軸壓與硫酸鹽耦合作用下混凝土強(qiáng)度劣化機(jī)理

逯靜洲， 田立宗， 童立強(qiáng)， 劉 瑩， 朱孔峰

(煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264005)

硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化和服役壽命縮短的主要因素之一.早期研究成果主要關(guān)注混凝土在硫酸鹽單一因素影響下的性能劣化及其機(jī)理，但任何混凝土結(jié)構(gòu)在承受外荷載的同時(shí)都經(jīng)歷著環(huán)境作用，因此需要考慮二者的耦合作用.在荷載與硫酸鹽耦合作用下，混凝土損傷機(jī)理更為復(fù)雜.Schneider等[1]研究了硫酸鹽侵蝕與持續(xù)壓荷載或彎曲荷載耦合作用下混凝土的力學(xué)性能.余振新等[2]采用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)觀察了混凝土微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，研究了彎曲荷載-干濕交替-硫酸鹽三因素耦合作用下的混凝土損傷劣化過(guò)程.曹健[3]研究了軸壓荷載下硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)耦合作用對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的劣化規(guī)律.Tan等[4]研究了混凝土在彎曲荷載與硫酸鹽耦合作用下的劣化.目前，關(guān)于硫酸鹽侵蝕與彎曲荷載耦合作用下混凝土損傷機(jī)理研究得比較完善，但關(guān)于硫酸鹽侵蝕與軸壓荷載耦合作用下混凝土的損傷機(jī)理研究還不夠充分.混凝土界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)屬于薄弱區(qū)域，對(duì)混凝土的各種性能有關(guān)鍵性的影響[5].Qi等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)作用下，界面過(guò)渡區(qū)存在明顯的微裂縫.Liu等[7-8]通過(guò)微觀分析發(fā)現(xiàn)，浸泡在硫酸鈉溶液中的混凝土，其基體中界面過(guò)渡區(qū)最先、最容易受到硫酸鹽侵蝕破壞.綜上，混凝土力學(xué)性能劣化的本質(zhì)是其基體微觀結(jié)構(gòu)的劣化，但目前關(guān)于荷載和環(huán)境直接耦合作用下混凝土力學(xué)性能劣化機(jī)理的理論和試驗(yàn)研究還相對(duì)較少，因此有必要研究在軸壓荷載與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)理.

本文在考慮軸壓荷載和硫酸鹽侵蝕耦合作用的同時(shí)，也考慮荷載卸載這一重要因素，進(jìn)行了混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化試驗(yàn)研究，并運(yùn)用微觀方法分析混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，對(duì)混凝土在荷載與硫酸鹽侵蝕直接耦合作用下力學(xué)性能劣化機(jī)理進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件制作

水泥采用冀東牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用顆粒級(jí)配良好的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗骨料采用二級(jí)配、最大粒徑為20mm的碎石，強(qiáng)度等級(jí)為一級(jí)；拌和水為自來(lái)水.按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)混凝土配合比m(水)∶m(水泥)∶m(中砂)∶m(碎石)=215∶478∶547∶1163.試件采用邊長(zhǎng)為100mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，再自然放置90d，然后進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)方法

軸壓加載試驗(yàn)采用NELD-CS710型混凝土徐變儀及配套設(shè)備，以15d為1個(gè)侵蝕周期，其中加載12d，卸載3d.軸壓應(yīng)力比取0%，15%，30%和45%，硫酸鈉溶液濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)取0%，5%和10%.試驗(yàn)共進(jìn)行12個(gè)侵蝕周期，在第6個(gè)侵蝕周期(90d)和第12個(gè)侵蝕周期(180d)結(jié)束后，對(duì)試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試和微觀試驗(yàn)，在抗壓強(qiáng)度測(cè)試前對(duì)試件進(jìn)行減摩處理.

微觀試驗(yàn)采用JSM-7610F型超高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM微觀形貌觀察和EDS能譜試驗(yàn)，采用島津XRD -7000型X射線衍射儀進(jìn)行組成分析.

