混合侵蝕和凍融循環(huán)條件下混凝土力學(xué)機(jī)制試驗(yàn)研究

吳松波,萬旭升,楊婷婷,顏夢宇,劉 力,鐘昌茂

(西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,四川 成都 610500)

混凝土是當(dāng)代建筑用量最多、用途最廣泛的建筑材料,其結(jié)構(gòu)主要是由粗骨料、砂漿、水泥、孔隙等組成,是一種多相復(fù)合材料,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)[1]。隨著“十三五計(jì)劃”的提出,西部地區(qū)的工程建設(shè)也越來越廣泛,而鹽蝕和凍融循環(huán)引發(fā)基礎(chǔ)破壞一直是西部地區(qū)基礎(chǔ)工程面臨的重要問題,因此研究鹽蝕和凍融循環(huán)條件下混凝土的力學(xué)性能與破壞機(jī)理非常重要。

關(guān)于凍融、鹽蝕作用下的混凝土破壞,國內(nèi)外專家、學(xué)者取得了豐碩的成果。Powers[2]提出了靜水壓假說和滲透壓假說,可以較好地解釋混凝土一般凍融破壞和鹽凍破壞機(jī)理。美國混凝土協(xié)會認(rèn)為在鹽蝕作用下混凝土的凍融破壞是物理鹽結(jié)晶破壞[3,4]。Petersson[5]認(rèn)為,鹽將降低溶液的凍結(jié)溫度,從而將增加過冷液體量,產(chǎn)生更大的靜水壓,但因鹽濃度愈高其產(chǎn)生的過冷液體量愈多,一旦溶液結(jié)冰將產(chǎn)生更大的結(jié)冰壓,導(dǎo)致混凝土嚴(yán)重破壞。楊全兵等[6,7]對混凝土在不同濃度的NaCl溶液中的凍融試驗(yàn),得出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%-6%NaCl溶液中將產(chǎn)生最大的結(jié)冰壓,混凝土受鹽凍情況最嚴(yán)重。李雋等[8]利用自然浸泡和干濕循環(huán)試驗(yàn)方法研究了不同濃度氯鹽浸泡的混凝土在干濕循環(huán)后的鹽脹破壞特征。石立安等[9]通過復(fù)配粉煤灰、膨脹劑以及聚丙烯纖維等材料研究了混凝土在酸雨條件下的力學(xué)性能以及微觀結(jié)構(gòu)。陳四利等[10]研究了硫酸鹽和凍融雙重作用對混凝土力學(xué)性能的影響,表明混凝土受鹽凍破壞作用是表面腐蝕和內(nèi)部損傷的雙重作用,侵蝕機(jī)理是硫酸鹽和混凝土反應(yīng)產(chǎn)生膨脹類物質(zhì),使內(nèi)部體積膨脹,將進(jìn)一步加速硫酸鹽腐蝕。鄭曉寧等[11]通過XRD衍射與SEM電鏡掃描研究了混凝土在混合侵蝕與凍融循環(huán)條件下混凝土的破壞機(jī)理,其結(jié)果表明在混合侵蝕與凍融循環(huán)條件下,混凝土的破壞是由化學(xué)侵蝕與物理反應(yīng)共同決定的,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物越多,產(chǎn)生的膨脹壓力越大,越容易使混凝土破壞。

半浸泡混凝土的破壞機(jī)理是由混凝土內(nèi)部鹽溶液中離子傳輸過程決定的[12],與全浸泡混凝土的破壞機(jī)理有所不同。Scherer[13]認(rèn)為溶液通過毛細(xì)吸水作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部,并進(jìn)入混凝土水分蒸發(fā)區(qū)(混凝土溶液以上的部分),在下部形成水膜區(qū)。溶液在水分蒸發(fā)區(qū)蒸發(fā),當(dāng)毛細(xì)吸水速率大于溶液蒸發(fā)速率時,形成干濕界面,鹽在干濕界面結(jié)晶,不會對混凝土產(chǎn)生較大的破壞,當(dāng)蒸發(fā)速率大于毛細(xì)吸水速率時,鹽在干濕界面結(jié)晶膨脹,產(chǎn)生膨脹壓力,使混凝土破壞[14,15]?？諝鉂穸仍叫?鹽溶液濃度越大時,水分蒸發(fā)速率越大[16,17]。劉贊群等[12,18]表明在半浸泡的情況下,混凝土的溶液傳輸不符合燈芯效應(yīng),混凝土蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)速率隨著時間的增長、濃度的增加而減小,孔隙也隨之減小,是化學(xué)侵蝕生成鈣礬石占據(jù)了主要的作用,化學(xué)侵蝕是半埋件混凝土主要的破壞方式。

