干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用下硫酸鈉腐蝕對(duì)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的影響

孔 駿， 韓 敏， 丁永發(fā)， 蒙建雷， 郭成功， 周曉平， 楊淑雁

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

我國(guó)西北地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季晝夜溫、濕差大，土壤和水中富含腐蝕性硫酸根離子和氯離子.大的溫度和濕度差加快了臨水區(qū)服役期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的毛細(xì)上升作用，水中所含的腐蝕性硫酸根離子和氯離子被毛細(xì)水?dāng)y帶至水面或者土壤表面，加之凍融循環(huán)的作用，多因素的共同作用已成為西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的主要原因.現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，硫酸鹽對(duì)混凝土的侵蝕主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鈣礬石和石膏等具有膨脹特性的產(chǎn)物，對(duì)混凝土產(chǎn)生膨脹力而導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂破壞；另一類(lèi)是硫酸鈉物理結(jié)晶體在混凝土孔隙中沉淀、積累和膨脹，最終導(dǎo)致混凝土孔隙的開(kāi)裂直至破壞.西北地區(qū)復(fù)雜服役環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的調(diào)查表明[1—2]，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在水面或土壤以上部分的破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水面或土壤以下部分的破壞.以水面為界，上部主要發(fā)生硫酸鹽物理結(jié)晶破壞，下部主要發(fā)生化學(xué)侵蝕破壞.因此，西北地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)應(yīng)該集中于干濕循環(huán)、硫酸鹽和凍融循環(huán)復(fù)合環(huán)境作用下的硫酸鹽物理結(jié)晶破壞.

目前，關(guān)于硫酸鈉物理結(jié)晶侵蝕下硫酸鹽、干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的研究還很少，探索硫酸鈉物理結(jié)晶和凍融循環(huán)復(fù)合作用下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律仍具有一定的研究意義.本文采用了一種新的干濕循環(huán)制度來(lái)完成硫酸鈉物理結(jié)晶侵蝕試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上完成了凍融循環(huán)試驗(yàn)，來(lái)研究干濕循環(huán)和凍融循環(huán)復(fù)合作用下硫酸鈉物理結(jié)晶腐蝕對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，分析了不同凍融循環(huán)下混凝土外觀特征、質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量的變化.基于試驗(yàn)結(jié)果建立了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系計(jì)算式，為研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形破壞提供重要依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及試件設(shè)計(jì)

原材料主要如下：水泥，采用寧夏建材集團(tuán)生產(chǎn)的賽馬牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)集料為中砂，采用水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.78；粗集料，采用5～25 mm連續(xù)粒級(jí)的碎石；水，使用潔凈自來(lái)水.每立方米混凝土水泥、水、沙、碎石的用量(質(zhì)量)分別為420，185，572，1 273 kg.試樣采用100 mm×100 mm×300 mm混凝土棱柱體，先完成15次的硫酸鈉干濕循環(huán)試驗(yàn)，然后再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).設(shè)計(jì)未干濕循環(huán)未凍融循環(huán)及干濕循環(huán)各15次后凍融循環(huán)0，25，50，75次的5組試件，每組制作3個(gè)試件，共計(jì)15個(gè)試件.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1.

表1 混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 腐蝕方法

1.2.1硫酸鈉干濕循環(huán)試驗(yàn) 為了完成硫酸鈉物理結(jié)晶侵蝕，采用了一種新的干濕循環(huán)制度，即試樣先在10%硫酸鈉溶液中浸泡6 h，然后在60～65 ℃烘箱中烘干16 h，最后在室溫下冷卻2 h.一次干濕循環(huán)時(shí)間為24 h.

1.2.2凍融循環(huán)試驗(yàn) 凍融循環(huán)試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[11]進(jìn)行.試樣在完成硫酸鈉干濕循環(huán)試驗(yàn)后，在水中浸泡4 d充分飽水，然后放入凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中分別進(jìn)行0,25,50,75次的凍融循環(huán).

