輸效率，因而，碳化深度的增加呈減緩趨勢．在較大的壓應(yīng)力40%fc作用下，這種影響尤為突出．在拉應(yīng)力作用階段，碳化深度隨著時間的增加而增加，且應(yīng)力大小對碳化深度增加的影響作用不明顯，但在壓應(yīng)力作用下，應(yīng)力大小對碳化深度影響顯著．這可能是由于壓應(yīng)力的作用使微觀孔結(jié)構(gòu)尺寸減小，從而降低了CO2在孔隙中的傳輸效率，降低了碳化深度；相反，拉應(yīng)力的作用促使微觀孔結(jié)構(gòu)尺寸增大，提高了CO2的傳輸速率，從而使碳化深度增加．壓應(yīng)力的絕對數(shù)值相比拉應(yīng)力多出十幾倍，其對孔結(jié)構(gòu)的影響作用明顯大于拉應(yīng)力，所以在壓應(yīng)力作用區(qū)碳化深度變化比拉應(yīng)力作用區(qū)要大．本試驗所得結(jié)果與田浩等[21]報道的混凝土受力作用下碳化研究結(jié)果類似，拉力作用加快了碳化，壓力作用減緩了碳化．可以認為是砂漿試件在不同應(yīng)力狀態(tài)下碳化速度不同，在拉應(yīng)力作用下，內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)擴張，甚至出現(xiàn)微細裂縫擴展，使CO2容易擴散，以致碳化速度加快；受到壓應(yīng)力時，內(nèi)部大量的微細裂縫閉合可能寬度減小，抑制了CO2的擴散，碳化速度減慢．這與肖佳等[22]的觀點一致．

圖3 應(yīng)力作用下碳化深度與的關(guān)系 Fig.3 Relationship between carbonation depth and under stresses

2.2 Cl-滲透試驗結(jié)果

圖4為不同應(yīng)力作用下Cl-侵蝕深度結(jié)果．由圖4可見，在3個不同測試齡期中，不同應(yīng)力作用對Cl-侵蝕深度的影響呈現(xiàn)了大致相同的趨勢．從40%fc至無應(yīng)力狀態(tài)，再至60%ft作用下，Cl-侵蝕深度逐漸增加．部分試件的測試結(jié)果存在些許可能由試件個體間的差異及本測試方法的測試精度導(dǎo)致的結(jié)果波動．為了降低此類偏差的影響，可以通過測試的3個齡期的Cl-侵蝕深度平均值來衡量應(yīng)力作用對Cl-侵蝕速度的影響．

由圖4可見，在各拉應(yīng)力級別的作用下，隨著侵蝕齡期的增加，試件的侵蝕深度總體呈增加趨勢．隨著應(yīng)力從-16.00 MPa提升至0 MPa進而增至0.96 MPa，試件的Cl-侵蝕深度逐漸增加．其中，在壓應(yīng)力作用階段，隨著應(yīng)力的增大，Cl-侵蝕深度減小明顯；在拉應(yīng)力階段，雖然應(yīng)力增大的絕對值相對較小，但Cl-侵蝕深度仍然呈現(xiàn)出相對較明顯的增大趨勢．試驗結(jié)果說明，拉應(yīng)力作用促進了Cl-的傳輸，而壓應(yīng)力對傳輸過程起到了抑制作用．涂永明等[23]也得到了類似的結(jié)果，即在拉應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的Cl-等效擴散系數(shù)呈線性增長；而在壓應(yīng)力狀態(tài)下，等效擴散系數(shù)逐漸減?。?/p>

圖4 Cl-侵蝕深度與應(yīng)力關(guān)系Fig.4 Relationship between chloride ingress depth and stress

對比圖2和圖4試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力作用對試件碳化和Cl-侵蝕的作用效果基本一致，因此可推斷出其原理也基本類似，即當CO2和Cl-在水泥膠砂材料不同尺度的孔隙中傳輸時，拉(壓)應(yīng)力分別增大/減小了傳輸通道的尺寸，導(dǎo)致兩種物質(zhì)傳輸速度發(fā)生變化；應(yīng)力越大，通道尺寸改變程度越明顯，宏觀性能上顯示的對侵蝕深度的影響也越明顯．