我國西部地區(qū)硫酸鹽漬土分布廣泛[19];河西走廊一帶含有大量含氯化鈉的硫酸鹽漬土,單一離子不能很好地作為西部地區(qū)混凝土腐蝕性離子研究。然而,目前對混凝土硫酸鈉-氯化鈉和凍融耦合作用下的研究比較缺乏,并且西部地區(qū)冬季氣溫常達(dá)零下二十幾度,硫酸鈉和氯化鈉的混合侵蝕已經(jīng)嚴(yán)重影響了寒區(qū)混凝土的力學(xué)性能,因此通過開展硫酸鈉和氯化鈉混合鹽蝕-凍融條件下混凝土的力學(xué)機(jī)制研究,為西部寒旱地區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 結(jié)晶理論

在溶液體系中,溶液中的分子在做不規(guī)則的運(yùn)動,當(dāng)溫度降低時,分子間的引力增大,當(dāng)引力增大到分子不能分離的程度后,結(jié)合成線晶,線晶結(jié)合成面晶,面晶再結(jié)合成有一定規(guī)律的晶體[20];溶液在飽和濃度下達(dá)到動態(tài)平衡,當(dāng)溶解度降低時,溶液將達(dá)到過飽和狀態(tài),此時溶液將處于亞穩(wěn)定狀態(tài),在該狀態(tài)下,溶質(zhì)結(jié)晶生長[21]。而NaCl溶液在-20 ℃以上,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于20%的情況下處于Ⅱ區(qū)(固液平衡區(qū)),不會結(jié)晶析出[22]。圖1(a)為硫酸鈉結(jié)晶相圖,圖1(b)為Na2SO4在不同濃度的NaCl和不同溫度下的飽和濃度曲線[23]。由圖1可知,當(dāng)溫度低于32.4 ℃時,且溶液濃度大于飽和溶液濃度時,硫酸鈉會以芒硝(Na2SO4·10H2O)的形式析出[24];NaCl的增加和溫度的降低使Na2SO4的飽和濃度降低,產(chǎn)生過飽和溶液,硫酸鈉會結(jié)晶析出。

對于多孔介質(zhì)中的孔隙溶液,在溫度、水分或壓力等達(dá)到一定的條件時,溶液中的溶質(zhì)會析出或孔隙水凍結(jié)而形成結(jié)晶體,并隨著結(jié)晶體的不斷生長,受到孔壁的約束而對多孔介質(zhì)骨架產(chǎn)生結(jié)晶作用力[25]。

當(dāng)溫度降低時,硫酸鈉溶液的飽和濃度降低,期間處于過飽和狀態(tài),Na2SO4在混合溶液中結(jié)晶,結(jié)晶壓力可由式(1)計(jì)算[26]。由式(1)可知,結(jié)晶壓力與溶液的過飽和比相關(guān),過飽和比越大,結(jié)晶壓力越大,過飽和溶液產(chǎn)生的結(jié)晶壓力是導(dǎo)致混凝土破壞的力學(xué)機(jī)理[27]。在氯化鈉和不同溫度下硫酸鈉溶液的過飽和比如表1所示[21,23]。

表1 過飽和比表(數(shù)據(jù)來源文獻(xiàn)[23])

(1)