1.3 測(cè)試方法

1.3.1動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失測(cè)試 每隔25次凍融循環(huán)用DT-20W混凝土動(dòng)彈儀測(cè)定試件的橫向基頻，由此計(jì)算相對(duì)動(dòng)彈性模量；擦干表面水分后，用電子秤測(cè)試試樣的質(zhì)量，由此計(jì)算試件的質(zhì)量損失率.

1.3.2單軸受壓試驗(yàn) 試驗(yàn)在寧夏大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)力傳感器采集試件承受的壓力，混凝土兩側(cè)的變形位移由HBC4020混凝土微變形測(cè)量?jī)x測(cè)得，該儀器由兩只高精度引伸計(jì)組成，測(cè)量標(biāo)距為150 mm.全程采用位移控制，加載速度為0.01 mm/min，觀察受壓過(guò)程試件破壞情況，直至應(yīng)力趨于穩(wěn)定或試塊完全破壞.

1.3.3掃描電鏡(SEM)試驗(yàn) 對(duì)應(yīng)每一種設(shè)計(jì)參數(shù)，另制作1個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，與棱柱體試樣同條件腐蝕.在設(shè)計(jì)齡期，將試樣敲碎，取其中部直徑小于5 mm的混凝土塊，完成掃描電鏡測(cè)試,觀察其內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.

2 結(jié)果與分析

2.1 試件腐蝕形貌

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的外觀形貌.圖1b為先完成15次硫酸鈉干濕循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)0次的外觀形貌.從圖1b可以看出，與未干濕循環(huán)的試樣(圖1a)相比，試件表面只有少量的微小孔洞和小部分的砂漿脫落，但未發(fā)現(xiàn)粗骨料外露，試件總體比較光滑.從圖1c～圖1e可以看到，隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0增加到25，50，75次，混凝土試塊表面逐漸變得粗糙不平，掉渣掉皮，表面的氣孔逐漸增大，粗細(xì)骨料逐漸顯露，棱角缺失嚴(yán)重.

2.2 質(zhì)量損失率

凍融后試件減少的質(zhì)量與原試件質(zhì)量的比值稱(chēng)為質(zhì)量損失率，其計(jì)算公式為

(1)

式中：ΔMn為n次凍融循環(huán)后混凝土試塊的質(zhì)量損失率(%)；M0為凍融循環(huán)試驗(yàn)前混凝土試塊的質(zhì)量(g)；Mn為n次凍融循環(huán)后混凝土試塊的質(zhì)量(g).

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件外觀形貌

圖2為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，試樣質(zhì)量損失率的變化規(guī)律.由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的質(zhì)量損失率逐漸增大，從未凍融到凍融循環(huán)25次的質(zhì)量損失率最大，達(dá)到2.5%.可能的原因?yàn)殡S凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試件表面、棱角處的水泥砂漿剝落，同時(shí)粗、細(xì)骨料暴露出來(lái)，甚至脫落，導(dǎo)致了試件質(zhì)量的減少.

圖2 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

相對(duì)動(dòng)彈性模量可按下式計(jì)算：

(2)

圖3為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律.由圖3可見(jiàn)，試件在經(jīng)過(guò)15次的硫酸鹽干濕循環(huán)后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸下降，這表明混凝土內(nèi)部損傷逐漸增大.

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

將試件的實(shí)測(cè)荷載換算成應(yīng)力σ，并乘以0.95換算成標(biāo)準(zhǔn)棱柱體應(yīng)力.把縱向位移除以引伸計(jì)的標(biāo)距150 mm，換算成應(yīng)變?chǔ)?，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4.從圖4可以看出，10%硫酸鈉溶液干濕循環(huán)15次后，凍融循環(huán)25次的試樣峰值應(yīng)力降低了45.5%，由此可見(jiàn)，凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響非常大.從圖4還可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的上升段斜率逐漸減小，混凝土峰值應(yīng)變逐漸增大，彈性模量呈線(xiàn)性下降趨勢(shì).

