水泥砂漿受硫酸鈉侵蝕時(shí)力學(xué)特性的尺寸效應(yīng)研究

，

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410014; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059; 3.寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司, 武漢 430070)

水泥砂漿受硫酸鈉侵蝕時(shí)力學(xué)特性的尺寸效應(yīng)研究

熊良宵1, 2, 3，陳聰4

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410014; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059; 3.寧波大學(xué) 建筑工程與環(huán)境學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 4.武漢地鐵集團(tuán)有限公司, 武漢 430070)

為了解水泥砂漿試件經(jīng)海水侵蝕時(shí)的尺寸效應(yīng)，分別采用3種尺寸的正方體試件放在硫酸鈉溶液中侵蝕，后每隔一定時(shí)間取出部分試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析不同尺寸試件的單軸抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和彈性模量的差異。研究結(jié)果表明：試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕時(shí)強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)存在一個(gè)臨界值，隨著試件尺寸的增加，侵蝕對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)增加后減小的規(guī)律;不同尺寸的試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕時(shí)，其峰值應(yīng)變和彈性模量的差異沒(méi)有強(qiáng)度的差異明顯。

水泥砂漿；硫酸鈉；尺寸效應(yīng)；抗壓強(qiáng)度；峰值應(yīng)變

1 研究背景

尺寸效應(yīng)是混凝土的力學(xué)特性中必須要考慮的影響因素。國(guó)內(nèi)外已有很多研究者針對(duì)混凝土力學(xué)性能的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析和理論分析。

唐欣薇等[1]對(duì)不同尺寸的立方體自密實(shí)混凝土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試件尺寸的增加，混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度不斷減低；陳偉等[2]利用大型多功能靜動(dòng)力三軸儀對(duì)混凝土材料進(jìn)行了不同尺寸和不同應(yīng)變速率下的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同應(yīng)變速率下不同試件尺寸混凝土的峰值應(yīng)力、應(yīng)變等變化規(guī)律；蘇捷等[3]通過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，建立了強(qiáng)度等級(jí)與立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的關(guān)系；Yi等[4]通過(guò)試驗(yàn)，研究了試件的形狀和尺寸對(duì)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的影響；Sim等[5]通過(guò)試驗(yàn)，研究了試件的形狀和尺寸對(duì)輕質(zhì)混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度的影響；Viso等[6]通過(guò)試驗(yàn)，研究了試件的形狀和尺寸對(duì)高強(qiáng)度混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度的影響；Dehestani等[7]通過(guò)試驗(yàn)，研究了試件的形狀和尺寸對(duì)自密實(shí)混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度的影響。這些研究者通過(guò)試驗(yàn)均得到相同結(jié)論，即隨著試件尺寸的增大，單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨之減小。

混凝土在海水侵蝕下的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外已有很多研究者針對(duì)海水侵蝕后混凝土的力學(xué)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。梁詠寧等[8]對(duì)受硫酸鹽腐蝕后的普通混凝土進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，研究了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下混凝土力學(xué)性能的變化；張峰等[9]開(kāi)展了混凝土在海水干濕循環(huán)作用后各項(xiàng)基本力學(xué)性能衰減規(guī)律的試驗(yàn)研究；熊良宵等[10]對(duì)經(jīng)海水侵蝕后的水泥砂漿試件開(kāi)展了單軸動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。

上述研究者在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，普遍是采用同一大小尺寸的正方體試件，先將試件放在腐蝕溶液中侵蝕，每隔一定時(shí)間進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。前面已闡述，混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)，而不同大小尺寸的混凝土試件放在腐蝕溶液中侵蝕時(shí)，比表面積不同，就會(huì)使得侵蝕損傷效應(yīng)也不同，那么不同大小尺寸的試件經(jīng)腐蝕溶液侵蝕后，抗壓強(qiáng)度的差異主要包括2部分：①與未經(jīng)腐蝕溶液侵蝕時(shí)一樣，不同大小試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)存在尺寸效應(yīng)；②由于侵蝕時(shí)不同比表面積所造成的侵蝕損傷效應(yīng)不同，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的減小程度會(huì)不同。Brunetaud等[11]研究了混凝土試件受到外部硫酸鹽侵蝕時(shí)的尺寸效應(yīng)，但只是研究了不同尺寸的混凝土試件經(jīng)硫酸鹽侵蝕時(shí)質(zhì)量、長(zhǎng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量的變化規(guī)律的差異，并沒(méi)有研究混凝土試件的抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能的變化規(guī)律的差異，而試件也只包括3種：① 4 cm× 8 cm的圓柱體試件；② 11 cm× 22 cm的圓柱體試件；③ 4 cm×4 cm×16 cm的長(zhǎng)方體試件。因此，目前有關(guān)尺寸對(duì)混凝土試件經(jīng)海水侵蝕時(shí)的力學(xué)特性的影響還有待于深入開(kāi)展研究，可為海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