式中:p為結(jié)晶壓力;R為理想氣體常數(shù);T為絕對溫度;V為晶體摩爾體積;c和c0分別為當(dāng)前溶液的摩爾質(zhì)量濃度以及飽和摩爾質(zhì)量濃度。

2 試樣制作與試驗(yàn)方法

2.1 試樣制作

試驗(yàn)中粗骨料為5～31.5 mm的級配碎石,砂子最大粒徑為不大于5 mm的河砂,細(xì)度模數(shù)為2.3,試驗(yàn)用水是普通自來水,水泥為成都新都產(chǎn)的PC32.5R硅酸鹽水泥,水膠比為0.45,砂率為35%,配合比如表2所示。人工拌合,試模采用10 cm×10 cm的膠模,裝模后人工插搗、振實(shí)臺振實(shí),24 h拆模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃,濕度≥95%;之后自然養(yǎng)護(hù)30 d,養(yǎng)護(hù)溫度為室溫,濕度為50%～70%。28 d抗壓強(qiáng)度為38.4 MPa,58 d抗壓強(qiáng)度為44 MPa?；炷恋呐浔冗^程見附錄。

表2 混凝土配合比表

2.2 試驗(yàn)儀器

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用HD-100型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī),內(nèi)部尺寸40 cm×50 cm×50 cm;溫度范圍:-40～150 ℃;濕度控制:20%RH～98%RH;儀器精度:±0.5 ℃;±2.5%RH?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),主機(jī)外形尺寸:1 020×670×2 600 mm;最大試驗(yàn)力:1 000 kN;試驗(yàn)機(jī)級別:0.5級;試驗(yàn)力測量范圍:1%-100% FS;試驗(yàn)力測量精度:±0.5%;位移測量分辨力:0.013 mm;位移測量精度:±0.5%;變形測量精度:±0.5%;另外還有精度為0.1 g的天平等。X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)采用DX-2700型X射線衍射儀,X射線管:金屬體陶瓷絕緣;Cu靶;焦點(diǎn):1.0×10 mm2;連續(xù)掃描步速度:0.0012～70°/min;準(zhǔn)確度:≤0.001°。

2.3 試驗(yàn)方法

表3 離子含量分布

為了模擬西北復(fù)雜多變的氣溫變化,結(jié)合西部地區(qū)極端溫度[28,29],選取40 ℃作為最高溫度,模擬夏季最高溫度,選取-20 ℃模擬冬季最低溫度,為了讓水分充分凍結(jié)與融化,在最高溫度與最低溫度處恒溫2 h,具體室內(nèi)降溫方式如圖2所示。降溫速率為0.5 ℃/min,凍融循環(huán)次數(shù)為0、10、20、30、40、50次,共6組,每組3個試樣,共18個試樣。將凍融完成后的試件從溶液中移除后,用小刀或軟毛刷將試件表面的白色晶體取下,對取下的白色晶體和掉落的混凝土砂漿碾碎烘干,做XRD(X射線衍射)試驗(yàn)。以及對試樣烘干稱重,然后再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?；炷恋馁|(zhì)量損失率可按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中:ω為質(zhì)量損失率;m0為混凝土的初始質(zhì)量;m為凍融完成后混凝土的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土凍融劣化表象分析

凍融循環(huán)前后混凝土表觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,混凝土表觀結(jié)構(gòu)劣化越嚴(yán)重;當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到20次時,混凝土水下部分出現(xiàn)部分剝落,粗骨料露出,細(xì)裂紋開始生長,水面以上部分出現(xiàn)大量的鹽晶體,晶體下面的砂漿表面變得粗糙;隨著凍融次數(shù)的增加,剝落現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重,50次循環(huán)時,混凝土裂紋擴(kuò)張,表面砂漿大塊脫落,結(jié)構(gòu)變得疏松,水下部分出現(xiàn)結(jié)晶鹽,混凝土骨料外露。

