硫酸鹽侵蝕作用下水泥砂漿水力劈裂特性

李 凌，徐力群，吳 瓊，杜 坤，林 文

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

本文選取不同pH值的硫酸鹽溶液浸泡侵蝕試樣，開(kāi)展不同侵蝕時(shí)間下水泥砂漿力學(xué)性能和抗水力劈裂能力的試驗(yàn)研究，探討硫酸鹽溶液侵蝕作用下水泥砂漿試樣的水力劈裂破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

采用水泥砂漿開(kāi)展試驗(yàn)，水泥選用南京龍?zhí)舵?zhèn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂選用天然河砂(中砂)，對(duì)其進(jìn)行干燥、篩分處理，以保證砂漿試件所用骨料的均勻性，試驗(yàn)水為桶裝蒸餾水。采用灰、砂、水比例為1∶3∶0.5的配合比(質(zhì)量比)制備兩種不同尺寸的試樣。力學(xué)性能試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為70.7 mm的實(shí)心立方體試件，水力劈裂試驗(yàn)采用中央含有穿透性預(yù)制裂縫的試樣，其尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，初始預(yù)制裂縫長(zhǎng)度為50 mm，縫寬為2 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

機(jī)械加載系統(tǒng)包括電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和TestSoftV1.1采集分析軟件。水壓由該系統(tǒng)控制的電動(dòng)施壓泵提供，最大可施加水壓力為3 MPa。耐高壓彎管用于連接電動(dòng)施壓泵與水密封裝置。水密封裝置由上下工字鋼密封層和硅膠墊組成(圖1)。上下工字鋼架通過(guò)螺桿、螺母上下連接而成，鋼架中部螺紋孔上下分別與特制進(jìn)水接口、密封帽連接。防水硅膠墊長(zhǎng)120 mm、寬20 mm、厚2 mm，在其中心位置用高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼黑色硅膠塊，嵌入在工字鋼內(nèi)側(cè)凹槽，并在環(huán)氧樹(shù)脂膠與黑色硅膠塊兩者中心預(yù)制小孔，具有良好的密封效果。試驗(yàn)時(shí)，將粘有應(yīng)變片的試樣置于水密封裝置中，將預(yù)制裂縫對(duì)準(zhǔn)工字鋼架中央小孔。待加載水流進(jìn)入預(yù)制裂縫并從底部螺紋孔流出后，用密封帽密封底部螺紋孔，確保試樣內(nèi)部高水壓力。

圖1 水密封裝置

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變適調(diào)器、東華動(dòng)態(tài)采集分析儀和DHDAS采集分析軟件組成。采集分析儀可記錄并顯示多種物理量，如壓力、位移、應(yīng)變等。采用臺(tái)灣衡欣高精度水質(zhì)pH計(jì)測(cè)量pH值，該pH計(jì)精度為0.01，量程為0.00～14.00。在測(cè)量浸泡溶液的pH值時(shí)，選取3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，取平均值作為最后結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)侵蝕作用對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

在宏觀上化學(xué)侵蝕作用的主要表現(xiàn)為砂漿試樣力學(xué)參數(shù)的劣化，取不同溶液及不同侵蝕時(shí)間t的砂漿試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同溶液下水泥砂漿抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖2(a)所示。初始狀態(tài)下試樣的抗壓強(qiáng)度為31 MPa。

由圖2(a)可以得出，在蒸餾水環(huán)境中，水泥砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間增加而增大，侵蝕180 d達(dá)到37.51MPa后趨于穩(wěn)定，為初始狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度的1.21倍。圖2(b)為溶液pH值隨侵蝕時(shí)間的變化，可以看出，即使在中性蒸餾水環(huán)境下，試樣仍會(huì)發(fā)生溶出性侵蝕(Ca2+和OH-析出)，溶液變?yōu)閴A性，同時(shí)生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和C-H晶體，這對(duì)砂漿結(jié)構(gòu)仍有一定的影響。

圖2 水泥砂漿試樣抗壓強(qiáng)度和溶液pH值變化曲線

在pH值為3的Na2SO4溶液環(huán)境中，砂漿試樣在侵蝕時(shí)間5 d時(shí)抗壓強(qiáng)度相較初始狀態(tài)減小1.91%。由于侵蝕初期階段溶液為酸性環(huán)境，其中的H+極易與砂漿的水化產(chǎn)物反應(yīng)，使得砂漿棱角剝落，導(dǎo)致砂漿試樣因缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中，整體抗壓強(qiáng)度降低。隨著侵蝕時(shí)間的增加，H+濃度降低，溶液逐漸由酸性變?yōu)閴A性，進(jìn)入了硫酸鹽侵蝕階段。

在pH值為1的Na2SO4溶液環(huán)境中，由于H+濃度很大，溶液的pH值隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)有所增加，但砂漿試樣仍一直處于酸性侵蝕階段。砂漿強(qiáng)度的劣化程度較其他3種溶液環(huán)境下明顯大得多，在侵蝕時(shí)間240 d時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度僅為16.60 MPa，較初始狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度降低了46.45%。