本文將不同尺寸的水泥砂漿試件放在硫酸鈉溶液中侵蝕，通過(guò)對(duì)經(jīng)侵蝕后的試件進(jìn)行單軸壓縮變形試驗(yàn)，研究不同尺寸的水泥砂漿經(jīng)硫酸鈉溶液侵蝕后的力學(xué)特性變化規(guī)律的差異。

2 試件制備及試驗(yàn)方法

2.1 材 料

試驗(yàn)中所用水泥為中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥，該水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5。砂采用廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑范圍為0.5～1.0 mm，為中級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砂。

2.2 水泥砂漿試件的制作

在澆筑時(shí)水泥砂漿試件的尺寸分為3種，分別為邊長(zhǎng)70.7,100,150 mm的正方體。

水泥砂漿試件的膠砂比為1∶2，水灰比為0.65。試件的配合比見(jiàn)表1。

表1 每立方米水泥砂漿試件的配合比Table 1 Mix proportion of cement mortar specimen

2.3 試驗(yàn)儀器

單軸壓縮試驗(yàn)在萬(wàn)能壓縮試驗(yàn)機(jī)(WAW-1000C)上進(jìn)行。該儀器最大位移速率為60 mm/min，最大加載能力為1 000 kN。

2.4 試驗(yàn)方法

試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，將其放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的硫酸鈉溶液中侵蝕。當(dāng)侵蝕時(shí)間為0，20，40，60，80，110，150，190 d時(shí)，便拿出部分試件進(jìn)行單軸壓縮變形試驗(yàn)，并采用應(yīng)變控制式的加載方式，應(yīng)變率為10-5s-1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

不同尺寸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律Fig.1 Evolution of stress-strain curves of specimens with erosion time

3種不同尺寸的試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均主要包括壓密階段、彈性變形階段、裂紋擴(kuò)展階段和峰后軟化階段。

未經(jīng)侵蝕時(shí)(0 d)3種不同尺寸的試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，經(jīng)過(guò)190 d侵蝕后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖2 未侵蝕時(shí)不同尺寸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of specimens of different sizes not yet immersed in solution

圖3 侵蝕190 d時(shí)不同尺寸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of specimens of different sizes at the 190th day of immersion

由圖2、圖3可知，0 d和190 d時(shí)，3種不同尺寸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀基本相似，但邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的峰后曲線的斜率比邊長(zhǎng)為100，150 mm的試件的峰后曲線的斜率小，說(shuō)明小尺寸試件的延性大于大尺寸試件的延性。190 d時(shí)各種尺寸試件的峰后曲線的斜率均大于0 d時(shí)峰后曲線的斜率，說(shuō)明經(jīng)過(guò)硫酸鈉侵蝕190 d后，水泥砂漿試件的脆性反而增加了。

圖4 極限抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Evolution of compressive strengths of specimens with erosion time

3.2 抗壓強(qiáng)度的變化

經(jīng)不同侵蝕時(shí)間后試件的抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。由圖4可知，當(dāng)侵蝕時(shí)間為0 d時(shí)，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度最大，邊長(zhǎng)為100 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度其次，邊長(zhǎng)為150 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度最小，這符合普遍得到的結(jié)論。

隨著侵蝕時(shí)間的增加，各種尺寸試件的單軸抗壓強(qiáng)度呈先增加后減小的規(guī)律。邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度在80 d時(shí)達(dá)到最大值，為41.45 MPa；邊長(zhǎng)為100 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度在110 d時(shí)達(dá)到最大值，為41.69 MPa；邊長(zhǎng)為150 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度在110 d時(shí)達(dá)到最大值，為37.33 MPa。

當(dāng)侵蝕時(shí)間為20 d時(shí)，這3種尺寸試件的抗壓強(qiáng)度的大小比較關(guān)系與0 d時(shí)仍一致；40 d和60 d時(shí)，邊長(zhǎng)為100 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度最大，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度其次，邊長(zhǎng)為150 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度最?。?0，110，150，190 d時(shí)，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度與邊長(zhǎng)為100 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度的大小比較結(jié)果并不穩(wěn)定，但相對(duì)邊長(zhǎng)為150 mm的試件而言，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度與邊長(zhǎng)為100 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)比較接近，而邊長(zhǎng)為150 mm的試件的單軸抗壓強(qiáng)度一直為最小。

當(dāng)侵蝕時(shí)間為0 d時(shí)，這3種試件的單軸抗壓強(qiáng)度的差異完全是由尺寸效應(yīng)所致，但試件經(jīng)侵蝕后，這3種試件的抗壓強(qiáng)度的差異有一部分是由于侵蝕時(shí)試件比表面積不同所致。