在拉(壓)應(yīng)力作用下，試件的孔結(jié)構(gòu)相應(yīng)的發(fā)生擴張/收縮，使能夠通過單位截面的Cl-摩爾數(shù)量增加/減小，增大/減小了Cl-的傳輸速率；拉(壓)應(yīng)力的大小對孔隙的影響程度不同，應(yīng)力數(shù)值越大，對孔隙的結(jié)構(gòu)改變越大，導(dǎo)致Cl-侵蝕深度也越大．所以在拉(壓)應(yīng)力區(qū)，曲線是隨著應(yīng)力的增大而呈現(xiàn)上升/下降趨勢．由于壓應(yīng)力的數(shù)值是拉應(yīng)力數(shù)值的十幾倍，所以壓應(yīng)力作用區(qū)域?qū)l-傳輸?shù)挠绊懸壤瓚?yīng)力作用區(qū)域大得多．

因此可認為，在軸向受拉荷載作用下，試件內(nèi)部受到應(yīng)力作用使內(nèi)部產(chǎn)生損傷，在微觀尺度上表現(xiàn)為孔隙結(jié)構(gòu)特征的改變，這種損傷逐漸積累致使微裂縫擴展、孔隙迂曲度降低和孔隙連通性增大，促進了Cl-的傳輸；在軸向受壓荷載作用下，試件內(nèi)部原先存在的微裂縫在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生閉合現(xiàn)象，整體降低了孔隙尺寸，也使部分連通孔閉合，嚴重阻滯Cl-的傳輸．這與付傳清等[9]關(guān)于應(yīng)力下Cl-在混凝土中傳輸狀況的觀點基本一致．

2.3 應(yīng)力作用對碳化和Cl-滲透的不同影響

圖5對比了各應(yīng)力狀態(tài)下試件內(nèi)部的碳化及氯離子侵蝕深度(3個齡期的平均值)，以及與無應(yīng)力狀態(tài)(0 MPa)相比，研究的各個等級的拉(壓)應(yīng)力對碳化和Cl-侵蝕深度的影響．數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：在本次測試的水泥膠砂試件中，碳化深度(2.0～3.5 mm)明顯低于Cl-滲透深度(8～12 mm)．兩結(jié)果的不同除了由于材料抵抗CO2和Cl-侵蝕能力的差異外，還可能由于不同測試方法原理導(dǎo)致的差異．本次試驗中，碳化深度采用酚酞測試法，其測試原理是以材料中pH值接近9作為判斷是否碳化的標準，而測出的碳化深度值在理論上必定小于真實碳化深度[24]；而AgNO3測試的Cl-侵入深度是以Cl-參加反應(yīng)完全生成白色沉淀，并可通過肉眼觀察到，作為侵入深度判斷標準(一般情況下，此時變色邊界Cl-濃度約為凝膠材料質(zhì)量的0.01%～0.40%[25]，基本可認為是真實的Cl-侵入深度)．

圖5 拉壓應(yīng)力作用下碳化和Cl-侵蝕對比 Fig.5 Comparison of carbonation and chloride ingress under stresses

此外，雖然拉壓應(yīng)力對兩種傳輸作用的影響類似，可歸結(jié)為應(yīng)力對物質(zhì)傳輸通道尺寸的影響，但與CO2相比，應(yīng)力對Cl-的傳輸更加敏感，相同拉(壓)應(yīng)力作用下，Cl-滲透深度變化的幅度比碳化變化幅度更明顯，如40%fc作用下，Cl-滲透深度降低至無應(yīng)力狀態(tài)下的54%，相對應(yīng)的碳化程度降低為無應(yīng)力狀態(tài)下的66%．原因可能是，當壓應(yīng)力作用使孔的尺寸明顯減小時，孔壁對孔溶液中運動的Cl-的物理(毛細管作用)和化學(xué)(與水泥基材料反應(yīng))吸附作用變得更顯著．CO2是以氣體分子的形式在孔結(jié)構(gòu)中傳輸，孔結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下的改變，對其傳輸?shù)挠绊懼饕怯煽捉Y(jié)構(gòu)幾何尺寸的改變帶來的．相對孔尺寸改變對傳輸過程的影響，CO2與水泥基材料反應(yīng)的過程對傳輸?shù)挠绊懖⒉幻黠@．