其原由是混凝土通過毛細(xì)吸水作用吸水,當(dāng)水面以上混凝土的蒸發(fā)速率大于混凝土的吸水速率時,混凝土上部的蒸發(fā)區(qū)將產(chǎn)生過飽和溶液[13]。過飽和溶液在凍融的環(huán)境下結(jié)晶產(chǎn)生十水硫酸鈉晶體,干濕循環(huán)條件下時,結(jié)合硫酸鈉飽和曲線,當(dāng)溫度低于32.4 ℃時,硫酸鈉結(jié)晶成芒硝,其界面處晶體形態(tài)如圖4(a)所示;當(dāng)溫度高于32.4 ℃時,芒硝將脫水生成無水芒硝,反應(yīng)式如式(3)所示,其界面處晶體形態(tài)如圖4(b)所示。從芒硝變成無水芒硝的過程中將產(chǎn)生較大的結(jié)晶壓力,是導(dǎo)致混凝土脫落、破壞的主要原因,如圖5所示。當(dāng)結(jié)晶壓力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時,混凝剝落、破壞[30],質(zhì)量損失增大。以及NaCl對混凝土的不利作用,氯化鈉溶液中試件表面層飽和程度比水中時高,氯化鈉溶液凍結(jié)后的冰塊塑性較低,處于低溫條件時,表層混凝土中的水凝結(jié)成冰,毛細(xì)作用又將試塊內(nèi)部混凝土孔隙中沒凝結(jié)的水匯集過來,從而導(dǎo)致面層混凝土材料的嚴(yán)重剝蝕[11,31]。在凍融循環(huán)過程中,導(dǎo)致溶液濃度增大,引發(fā)過飽和比增大,當(dāng)過飽和比達(dá)到3時,由式(1)計(jì)算,結(jié)晶壓力可達(dá)到48.6 MPa,大于混凝土的強(qiáng)度,引發(fā)混凝土破壞。硫酸鈉的結(jié)晶壓力和NaCl的作用共同導(dǎo)致了混凝土的剝落。

Na2SO4+10H2O?Na2SO4·10H2O

(3)

芒硝和無水芒硝晶體之間轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的結(jié)晶壓力差使混凝土內(nèi)部裂紋生長,混凝土損傷加重,最終導(dǎo)致混凝土破壞。根據(jù)式(1)和文獻(xiàn)[23]中的數(shù)據(jù),不同晶體結(jié)晶壓力和過飽和比的關(guān)系可由圖5表示。

3.2 力學(xué)特性

從試驗(yàn)得知,混凝土的應(yīng)力應(yīng)變趨勢變化類似,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的峰值應(yīng)力逐漸減小,如圖6所示。圖7為凍融循環(huán)次數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系。凍融前混凝土單軸抗壓強(qiáng)度為43.2 MPa,比未在溶液中浸泡的混凝土下降了0.8 MPa;當(dāng)達(dá)到50次凍融循環(huán)時,試樣的峰值應(yīng)力為28.4 MPa,比未凍融的混凝土降低了34.3%;其峰值應(yīng)變隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,凍融前期的峰值應(yīng)變略為減小。彈性模量隨著凍融次數(shù)的增加先增加后減小,初始狀態(tài)時,彈性模量為2.4×104MPa,當(dāng)達(dá)到20次循環(huán)時,彈性模量增加了9%,50次循環(huán)后,彈性模量下降了60%。

因?yàn)榛炷林械目紫侗烩}礬石和結(jié)晶鹽填充,孔隙率減小,密實(shí)度增加,剛度變化不明顯,抗壓強(qiáng)度略為減小,峰值應(yīng)變出現(xiàn)減小趨勢,彈性模量增加;當(dāng)達(dá)到50次凍融循環(huán)時,應(yīng)變增加了50%,由于凍融后期,結(jié)晶壓力增加,混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得疏松,孔隙率增加,使混凝土的剛度降低,結(jié)晶物和侵蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的正影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生的負(fù)影響,使彈性模量明顯降低。其中芒硝晶體的生長以及鈣礬石和石膏的出現(xiàn)使混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致混凝土的力學(xué)特性降低?；瘜W(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)一起加劇了混凝土力學(xué)性能的劣化,導(dǎo)致混凝土破壞[11]。

