硫酸鹽侵蝕下混凝土力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律分析

黃 銳

(中鐵十九局集團(tuán) 第一工程有限公司, 遼寧 遼陽(yáng) 111000)

酸性環(huán)境下具腐蝕性的離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部后,與水泥中的堿性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生堿性膨脹物,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土膨脹破裂,承載能力下降,最終導(dǎo)致破壞[1-3].目前最常見(jiàn)的酸腐蝕混凝土多為硫酸鹽[4-6].

近年來(lái),我國(guó)學(xué)者對(duì)混凝土的耐久研究成果頗豐.姜磊等[7]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)Na2SO4溶液浸泡的混凝土試件進(jìn)行了研究,并對(duì)混凝土受酸性環(huán)境區(qū)域進(jìn)行了劃分.劉紅娟等[8]通過(guò)硫酸鋇沉淀法、SEM(電鏡掃描)、XRD(X射線衍射)等方法對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行了硫酸鹽侵蝕下的干濕循環(huán)試驗(yàn).李曉東等[9]結(jié)合蘭州地鐵實(shí)際工程背景,對(duì)C40、C45、C50、C55 4種高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了酸性環(huán)境下的浸泡試驗(yàn),分析試樣的質(zhì)量、波速等耐久性指標(biāo).張豐川等[10]基于Wiener理論,建立了酸性干濕循環(huán)條件下混凝土的耐久性理論模型,并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證.呂瑤等[11]通過(guò)混凝土的快速硫化試驗(yàn),對(duì)混凝土的硫化程度進(jìn)行分析,并建立典型工業(yè)環(huán)境混凝土硫化深度預(yù)測(cè)模型.

綜上分析可知,酸性環(huán)境對(duì)混凝土造成的影響不同忽視.本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合某高層建筑的實(shí)際工況,對(duì)混凝土受硫酸鹽侵蝕的力學(xué)特性及損傷演化情況做進(jìn)一步研究,為混凝土抗酸性環(huán)境腐蝕提供可靠的技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

本文試驗(yàn)用水泥采用遼寧阜新鷹牌水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5型普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用阜新熱電廠生產(chǎn)的工業(yè)Ⅱ級(jí)粉煤灰;細(xì)骨料采用市面銷售的普通河砂,細(xì)度模數(shù)2.57;粗骨料采用粒徑為4.0～15.0 mm的普通石灰?guī)r碎石;減水劑采用阜新化工廠生產(chǎn)的GJ-1型減水劑;試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水,經(jīng)過(guò)檢測(cè)分析可知,本文用水pH值約為7.6,略偏堿性,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小.試驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1,配合比見(jiàn)表2.

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分 %

表2 配合比

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)現(xiàn)有大量的研究成果可知,Na2SO4與MgSO4是酸雨中含量最高的2種成分,因此采用此2種溶液更加接近實(shí)際情況.為研究硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土力學(xué)特性的影響,本文將從硫酸鹽侵蝕時(shí)間、硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)及硫酸鹽種類3方面影響因素進(jìn)行分析.其中,侵蝕時(shí)間分別為30、60、90、120 h,硫酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%和20%的Na2SO4溶液,硫酸種類分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、侵蝕時(shí)間30 d的Na2SO4溶液、MgSO4溶液.根據(jù)表2配合比設(shè)計(jì)制備100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件,制備時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土進(jìn)行充分振搗,使試件內(nèi)部盡可能減少氣泡出現(xiàn).試件澆筑24 h后進(jìn)行脫模,然后放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d,然后在自然環(huán)境下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)60 d,待養(yǎng)護(hù)達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn).首先,對(duì)未受硫酸鹽侵蝕的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),混凝土的基本力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,未進(jìn)行侵蝕處理的試樣抗壓強(qiáng)度為76.48 MPa、峰值應(yīng)變?yōu)?.44×10-3、彈性模量為53.51 GPa;然后將對(duì)應(yīng)編號(hào)的試件分別放入先前調(diào)制好的硫酸鹽溶液中,待達(dá)到對(duì)應(yīng)的侵蝕時(shí)間后取出試件,自然風(fēng)干7 d,然后對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).本文試驗(yàn)儀器為WAW-1000型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載速率為0.2 mm/min,直至試件失穩(wěn)破壞,提取試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行下一組試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 Na2SO4溶液影響分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案,對(duì)不同硫酸鹽侵蝕條件下的混凝土試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).圖1為Na2SO4溶液侵蝕下的混凝土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出:不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)大體相同,試樣的抗壓強(qiáng)度均隨應(yīng)變呈先增后減的變化規(guī)律,這一點(diǎn)與巖石類材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為接近,均可分為微裂隙壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段、峰后階段和殘余階段5階段變形特征,其中微裂隙壓密階段與巖石類材料有所不同,混凝土試件并未表現(xiàn)出明顯的裂隙壓密過(guò)程,原因是在混凝土制樣過(guò)程中進(jìn)行了充分的振搗,內(nèi)部孔隙基本消除,致使試樣在加載初期便進(jìn)入了彈性階段.

