不同硫酸鈉溶液濃度對混凝土力學性能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙影響研究①

徐 威, 劉來肥，許 濤

(1.安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山供電公司，安徽 黃山 245200)

0 引 言

現(xiàn)如今，現(xiàn)澆混凝土在鹽漬地區(qū)公路、隧道、橋梁等工程中廣泛應(yīng)用，但鹽漬土地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜多樣[1]，其中硫酸根離子是導(dǎo)致混凝土性能劣化的重要腐蝕介質(zhì)之一，它滲入混凝土內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，使其產(chǎn)生膨脹、開裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土使用壽命大大降低[2-3]。目前，學者們針對硫酸鈉作用下混凝土的抗壓強度、彈性模量等宏觀性能做了一系列研究，得出試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)其抗壓強度、動彈性模量、泊松比等宏觀力學性能隨著濃度的增加而逐漸降低[4-6]，但有關(guān)微觀方面的報道甚少。盡管李澤良闡述硫酸根離子對混凝土的腐蝕機理[7]，褚冰通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)硫酸鹽腐蝕之后混凝土內(nèi)部會有大量鈣礬石晶體生成，而且內(nèi)部大量孔隙分布呈松散體狀態(tài)[8]，但對于混凝土材料而言，作為一種由粗、細骨料及膠凝材料組成的多相復(fù)合體，當受硫酸鹽腐蝕影響后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)量、孔隙分布肯定發(fā)生巨大變化，嚴重影響混凝土宏觀力學性能，然而這一點上述學者沒有從這方面進一步揭示，因此有必要對混凝土材料在硫酸鹽腐蝕下內(nèi)部孔隙變化規(guī)律進行探討，以揭示其對混凝土力學特性的影響，為實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)在受硫酸鹽腐蝕方面提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料準備

水泥采用海螺牌P. O 42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料選用細度模數(shù)為2.6的淮濱河砂，粗骨料選用粒徑為5～10mm玄武巖，外加劑采用由礦渣、硅粉、高性能減水劑組成NF-F型早強減水劑。按照1m3/kg水泥∶石子∶砂子∶水∶NF-F為350∶1190∶669.92∶194.7∶70配合比澆筑成150×150×150mm的標準立方體試塊，在標準養(yǎng)護箱里養(yǎng)護28d后，加工成高徑2∶1(高度100mm，直徑50mm)圓柱體試件，兩端面不平行度小于0.05mm，上下端面與試樣的中心軸線垂直度偏差不超過0.25°。

1.2 試驗方案

試驗開始前，采用核磁共振儀器測其腐蝕前試件孔隙結(jié)構(gòu)后，將其分別置于濃度10%、15%、20%、25%硫酸鈉溶液中浸泡7個月，觀察腐蝕過后試件形貌特征的變化，最后再次測試試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征以及電液伺服三軸試驗機進行單軸壓縮試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 硫酸鈉溶液腐蝕后試件外觀形貌

圖1 不同濃度腐蝕下試件外觀形貌

從圖1可以明顯看出，試件表面宏觀現(xiàn)象隨著濃度的增加損傷程度越來越明顯，濃度10%試件A由于鹽類結(jié)晶出現(xiàn)花斑，并且逐漸泛白現(xiàn)象，端部邊緣地區(qū)有微小裂紋生成，濃度15%試件B表面出現(xiàn)少量孔洞，并且試件端部邊緣有微小裂縫相互貫連，濃度20%試件C表面亦出現(xiàn)較小孔洞，端部邊緣由于膨脹而出現(xiàn)碎片剝落現(xiàn)象，至于濃度25%試件D表面孔洞密集，端部周邊產(chǎn)生大量裂縫，并且出現(xiàn)大幅度碎渣剝落現(xiàn)象。

2.2 單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變試驗結(jié)果分析

為進一步反應(yīng)不同濃度因素對混凝土單軸壓縮抗壓強度影響規(guī)律，繪制出不同濃度水平下應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

圖2 全應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

從圖2上可以看出，硫酸鈉溶液作用下混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€變化規(guī)律基本相似，可大致分為四個階段。OA段為壓密階段，曲線呈下凹型，軸向應(yīng)力與應(yīng)變之間無明顯線性關(guān)系且曲線斜率較小。AB段為線彈性變形階段，該階段應(yīng)力隨應(yīng)變的增大迅速提升，軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨近于一條直線呈明顯線性關(guān)系。BC段為塑性變形階段,這一階段應(yīng)力增長速率逐漸變緩，曲線斜率不斷減小，混凝土變形由彈性階段的可恢復(fù)特性轉(zhuǎn)化為不可恢復(fù)性，試樣內(nèi)微小裂隙不斷擴展并逐漸產(chǎn)生貫通裂紋。CD段為峰后階段，該階段軸向應(yīng)力達到試樣強度峰值，混凝土基體裂隙大規(guī)模貫通，試樣破壞并伴隨承載能力喪失。