2.2 化學(xué)侵蝕作用對(duì)水泥砂漿臨界水壓力特性的影響

進(jìn)行砂漿試樣水力劈裂特性試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)試樣所受水壓達(dá)到臨界水壓力Pc時(shí)，電動(dòng)施壓泵的電調(diào)壓力會(huì)陡降至0附近，同時(shí)試樣預(yù)制裂縫會(huì)擴(kuò)展貫通整個(gè)試件，從而發(fā)生劈裂破壞。

以pH值為7的Na2SO4溶液浸泡5 d的第一個(gè)試樣A-1-1為例(圖3)，可以看出，砂漿試樣的水壓力由148 s的1.927 MPa升至149 s的1.948 MPa，隨后在150 s迅速跌落至0.887 MPa，并繼續(xù)下降至0附近。由此可以認(rèn)為試樣A-1-1在149 s發(fā)生水力劈裂破壞，水力劈裂臨界水壓力為1.948 MPa。

圖3 試樣A-1-1水壓加載過(guò)程變化曲線

每組工況選取3個(gè)試樣的平均值作為最終的水力劈裂臨界水壓力，不同溶液中砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力變化如圖4所示。初始狀態(tài)(未侵蝕)試樣的水力劈裂臨界水壓為1.69 MPa。

圖4 砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力變化曲線

從圖4可以得出，不同溶液侵蝕環(huán)境中砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力Pc較初始狀態(tài)下均發(fā)生變化。在蒸餾水環(huán)境中，砂漿試樣的Pc隨侵蝕時(shí)間的增加而增大，在180 d后變化幅度較小，Pc值在2.13～2.23 MPa之間，趨于穩(wěn)定。在pH值為7的中性環(huán)境和pH值為3的弱酸性環(huán)境中，砂漿試樣的Pc都隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后減小，并在180 d時(shí)達(dá)到峰值，相較初始狀態(tài)下分別增加65.68%和60.36%；180 d后砂漿試樣的水力劈裂臨界水壓力急劇減小，240 d時(shí)較初始狀態(tài)下分別減小27.22%和33.73%。值得指出的是，在pH值為3的弱酸性環(huán)境中，砂漿試樣的Pc變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律存在一定差異，在侵蝕時(shí)間0～10 d期間，砂漿試樣的Pc并沒(méi)有出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵嚇拥闹行念A(yù)制裂縫與溶液的接觸面積較小，H+對(duì)砂漿結(jié)構(gòu)的劣化作用不明顯。在pH值為1的強(qiáng)酸性環(huán)境中，砂漿試樣的Pc隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)不斷減小，劣化程度最大，240 d時(shí)水力劈裂臨界水壓力僅為0.27 MPa，較初始狀態(tài)下減小84.02%。

為定量研究中央有預(yù)制裂縫的砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力變化特性，定義損傷變量K以反映砂漿試樣在不同溶液侵蝕下抗劈裂能力的劣化程度：

(1)

式中：Pc0為初始狀態(tài)下中央含有穿透性預(yù)制裂縫的砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力，MPa；Pct為t時(shí)刻中央含有穿透性預(yù)制裂縫的砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力，MPa。

根據(jù)式(1)分別計(jì)算不同溶液中不同侵蝕時(shí)間下的損傷變量K變化過(guò)程，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在蒸餾水環(huán)境中，砂漿試樣的損傷變量K和侵蝕時(shí)間t在0～180 d時(shí)存在較為明顯的線性關(guān)系，可表達(dá)為K=1.62×10-3t+1.019。擬合曲線的決定系數(shù)R2=0.981 9，這也證實(shí)了一次線性函數(shù)可以較好地反映在蒸餾水環(huán)境下水泥砂漿試樣的抗高水壓力劈裂能力和侵蝕時(shí)間的關(guān)系。

圖5 砂漿試樣的損傷變量和侵蝕時(shí)間關(guān)系曲線

在Na2SO4溶液環(huán)境中，采用不同函數(shù)擬合砂漿試樣的損傷變量K和侵蝕時(shí)間t之間的關(guān)系，各函數(shù)擬合的決定系數(shù)R2如表1所示。

表1 Na2SO4溶液環(huán)境下不同函數(shù)擬合結(jié)果的決定系數(shù)

從表1可以看出，二次函數(shù)在pH值為1的Na2SO4溶液環(huán)境下能基本反映損傷變量K和侵蝕時(shí)間t之間的關(guān)系，但在其他溶液環(huán)境下的擬合結(jié)果不盡人意。三次函數(shù)擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2都在0.93以上，且較二次函數(shù)擬合結(jié)果的R2均有較大增長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)一步提高擬合函數(shù)最高次項(xiàng)時(shí)，決定系數(shù)R2增長(zhǎng)都不大。這表明三次函數(shù)已經(jīng)能夠較好地反映在酸性和中性Na2SO4溶液環(huán)境下水泥砂漿試樣的抗高水壓力劈裂能力和侵蝕時(shí)間的關(guān)系，其擬合的函數(shù)關(guān)系可以用下式表達(dá)：