(a) 侵蝕時(shí)間

(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖1 Na2SO4溶液侵蝕下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為根據(jù)不同侵蝕時(shí)間及不同Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線直接或間接計(jì)算得到的混凝土力學(xué)參數(shù),包括抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量.從圖2(a)中可以看出,相同 Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨著試件侵蝕時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減趨勢(shì),而峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為逐漸遞增.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)侵蝕時(shí)間為30 h時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變分別為67.9 MPa、47.48 GPa和1.43×10-3;當(dāng)侵蝕時(shí)間分別為60、90和120 h時(shí),混凝土試樣的峰值強(qiáng)度分別下降了11.49%、23.23%和30.08%,彈性模量分別下降了18.11%、43.18%和58.27%,峰值應(yīng)變則分別提升了3.50%、10.49%和13.29%,可見(jiàn),Na2SO4溶液侵蝕時(shí)間對(duì)混凝土具有顯著的影響.

(a) 侵蝕時(shí)間

(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖2 Na2SO4溶液侵蝕下的力學(xué)參數(shù)分布曲線

從圖2(b)中可以看出,相同Na2SO4溶液侵蝕時(shí)間下,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大,試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均出現(xiàn)逐漸減小情況,而峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為先減后增,原因可能是由于試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)操作問(wèn)題導(dǎo)致的10% Na2SO4溶液的峰值應(yīng)變出現(xiàn)減小情況.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變分別為67.9 MPa、47.48 GPa和1.43×10-3;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%和20%時(shí),混凝土試樣的峰值強(qiáng)度分別下降了17.88%、33.93%和52.24%,彈性模量分別下降了13.75%、45.15%和82.06%,峰值應(yīng)變則分別提升了-3.62%、7.74%和16.37%,可見(jiàn),Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大對(duì)混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響越大.

2.2 MgSO4溶液影響分析

圖3為MgSO4溶液侵蝕下的混凝土試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出：不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與Na2SO4溶液侵蝕下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大體相同.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提取不同試驗(yàn)條件下的力學(xué)參數(shù),繪制各參數(shù)隨侵蝕時(shí)間、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布曲線見(jiàn)圖4.從圖4(a)中可以看出：相同 MgSO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨著試件侵蝕時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減趨勢(shì),峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為逐漸遞增.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)侵蝕時(shí)間為30 h時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變分別為74.7 MPa、50.23 GPa和1.43×10-3;當(dāng)侵蝕時(shí)間分別為60、90、120 h時(shí),混凝土試樣的峰值強(qiáng)度分別下降了7.17%、13.01%和17.45%,彈性模量分別下降了14.21%、39.88%和57.21%,峰值應(yīng)變則分別提升了15.88%、33.80%和38.36%,可見(jiàn),MgSO4溶液侵蝕時(shí)間對(duì)混凝土同樣具有較為明顯的影響.

(a) 侵蝕時(shí)間

(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖3 MgSO4溶液侵蝕下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4(b)中可以看出：相同MgSO4溶液侵蝕時(shí)間下,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大,試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均出現(xiàn)逐漸減小情況,而峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為逐漸遞增.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及峰值應(yīng)變分別為67.9 MPa、47.48 GPa和1.43×10-3;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%和20%時(shí),混凝土試樣的峰值強(qiáng)度分別下降了7.17%、24.29%和36.07%,彈性模量分別下降了9.70%、33.59%和49.67%,峰值應(yīng)變則分別提升了18.29%、33.80%和41.87%,可見(jiàn),MgSO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大對(duì)混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響越大.

(a) 侵蝕時(shí)間

(b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖4 MgSO4溶液侵蝕下力學(xué)參數(shù)分布曲線

2.3 2種硫酸鹽對(duì)比分析

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)Na2SO4溶液與MgSO4溶液均對(duì)混凝土造成了較為嚴(yán)重的劣化作用,為了區(qū)分二者對(duì)混凝土的影響程度,本文定義一個(gè)影響系數(shù),可由下式表示:

(1)

式中:λi為影響系數(shù);x0為各力學(xué)參數(shù)初始值;xi為不同試驗(yàn)條件值.

根據(jù)式(1)計(jì)算不同試驗(yàn)條件下各力學(xué)參數(shù)受2種溶液的影響系數(shù)，見(jiàn)圖5～6.