圖3 相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 不同凍融循環(huán)后混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.5 掃描電鏡(SEM)結(jié)果

硫酸鹽干濕循環(huán)15次后，不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土SEM圖見(jiàn)圖5.由圖5a可以看出，未凍融試件較為密實(shí)，微觀缺陷和損傷較小，可觀察到大量絮團(tuán)狀C-S-H凝膠體和Ca(OH)2片狀晶體.由圖5b和5c可知，凍融循環(huán)造成了較大的空洞和內(nèi)部碎塊聚集，混凝土結(jié)構(gòu)越松散；經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后(圖5d)，混凝土內(nèi)部孔洞變大，并出現(xiàn)了較大的內(nèi)裂縫；經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后(圖5e)，由于混凝土中的孔隙水反復(fù)凍結(jié)和融化，使得混凝土內(nèi)部裂縫不斷延伸、擴(kuò)展、內(nèi)部碎塊聚集，進(jìn)而造成裂縫相互貫通.可見(jiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件內(nèi)部逐漸變得疏松多孔，界面黏結(jié)力減弱，宏觀表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度下降.

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣的SEM圖

3 討論

通過(guò)對(duì)試樣外觀形貌的觀察及質(zhì)量損失率和SEM微觀結(jié)構(gòu)的分析得到，試樣在干濕循環(huán)后產(chǎn)生硫酸鈉物理結(jié)晶體沉淀并在孔壁中積累，使得孔隙體積減小.凍融循環(huán)后，水滲透進(jìn)入孔隙中并結(jié)冰，使孔壁迅速膨脹開(kāi)裂，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度損失.持續(xù)的孔壁開(kāi)裂導(dǎo)致混凝土表層脫落，造成較大的混凝土質(zhì)量損失，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增大，混凝土內(nèi)部開(kāi)裂不斷積累，孔隙不斷增大，最終造成極限應(yīng)力的大幅度下降.通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下降段的分析發(fā)現(xiàn)，凍融后的試樣均平緩，變形能力也變大，說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)混凝土的應(yīng)變強(qiáng)度是有利的.

抽取各試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的峰值應(yīng)力σc，繪制σc隨凍融循環(huán)次數(shù)n的變化規(guī)律(圖6).由圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，σc不斷減小.通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，兩者有較好的線(xiàn)性遞減關(guān)系，得到的線(xiàn)性擬合公式為：

σc=-0.211 12n+22.852，R2=0.876 98.

(3)

抽取各試樣峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)與，繪制其與凍融循環(huán)次數(shù)N的變化規(guī)律(圖7).由圖7可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，峰值應(yīng)力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變不斷增大.通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，兩者有較好的線(xiàn)性遞增關(guān)系，得到的線(xiàn)性擬合公式為

εc=0.011 76n+3.689，R2=0.996 27.

(4)

圖6 峰值應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

凍融循環(huán)次數(shù)與彈性模量的變化規(guī)律見(jiàn)圖8.由圖8可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，彈性模量逐漸降低.通過(guò)擬合得到二者的線(xiàn)性擬合公式為

Ec=-0.070 4n+6.59，R2=0.858 06.

(5)

4 結(jié)論

1)混凝土試件在經(jīng)過(guò)硫酸鹽干濕循環(huán)后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土表面剝蝕嚴(yán)重，混凝土質(zhì)量損失逐漸增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低.

2)硫酸鹽物理結(jié)晶和凍融循環(huán)對(duì)混凝土試件的彈性模量、峰值應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均有較大的影響.試件在經(jīng)過(guò)硫酸鹽干濕循環(huán)后，峰值應(yīng)力、彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大.

3)通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)峰值應(yīng)力和相對(duì)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)線(xiàn)性遞減，而相對(duì)峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)線(xiàn)性遞增.文中分別給出了相應(yīng)的線(xiàn)性擬合關(guān)系.

圖8 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系