不同濃度硫酸鈉溶液腐蝕后試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量及變化趨勢如表 1 所示。

表1 峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量

從表1可以看出，混凝土試件峰值應(yīng)力、彈性模量均隨硫酸鈉濃度增加而整體呈現(xiàn)下降的趨勢，而峰值應(yīng)變恰恰相反。濃度為10%時，混凝土峰值應(yīng)力為57.38MPa，相比基準組降低了1.96MPa，峰值應(yīng)變較基準組增加了1.2×10-3，說明低濃度腐蝕初期，混凝土內(nèi)部水泥化合物與硫酸鈉發(fā)生化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生石膏或者鈣礬石將內(nèi)部孔隙和微細裂縫堵住，使得密實度提高，但是由于侵蝕周期長，內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始變得疏松，孔隙增多，則濃度10%硫酸鈉腐蝕作用下混凝土強度衰減不明顯。隨著濃度的進一步提升，峰值應(yīng)力衰減越來越明顯，當濃度為25%時，較基準組混凝土峰值應(yīng)力降低了14.07MPa，說明硫酸鹽濃度越高，混凝土試件表面孔洞逐漸密集，硫酸根離子進入混凝土試件內(nèi)部數(shù)量增多，致使內(nèi)部孔隙數(shù)量增多，產(chǎn)生了一定數(shù)量的微小縫隙，造成混凝土試件峰值應(yīng)力、彈性模量大幅度下降。

2.3 不同硫酸鈉溶液濃度核磁共振T2譜分布曲線

通過核磁共振試驗測試試件微觀孔隙結(jié)構(gòu)，得到不同濃度下混凝土試件的弛豫時間T2譜分布(如圖3)。

圖3 T2譜分布圖

由圖3可知，在不同的濃度腐蝕作用下，混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，但變化的趨勢基本相同，且都出現(xiàn)三個峰，從左到右分別為峰1、峰2、峰3，峰1代表小尺寸孔隙，峰2、峰3分別代表中尺寸孔隙、大尺寸孔隙，峰1幅值在弛豫時間0.3827ms附近，并均大于峰2、峰3位置幅值，說明試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)小尺寸孔隙數(shù)量最多，硫酸鈉溶液對混凝土的小尺寸孔隙最為敏感，從而使得峰1幅值明顯高于峰2、峰3幅值；對比不同濃度T2譜曲線分布，基準組峰1、峰2、峰3幅值最小，且小尺寸孔隙占的比例大，由于沒有經(jīng)過硫酸鈉腐蝕，基準組試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，混凝土孔隙數(shù)量遠小于硫酸鈉作用下的試件孔隙數(shù)量。此外，峰1幅值隨著硫酸鈉濃度的增加而增大，與基準組對比，分別提高了15.8%、27.4%、42.9%、64.1%，而且峰1幅值上升的速率逐漸加快，這表明隨硫酸鈉濃度增高，小尺寸孔隙數(shù)量不斷地增加，硫酸根離子對試件的腐蝕越劇烈，效果越明顯，對混凝土內(nèi)部造成的損傷越大；同時峰2、峰3峰幅值也都略有增加，其原因在于，隨著硫酸鈉濃度的加大，試件小尺寸孔隙不斷地向中尺寸、大尺寸孔隙擴展，內(nèi)部存在著一個動態(tài)變化的形態(tài)，最終發(fā)展成孔隙與孔隙之間相互聯(lián)通產(chǎn)生微小裂縫，進一步造成混凝土試件損傷，使混凝土力學性能降低。

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過硫酸鈉浸泡后的混凝土試件表面有晶體析出，并逐漸泛白，損傷更嚴重的，端部會出現(xiàn)膨脹、剝落等現(xiàn)象；通過全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著硫酸鈉濃度的增大，曲線表現(xiàn)出一定的右移傾向，混凝土試件峰值應(yīng)力、彈性模量降低，反而峰值應(yīng)變增大。

(2)通過核磁共振試驗測試馳豫時間T2譜了解到混凝土腐蝕前后內(nèi)部孔隙的發(fā)育、擴展情況，并對損傷擴展的趨勢做出準確的分析和判斷。隨著硫酸鈉濃度增加，混凝土內(nèi)部孔隙逐漸擴展，使得孔隙數(shù)量增多，最終孔隙相互貫通、擴展形成微裂紋，是造成混凝土應(yīng)力、彈性模量降低主要原因。