從圖5中可以看出:2種硫酸鹽溶液對(duì)混凝土的各力學(xué)參數(shù)影響具有顯著差異,相同侵蝕時(shí)間下,Na2SO4溶液對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響要強(qiáng)于MgSO4溶液,而Na2SO4溶液對(duì)峰值影響的影響則弱于MgSO4溶液,原因可能是Na2SO4溶液侵蝕后使得混凝土的承載能力顯著下降,且承載能力降幅要與軸向變形降幅,使得峰值應(yīng)變受Na2SO4溶液影響相對(duì)減弱.從圖中還可以看出,各力學(xué)參數(shù)的影響系數(shù)均隨侵蝕時(shí)間單調(diào)變化,其中抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響系數(shù)隨侵蝕時(shí)間逐漸遞增,峰值應(yīng)變影響系數(shù)逐漸遞減.

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 峰值應(yīng)變

(c) 彈性模量圖5 侵蝕時(shí)間影響下的參數(shù)對(duì)比分析

從圖6中可以看出:相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,Na2SO4溶液對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響要強(qiáng)于MgSO4溶液,而Na2SO4溶液對(duì)峰值應(yīng)變的影響則弱于MgSO4溶液,原因與前文相近,不再解釋.從圖中還可以看出,各力學(xué)參數(shù)的影響系數(shù)均隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)單調(diào)變化,其中抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響系數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸遞增,峰值應(yīng)變影響系數(shù)逐漸遞減.

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 峰值應(yīng)變

(c) 彈性模量圖6 質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響下的參數(shù)對(duì)比分析

3 損傷演化分析

根據(jù)上述分析可知,不同侵蝕時(shí)間、不質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的Na2SO4溶液與MgSO4溶液均對(duì)混凝土造成了較為嚴(yán)重的損傷劣化,因此,有必要對(duì)2種硫酸鹽溶液對(duì)混凝土造成的損傷進(jìn)行定量分析,以便于更加直觀地了解2種硫酸鹽溶液對(duì)混凝土的損傷情況.根據(jù)有效應(yīng)力原理,定義損傷變量如下式:

(2)

式中:D為損傷變量;E′為不同試驗(yàn)條件下的彈性模量;E0初始彈性模量.

根據(jù)式(2)計(jì)算不同試驗(yàn)條件下的損傷變量如圖7所示，可以看出,2種硫酸鹽溶液下混凝土的損傷變量均隨侵蝕時(shí)間和質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大.由圖7(a)可知:不同侵蝕時(shí)間下均為Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量更大,當(dāng)侵蝕時(shí)間為30 h時(shí),Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量為0.112 6,MgSO4溶液導(dǎo)致的損傷變量為0.061 3；當(dāng)侵蝕時(shí)間增至120 h時(shí),2種硫酸鹽導(dǎo)致的損傷變量分別為0.481 0和0.439 0,損傷變量增幅分別為76.59%和86.03%.可見(jiàn),雖然Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量更大,但MgSO4溶液導(dǎo)致的損傷變量增幅更大.

(a) 侵蝕時(shí)間

(b) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖7 2種硫酸鹽損傷變量對(duì)比

由圖7(b)可知:不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均為Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量更大,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí),Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量為0.112 6,MgSO4溶液導(dǎo)致的損傷變量為0.061 3,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),2種硫酸鹽導(dǎo)致的損傷變量分別為0.583 1和0.512 6,損傷變量增幅分別為80.69%和88.04%,同樣說(shuō)明MgSO4溶液導(dǎo)致的損傷變量增幅增大.

4 結(jié)論

1) 相同 Na2SO4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,隨著試件侵蝕時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈逐漸遞減趨勢(shì),而峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為逐漸遞增;相同Na2SO4溶液侵蝕時(shí)間下,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增大,試樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量均出現(xiàn)逐漸減小情況,而峰值應(yīng)變則表現(xiàn)為逐漸遞增.MgSO4溶液同樣得到類似結(jié)論.

2) 相同侵蝕時(shí)間下,Na2SO4溶液對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響要強(qiáng)于MgSO4溶液,而Na2SO4溶液對(duì)峰值應(yīng)變影響的影響則弱于MgSO4溶液;相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,Na2SO4溶液對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響要強(qiáng)于MgSO4溶液,而Na2SO4溶液對(duì)峰值應(yīng)變影響的影響則弱于MgSO4溶液.

3) 不同侵蝕時(shí)間下均為Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量大于MgSO4溶液;不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均為Na2SO4溶液導(dǎo)致的損傷變量大于MgSO4溶液;2種硫酸鹽溶液侵蝕下,MgSO4溶液導(dǎo)致?lián)p傷變量增幅更大.