3 結(jié) 論

本研究通過對比水泥膠砂材料在不同等級的軸向拉伸與壓縮外力作用下，碳化和Cl-侵蝕深度的變化，研究了外力作用對水泥膠砂材料傳輸性能的影響．通過對試驗結(jié)果的分析，可得到以下結(jié)論：

1)施加在水泥膠砂材料上的拉(壓)荷載，會改變材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，影響物質(zhì)在其中的運動速率；拉力荷載增大孔的尺寸，導(dǎo)致傳輸加速；壓力荷載減小孔的尺寸，導(dǎo)致傳輸速度降低．

2)應(yīng)力作用對Cl-傳輸?shù)挠绊懕绕鋵μ蓟^程的影響更敏感．在各個級別荷載的作用下，如極限抗拉強度的60%和極限抗壓強度的40%，試件的碳化深度分別增加10%和降低34%，而Cl-滲透深度分別增加15%和降低46%．產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是，壓應(yīng)力作用使孔結(jié)構(gòu)縮小，孔壁對孔溶液中運動的Cl-受到的物理和化學(xué)吸附作用更顯著；而CO2氣體分子相對孔尺寸的改變，與水泥基材料反應(yīng)的過程對傳輸影響并不明顯．

3)在通過模擬研究荷載作用下混凝土內(nèi)部傳輸過程時，將未產(chǎn)生明顯裂紋部分認為是未受到損傷，從而認定其擴散系數(shù)不變的假設(shè)是不正確的．除此之外，精確的模擬過程還應(yīng)考慮到Cl-和CO2等傳輸物質(zhì)的不同性質(zhì)．

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【中文責編：英 子；英文責編：之 聿】

2016-11-19；Revised：2017-03-05；Accepted：2017-05-24

Professor Dong Biqin. E-mail: incise@szu.edu.cn

Effect of axial tensile and compressive loads on transport properties of cement mortar

Wang Yaocheng1, Wang Shaohua1, Zhong Zhenhao1, Liu Wei1, Dong Biqin1, and Guo Junhui2

1)College of Civil Engineering, Shenzhen University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China 2)No.6 Branch, China Communications Construction Company Second Harbor Engineering Co.Ltd., Wuhan 430000, Hubei Province, P.R.China

Different degree of axial non-destructive compressive and tensile loadings are applied on cement mortar to study the influence of continuous loading on speed of carbonation and chloride ingress. Results show that within the range of the applied forces, compressive or tensile loading decreases or increases the ingress speed of CO2and Cl-, respectively. Comparing with that for carbonation, influence of loading on speed of Cl-ingress is more obvious. In comparison to that of tensile loading, compressive force may lead to more significant impact on transport properties.

structural engineering; disaster prevention and reduction engineering; mortar; axial tensile and compressive loads; carbonation; chloride ingress; multiphase; transport model

：Wang Yaocheng, Wang Shaohua, Zhong Zhenhao, et al. Effect of axial tensile and compressive loads on transport properties of cement mortar[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(4): 408-414.(in Chinese)

TU 502

A

10.3724/SP.J.1249.2017.04408

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408366, 51520105012, 51478271)；深圳大學(xué)新引進教師科研啟動資助項目(201546)；深圳市科技創(chuàng)新委資助項目(JCYJ20150324 141711682)

王耀城(1984—)，男，深圳大學(xué)博士研究生．研究方向：濱海環(huán)境下混凝土的耐久性研究．E-mail: wangyc_szu@126.com

Foundation：National Natural Science Foundations of China (51408366, 51520105012, 51478271)；New Research Project Sponsored by Shenzhen University(201546)；Project supported by Shenzhen Science and Technology Innovation Commission(JCYJ20150324141711682)

引 文：王耀城，王少華，鐘鎮(zhèn)灝，等．軸向拉壓荷載對水泥膠砂傳輸性能的影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2017，34(4)：408-414.