(2)

式中：a、b、c、d為相關(guān)參數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2 Na2SO4溶液環(huán)境下參數(shù)a、b、c、d和決定系數(shù)取值

基于損傷變量K可以定義損傷變化率L來(lái)反映砂漿試樣在不同水化學(xué)溶液侵蝕下抗劈裂能力的劣化速率：

(3)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析砂漿水力劈裂損傷變量K和損傷變化率L可知，在pH值為7、3的溶液中試樣在侵蝕150 d左右達(dá)到水力劈裂臨界水壓力最大值即變化率零點(diǎn)，而在pH值為1的Na2SO4溶液中侵蝕的試樣不存在變化率零點(diǎn)，水力劈裂臨界水壓力一直減小。

3 化學(xué)侵蝕作用下砂漿水力劈裂機(jī)理分析

不同溶液侵蝕下砂漿試樣的抗水力劈裂能力呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，下面從微觀角度簡(jiǎn)要分析其劣化機(jī)理。

在蒸餾水溶液浸泡下試樣發(fā)生溶出性侵蝕，Ca2+和OH-析出，生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和C-H晶體，使得砂漿試樣中的預(yù)制裂縫縫尖更加致密，砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度增大。如圖6所示，當(dāng)進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)時(shí)，試樣在預(yù)制裂縫的高滲透水壓作用下，縫尖會(huì)萌生許多微裂縫，這些微裂縫會(huì)隨著水壓力的增大而發(fā)育、貫通形成大裂縫。當(dāng)縫尖損傷劣化區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，尖端的應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)砂漿的斷裂韌度時(shí)，試樣便會(huì)整體失穩(wěn)破壞。

圖6 砂漿試樣裂縫擴(kuò)展示意圖

(4)

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·12H2O+

(5)

(6)

(7)

在侵蝕后期，由于石膏、鈣礬石等侵蝕產(chǎn)物的大量堆積，這些膨脹性產(chǎn)物會(huì)使裂縫尖端劣化，較原始狀態(tài)產(chǎn)生更多的微裂縫。在高滲透水壓作用下，縫尖損傷劣化區(qū)會(huì)更快發(fā)展，使得砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力減小。

nSiO2+mH2O

(8)

(9)

(10)

式中：m、n為系數(shù)。

4 結(jié) 論

a.不同pH值的硫酸鹽溶液對(duì)砂漿試樣的物理力學(xué)特性侵蝕劣化作用不相同。在pH值為7的中性環(huán)境中，砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間先增大后減小，并在侵蝕180 d時(shí)達(dá)到峰值；在pH值為3的弱酸性環(huán)境中，砂漿試樣的抗壓強(qiáng)度在侵蝕5 d時(shí)相較初始狀態(tài)減小1.91%，之后隨侵蝕時(shí)間先增大后減?。辉趐H值為1的強(qiáng)酸性環(huán)境中，砂漿抗壓強(qiáng)度的劣化程度較其他兩種溶液環(huán)境下明顯大得多，在240 d時(shí)抗壓強(qiáng)度較初始狀態(tài)減小46.45%。

b.不同砂漿試樣的水力劈裂臨界水壓力在不同pH值的硫酸鹽溶液侵蝕下呈現(xiàn)明顯的時(shí)間依賴性和階段性。在pH值為7的中性和pH值為3的弱酸性環(huán)境中，砂漿試樣的水力劈裂臨界水壓力在前150 d時(shí)為增長(zhǎng)階段，之后為劣化降低階段；在pH值為1的強(qiáng)酸性環(huán)境中，砂漿試樣宏觀性能逐漸劣化，相比其他水化學(xué)溶液環(huán)境下劣化程度更大。

c.在Na2SO4溶液環(huán)境中水泥砂漿試樣的損傷變量和侵蝕時(shí)間之間有較好的三次函數(shù)關(guān)系，為研究化學(xué)溶液環(huán)境下水泥砂漿的抗劈裂性能提供了思路。

d.通過(guò)分析砂漿試樣在不同水化學(xué)溶液侵蝕下的水力劈裂機(jī)理可知，在pH值為7和3的Na2SO4溶液中，初期水化產(chǎn)物和侵蝕產(chǎn)物填充砂漿試樣內(nèi)部孔隙，提高抗水力劈裂能力；后期大量堆積膨脹的侵蝕產(chǎn)物使砂漿試樣裂縫尖端劣化，加速水力劈裂破壞。在pH值為1的Na2SO4溶液中，酸性腐蝕一直處于主導(dǎo)地位，水化產(chǎn)物對(duì)砂漿微觀結(jié)構(gòu)骨架形成破壞，侵蝕產(chǎn)物進(jìn)一步對(duì)已經(jīng)破壞的微觀結(jié)構(gòu)擾動(dòng)劣化，使得試樣砂化嚴(yán)重，抗水力劈裂能力加速劣化。