以試件編號(hào)F15S10-90d為例說(shuō)明編號(hào)含義：F15代表軸向應(yīng)力比為15%，S10代表硫酸鈉溶液濃度為10%，90d代表浸泡齡期為90d，以此類(lèi)推.

2 抗壓強(qiáng)度劣化分析

不同應(yīng)力比、不同硫酸鈉溶液濃度作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期的演變規(guī)律如表1所示.由表1可知，高應(yīng)力比與硫酸鹽侵蝕耦合作用對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的劣化促進(jìn)作用較明顯.當(dāng)應(yīng)力比為45%時(shí)，硫酸鈉溶液濃度無(wú)論是5%還是10%，試件抗壓強(qiáng)度均隨侵蝕齡期延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).例如，在45%的應(yīng)力比下，與侵蝕0d時(shí)相比，侵蝕180d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度分別降低了3.41MPa(F45S5-180d)和4.46MPa(F45S10-180d).當(dāng)應(yīng)力比較高時(shí)，硫酸鈉溶液濃度的影響居于應(yīng)力比的影響之后，但仍可看出高濃度硫酸鈉溶液比低濃度硫酸鈉溶液對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度劣化具有更明顯的促進(jìn)作用.原因是在高應(yīng)力比的軸壓荷載作用下，試件處于塑性變形階段，內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂縫，此時(shí)外部硫酸根離子更容易侵入試件內(nèi)部使其產(chǎn)生損傷，即高應(yīng)力比的軸壓荷載可加速硫酸鹽對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的劣化.

表1 不同侵蝕齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of concretes at different erosion ages MPa

由表1還可見(jiàn)：在低應(yīng)力比(0%，15%，30%)作用下，在5%的硫酸鈉溶液中，試件抗壓強(qiáng)度隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)；在10%的硫酸鈉溶液中，試件抗壓強(qiáng)度隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).侵蝕180d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度仍較大，這可能是因?yàn)榛炷链嬖趽p傷閾值，當(dāng)軸壓荷載未達(dá)到某限值時(shí)，硫酸鹽侵蝕的生成物對(duì)混凝土微裂縫有填充密實(shí)作用，因此試件抗壓強(qiáng)度未出現(xiàn)降低.受硫酸鹽侵蝕作用的試件，隨著侵蝕齡期的增加，由于侵蝕產(chǎn)物的填充密實(shí)作用，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì).硫酸鹽侵蝕與軸壓荷載耦合作用下，當(dāng)應(yīng)力比為15%時(shí)，硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物與軸壓共同作用使試件更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度快速增加；當(dāng)應(yīng)力比為30%時(shí)，軸壓荷載使混凝土處于極密實(shí)狀態(tài)，抑制了硫酸根的侵入，減少了侵蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而侵蝕產(chǎn)物對(duì)試件內(nèi)部的填充密實(shí)作用減小，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度增加較慢.應(yīng)力比為30%的軸壓荷載與5%硫酸鈉溶液耦合作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度劣化的抑制作用更明顯，宏觀表現(xiàn)為試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)變慢.應(yīng)力比為30%時(shí)，試件處于彈性受壓階段，混凝土被壓實(shí)且未產(chǎn)生塑性微裂縫，抑制了硫酸根離子向其內(nèi)部的傳輸，從而抑制了硫酸鹽侵蝕造成的強(qiáng)度損傷；受硫酸鹽侵蝕的試件，硫酸根離子由表及里逐漸侵入，侵蝕產(chǎn)物使試件內(nèi)部逐漸變密實(shí)，抗壓強(qiáng)度逐漸增加.而當(dāng)硫酸鈉溶液濃度為10%時(shí)，侵蝕產(chǎn)物對(duì)試件內(nèi)部的孔洞、微裂縫有填充作用，表現(xiàn)為試件抗壓強(qiáng)度增加.隨著侵蝕齡期的延長(zhǎng)，侵蝕產(chǎn)物的膨脹應(yīng)力會(huì)使混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)遭到破壞、微裂縫擴(kuò)展，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度逐漸降低.