為了分析侵蝕對(duì)不同尺寸的試件強(qiáng)度影響的差異，定義強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的增長(zhǎng)率為

(1)

式中：fcu,0為砂漿試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；fcu,t為砂漿試件腐蝕到t齡期的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。

圖5 強(qiáng)度增長(zhǎng)率與侵蝕時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.5 Evolution of the growth rate of strength of specimen with erosion time

強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的增長(zhǎng)率見(jiàn)圖5。由圖5可知，侵蝕時(shí)間在20～190 d時(shí)，邊長(zhǎng)為100 mm的試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大，邊長(zhǎng)為150 mm的試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)率次之，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)率最小。因此，可認(rèn)為這3種尺寸中，侵蝕對(duì)邊長(zhǎng)為100 mm的試件強(qiáng)度的影響程度最大。Brunetaud等[11]的研究結(jié)論是小尺寸試件比大尺寸試件對(duì)硫酸鈉侵蝕更加敏感。

本文的結(jié)果表明，試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕時(shí)，尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度的影響會(huì)存在一個(gè)臨界值，當(dāng)試件的尺寸小于該臨界值時(shí)，隨著尺寸的增加，侵蝕對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)會(huì)逐漸增大;大于該臨界值時(shí)，隨著尺寸的繼續(xù)增加，侵蝕對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)反而會(huì)逐漸減小。因此，本文所得到的結(jié)論與Brunetaud等[11]的研究結(jié)論并不相同。

3.3 水泥砂漿的峰值應(yīng)變

試件的峰值應(yīng)變隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖6。由圖6可知，在0～190 d時(shí)，邊長(zhǎng)為150 mm的試件的峰值應(yīng)變總體最大，邊長(zhǎng)為100 mm的試件的峰值應(yīng)變總體最小，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的峰值應(yīng)變總體居于中間，這說(shuō)明邊長(zhǎng)為150 mm的試件的延性最大，而邊長(zhǎng)為100 mm的試件的延性最小。

3.4 水泥砂漿的彈性模量

本文彈性模量數(shù)值取30%峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變計(jì)算出的割線彈性模量。試件的彈性模量隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

圖6 峰值應(yīng)變隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律Fig．6 Evolutionofstrainatpeakstresswitherosiontime

圖7 彈性模量隨侵蝕時(shí)間的變化規(guī)律Fig．7 Evolutionofelasticmoduluswitherosiontime

由圖7可知，在0～190 d時(shí)，邊長(zhǎng)為100 mm的試件的彈性模量總體最大，邊長(zhǎng)為150 mm的試件的彈性模量總體最小，邊長(zhǎng)為70.7 mm的試件的彈性模量總體居于中間。

4 結(jié) 論

(1) 試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕時(shí)，尺寸效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度的影響會(huì)存在一個(gè)臨界值，當(dāng)試件的尺寸小于該臨界值時(shí)，隨著尺寸的增加，侵蝕對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)會(huì)逐漸增大;大于該臨界值時(shí)，隨著尺寸的繼續(xù)增加，侵蝕對(duì)強(qiáng)度的影響效應(yīng)反而會(huì)逐漸減小。

(2) 不同尺寸的試件經(jīng)硫酸鈉侵蝕時(shí)，其峰值應(yīng)變和彈性模量的差異沒(méi)有強(qiáng)度的差異明顯。隨著尺寸的增加，峰值應(yīng)變和彈性模量也并非呈一直增加或減小的趨勢(shì)。

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(編輯：陳 敏)

Size Effect on Mechanical Properties of Cement MortarCorroded by Sodium Sulfate Solution

XIONG Liang-xiao1, 2, 3, CHEN Cong4
(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Hydropower Development Key Technology, Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China; 2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 3.Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 4.Wuhan Metro Group Co., Ltd.,Wuhan 430070, China)

To study the size effect on the mechanical properties of cement mortar corroded by sodium sulfate solution, uniaxial compression tests were carried out on cement mortar specimens of three different sizes being corroded for a certain time in sodium sulfate solution. The differences of specimens in uniaxial compressive strength, strain at peak stress and elastic modulus were analyzed. The research result shows that the effect of erosion on the uniaxial compressive strength increased first and then decreased with the size of specimen reaching a critical value. The differences of strain at peak stress and elastic modulus were less significant than uniaxial compressive strength.

cement mortar; sodium sulfate; size effect; compressive strength; strain at peak stress

2016-05-25；

：2016-09-05

水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金項(xiàng)目(PKLHD201405)

熊良宵(1982-)，男，江西九江人，副教授，博士，主要從事巖石與混凝土材料力學(xué)的研究工作,(電話)028-84078874(電子信箱)xionglx1982@126.com。

10.11988/ckyyb.20160523

2017,34(9):145-149

TU502

：A

：1001-5485(2017)09-0145-05