3.3 混凝土損傷分析

混凝土屬于多孔介質(zhì)材料,其內(nèi)部存在細(xì)微的裂紋和孔隙,在鹽蝕和凍融環(huán)境下,原始的裂紋和孔隙在結(jié)晶壓力的作用下進(jìn)一步發(fā)展,最終導(dǎo)致混凝土破壞。

混凝土質(zhì)量損失是混凝土力學(xué)性能劣化的一個宏觀的重要表現(xiàn)方式,凍融前期由于生成產(chǎn)物的填充作用使混凝土內(nèi)部損傷不大,力學(xué)性能劣化不太明顯;凍融后期,質(zhì)量損失使混凝土的結(jié)構(gòu)變得疏松,在內(nèi)部結(jié)晶壓力的作用下更容易脫落,內(nèi)部裂紋更容易擴(kuò)張,力學(xué)性能降低,混凝土損傷加劇。

根據(jù)損傷力學(xué)理論,將彈性模量作為混凝土損傷劣化的指標(biāo),定義損傷變量

(4)

式中:Dn為損傷變量;En為凍融后的彈性模量;E為初始彈性模量。

利用式(4)可計(jì)算出損傷變量的值,損傷變量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖10所示,表達(dá)式為

Dn=0.000249n2+0.00143n+0.01129

(5)

式中:n為凍融次數(shù)。

從圖10可以看出,損傷變量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加,在凍融30次之前,損傷變量增長緩慢,30次循環(huán)之后損傷增長較快,意味著混凝土損傷加劇;達(dá)到50次循環(huán)時,混凝土損傷變量達(dá)到0.67。這說明了混凝土在凍融和鹽蝕雙重作用下的破壞,開始損傷擴(kuò)展緩慢,隨著循環(huán)次數(shù)的加劇,內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)展,損傷逐漸加劇,最終破損是內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和外部結(jié)構(gòu)疏松的共同作用。

在混合侵蝕和凍融循環(huán)條件下,混凝土的力學(xué)性能大幅度弱化,隨著過飽和比的增加,硫酸鹽析出以及結(jié)晶壓力增加,同時由于化學(xué)反應(yīng)的作用,混凝土內(nèi)部有鈣礬石的生長。然而由于 XRD試驗(yàn)只能確定鹽晶體類型,不能直接反映晶體含量變化,故在后續(xù)研究中,將針對鹽晶體含量變化這方面問題開展進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

為了探究混合侵蝕與凍融循環(huán)條件下混凝土的劣化機(jī)制,通過對混凝土進(jìn)行半浸泡補(bǔ)水,然后對混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及XRD試驗(yàn),得出的結(jié)論如下:

(1)在半浸泡混合鹽溶液侵蝕和凍融循環(huán)環(huán)境下,隨凍融次數(shù)的增加,混凝土的表觀形態(tài)破壞越嚴(yán)重,混凝土表面出現(xiàn)大塊剝落,結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)疏松狀態(tài),在未浸泡端部出現(xiàn)了硫酸鈉晶體,在底部出現(xiàn)了十水硫酸鈉晶體。

(2)半浸泡混凝土力學(xué)性能受凍融循環(huán)影響明顯,50次循環(huán)以后,其彈性模量下降了60%,損傷變量達(dá)到了0.67,立方體抗壓強(qiáng)度降低了35.7%;混凝土的質(zhì)量損失率也達(dá)到1.73%。

(3)混凝土在硫酸鈉和氯化鈉混合溶液和凍融循環(huán)條件下發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)(有新物質(zhì)鈣礬石以及石膏的生成),以及物理反應(yīng)(硫酸鈉的大量結(jié)晶生成芒硝)。

(4)十水硫酸鈉與硫酸鈉晶體之間形態(tài)的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的結(jié)晶壓力是導(dǎo)致混凝土破壞的主要原因,當(dāng)結(jié)晶壓力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時,造成混凝土的破壞。