3 微觀劣化機(jī)理分析

3.1 混凝土初始微觀形貌

混凝土試件F0S0-0d微觀結(jié)構(gòu)的SEM形貌特征和界面過(guò)渡區(qū)的能譜圖分別示于圖1(a)和圖2(a).由圖1(a)可知，粗骨料表面凹凸不平且存在初始缺陷，界面過(guò)渡區(qū)存在明顯的帶狀凹槽，骨料與水泥漿體的黏合性較好，界面過(guò)渡區(qū)無(wú)初始微裂縫.通過(guò)圖2(a)和混凝土試件F0S0-0d的XRD圖譜(圖3(a))可知，未受硫酸鈉溶液侵蝕的混凝土試件界面過(guò)渡區(qū)的主要成分是石英、氫氧化鈣和碳酸鈣等.圖2(a)中出現(xiàn)鉑元素是因?yàn)樵嚰捎秒x子濺射鉑金作為導(dǎo)電鍍層.

3.2 軸壓應(yīng)力比對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

為研究軸壓荷載對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷劣化影響，對(duì)相同侵蝕時(shí)間、相同濃度硫酸鈉溶液，不同應(yīng)力比作用下的混凝土微觀結(jié)構(gòu)的劣化發(fā)展進(jìn)行分析，各試件的SEM照片見(jiàn)圖1.

由圖1可知，隨著應(yīng)力比的增大，侵蝕齡期為90d時(shí)，界面過(guò)渡區(qū)已出現(xiàn)微裂縫，且微裂縫呈不同劣化的趨勢(shì)；侵蝕齡期為180d時(shí)，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫逐漸發(fā)展為沿界面過(guò)渡區(qū)分布的多條相互貫通的微裂縫.由圖1還可以看出，界面過(guò)渡區(qū)的劣化程度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在應(yīng)力比為30%時(shí)界面過(guò)渡區(qū)劣化程度最輕，當(dāng)應(yīng)力比為15%時(shí)界面過(guò)渡區(qū)的損傷稍大于應(yīng)力比為30%時(shí)，而當(dāng)應(yīng)力比為45%時(shí)界面過(guò)渡區(qū)的損傷劣化最為嚴(yán)重.如侵蝕180d后，試件F15S10-180d和F30S10-180d界面過(guò)渡區(qū)的微裂縫寬度分別為2.0，1.5μm，試件F45S10-180d界面過(guò)渡區(qū)則形成寬5.0μm左右的貫通微裂縫.

這很好地解釋了在不同應(yīng)力比與10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期的演化規(guī)律.由表1可知，試件F15S10-180d和F30S10-180d的抗壓強(qiáng)度分別為35.51,34.85MPa，二者比較接近，這是因?yàn)槎呓缑孢^(guò)渡區(qū)的劣化情況較為相近.在整個(gè)侵蝕齡期中，界面過(guò)渡區(qū)在低應(yīng)力比(15%，30%)作用下的劣化程度較輕，應(yīng)力比對(duì)混凝土的性能影響不明顯；非界面過(guò)渡區(qū)的侵蝕產(chǎn)物在侵蝕前期對(duì)微觀結(jié)構(gòu)有填充密實(shí)作用，所以試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì).而在高應(yīng)力比(45%)與10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著劣化.這是因?yàn)樵?5%應(yīng)力比和10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件界面過(guò)渡區(qū)顯著劣化，因此對(duì)混凝土性能影響顯著，如試件F45S10-180d的抗壓強(qiáng)度相比試件F45S10-0d降低了4.46MPa.

圖1 試件SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of specimens

從圖1(c)，(f)，(g)，(i)中可以看到，混凝土微觀結(jié)構(gòu)表面、界面過(guò)渡區(qū)的外邊緣及內(nèi)部均生成1層白色產(chǎn)物，呈纖維狀和簇狀分布.通過(guò)XRD和EDS能譜儀對(duì)該白色產(chǎn)物進(jìn)行分析，結(jié)果分別見(jiàn)圖2(b)和圖3(b)，(c)，(e).結(jié)合晶體的形貌特征，可確定該白色產(chǎn)物為鈣礬石.同時(shí)由圖3(b)可知，試件F30S10-90d的小孔洞和微裂縫中生成了少量的鈣礬石.由圖2(b)和圖3(c)可知，試件F30S10-180d的小孔洞和微裂縫中有較多的鈣礬石生成，同時(shí)有新物質(zhì)石膏產(chǎn)生.由圖1(i)和圖3(e)可知，試件F45S10-180d的小孔洞和微裂縫中已有大量的鈣礬石和石膏同時(shí)出現(xiàn).

研究結(jié)果表明，界面過(guò)渡區(qū)劣化的原因主要有微區(qū)泌水效應(yīng)，軸壓荷載作用，微裂縫端部的應(yīng)力集中作用，以及鈣礬石、石膏等產(chǎn)物的膨脹作用.在試件澆筑過(guò)程中，由于混凝土各組分的密度不同，在重力作用下會(huì)出現(xiàn)內(nèi)分層現(xiàn)象，粗骨料表面的下方更容易形成水囊泡，成為微泌水區(qū)，在軸壓作用下更容易形成界面微裂縫.混凝土中的粗骨料與漿體的剛度不同，在軸壓荷載作用下容易產(chǎn)生變形差，從而形成微裂縫；粗骨料與漿體的黏結(jié)力顯著小于漿體及粗骨料的抗拉強(qiáng)度，因此在軸壓荷載作用下界面過(guò)渡區(qū)容易產(chǎn)生微裂縫；同時(shí)，界面過(guò)渡區(qū)生成大量具有膨脹性的鈣礬石和石膏物質(zhì)致使其微裂縫進(jìn)一步劣化.

圖2 試件EDS譜Fig.2 EDS spectrum of specimens

圖3 試件XRD譜Fig.3 XRD patterns of specimens

3.3 硫酸鈉溶液濃度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

當(dāng)侵蝕齡期、軸壓荷載的應(yīng)力比相同時(shí)，硫酸鈉溶液濃度對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的劣化影響規(guī)律如圖1(e)，(f)，(h),(i)所示.對(duì)比可以看出，在相同侵蝕齡期、相同應(yīng)力比下，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫寬度逐漸增大，微裂縫逐漸發(fā)展為沿界面過(guò)渡區(qū)分布的多條相互貫通的裂縫.例如：試件F15S5-180d和F15S10-180d的界面過(guò)渡區(qū)微裂縫寬度分別為1.5～2.0，2.0μm；試件F45S5-180d 界面過(guò)渡區(qū)形成寬度為4.0μm左右的貫通微裂縫；試件F45S10-180d界面過(guò)渡區(qū)形成5.0μm左右的交叉貫通微裂縫；試件F45S5-180d界面過(guò)渡區(qū)還生成了板狀和短柱狀的晶體物質(zhì).對(duì)比分析可知，硫酸鈉溶液濃度為10%時(shí)對(duì)試件界面過(guò)渡區(qū)劣化發(fā)展的促進(jìn)作用更為顯著.

這很好地解釋了混凝土在不同應(yīng)力比與不同濃度硫酸鈉溶液耦合作用下抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期的演化規(guī)律.由表1可知：試件在低應(yīng)力比(15%，30%)的軸壓荷載作用下，當(dāng)硫酸鈉溶液濃度為5%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，此時(shí)界面過(guò)渡區(qū)的損傷較輕，非界面過(guò)渡區(qū)中侵蝕產(chǎn)物的填充密實(shí)作用對(duì)混凝土性能的影響顯著；當(dāng)硫酸鈉溶液濃度為10%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谇治g前期非界面過(guò)渡區(qū)的侵蝕產(chǎn)物對(duì)孔洞和微裂縫有填充密實(shí)作用，在侵蝕后期非界面過(guò)渡區(qū)的孔洞和微裂縫則因侵蝕產(chǎn)物的膨脹作用而逐漸劣化.在高應(yīng)力比(45%)與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著劣化趨勢(shì)，且硫酸鈉溶液濃度為10%時(shí)混凝土損傷更為嚴(yán)重.這是因?yàn)榍治g產(chǎn)物對(duì)非界面過(guò)渡區(qū)的填充密實(shí)作用影響較小，而界面過(guò)渡區(qū)的劣化損傷嚴(yán)重，對(duì)混凝土的性能影響顯著.

3.4 侵蝕齡期對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖1還可看出，當(dāng)硫酸鈉溶液濃度相同、軸壓荷載的應(yīng)力比也相同時(shí)，隨著侵蝕齡期的增加，侵蝕產(chǎn)物鈣礬石和石膏的量逐漸增加，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫的寬度逐漸增大，微裂縫逐漸發(fā)展為沿界面過(guò)渡區(qū)分布的多條相互貫通的微裂縫，劣化呈現(xiàn)逐漸加重的趨勢(shì).例如，試件F45S5-90d和F45S5-180d的界面過(guò)渡區(qū)分別形成寬度為2.5，4.0μm的貫通微裂縫.相比侵蝕齡期90d，侵蝕齡期為180d的試件微觀結(jié)構(gòu)損傷更為嚴(yán)重，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫外邊緣和內(nèi)部產(chǎn)生的鈣礬石量更多.

綜合分析可知，在軸壓荷載與硫酸鹽溶液直接耦合作用下，隨著侵蝕齡期的增加，鈣礬石或石膏對(duì)界面過(guò)渡區(qū)微裂縫的填充密實(shí)作用不明顯，界面過(guò)渡區(qū)微裂縫呈現(xiàn)劣化逐漸加重的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[9-10]中混凝土微觀劣化過(guò)程的兩階段不同.在高應(yīng)力比(45%)的軸壓荷載與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨侵蝕齡期增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物對(duì)非界面過(guò)渡區(qū)的孔洞和微裂縫有填充作用，該作用對(duì)混凝土性能影響不明顯，而界面過(guò)渡區(qū)的劣化發(fā)展對(duì)混凝土性能劣化有顯著促進(jìn)作用.在低應(yīng)力比(15%，30%)的軸壓荷載與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度在侵蝕前期呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，這說(shuō)明低應(yīng)力比的軸壓荷載對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)微裂縫前期劣化的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，這與文獻(xiàn)[9-10]中混凝土的微觀劣化過(guò)程相對(duì)應(yīng).

4 結(jié)論

(1)高應(yīng)力比(45%)的軸壓荷載會(huì)使混凝土產(chǎn)生塑性損傷，從而加速了硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕作用，試件抗壓強(qiáng)度隨著侵蝕齡期的增加而逐漸降低；30%及以下應(yīng)力比的軸壓荷載使混凝土產(chǎn)生彈性壓縮變形，從而抑制了硫酸鈉溶液向混凝土內(nèi)部的傳輸，因此對(duì)混凝土強(qiáng)度的劣化產(chǎn)生了抑制作用.

(2)在軸壓荷載與硫酸鈉溶液直接耦合作用下，高應(yīng)力比(45%)的軸壓荷載對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)的劣化發(fā)展有顯著促進(jìn)作用；低應(yīng)力比(15%，30%)的軸壓荷載對(duì)界面過(guò)渡區(qū)劣化發(fā)展的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物由于其對(duì)非界面過(guò)渡區(qū)孔洞和微裂縫的填充作用，因此對(duì)非界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)作用影響更為顯著.

(3)在高應(yīng)力比軸壓荷載與硫酸鈉溶液直接耦合作用下，隨著侵蝕齡期的增加，混凝土界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)劣化逐漸加重；低應(yīng)力比軸壓荷載對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)微裂縫前期劣化的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物的填充作用對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響更加明顯.

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