干濕循環(huán)與持續(xù)軸壓荷載對水泥砂漿耐硫酸鹽侵蝕性能的影響

王 帥,胡少偉,李文昊,李景浩

(重慶大學 土木工程學院,重慶 400045)

1 研究背景

水泥基材料廣泛用于水工結(jié)構(gòu),但由于所處環(huán)境惡劣,大量水工結(jié)構(gòu)常年遭受硫酸鹽侵蝕,腐蝕會導致水泥基材料膨脹、開裂和破壞[1]。在海岸等水位頻繁變化的地區(qū),水工結(jié)構(gòu)面臨干濕循環(huán)、溫度變化等更為復雜的環(huán)境條件,且實際結(jié)構(gòu)在外荷載作用下工作,硫酸鹽侵蝕過程更加復雜。對水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能開展研究對水工結(jié)構(gòu)設計、耐久性和安全性評價具有重要意義。

目前,越來越多學者關注水泥基材料受硫酸鹽侵蝕的劣化規(guī)律和機理,但硫酸鹽侵蝕是一種復雜的物理-化學作用,其侵蝕機理尚未形成定論。Yu等[2]研究了干濕循環(huán)作用下硫酸鹽溶液對砂漿性能的影響,并采用二項式公式描述劣化砂漿抗壓強度和透水系數(shù)的變化。Jiang等[3-4]探討了干濕循環(huán)作用下溶液濃度和硫酸鹽類型對混凝土劣化過程的影響并分析了其損傷過程。然而荷載作用會直接影響砂漿的微觀結(jié)構(gòu)和滲透性能[5],進而影響其耐硫酸鹽侵蝕性能,因此必須考慮荷載作用才更加符合實際。Liu等[6]針對彎曲疲勞荷載與干濕循環(huán)作用,對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力進行試驗,結(jié)果表明彎曲疲勞載荷和干濕循環(huán)可加速混凝土內(nèi)部硫酸根離子的遷移和混凝土的劣化。逯靜洲等[7]研究了軸壓荷載作用對混凝土相對動彈性模量的劣化影響,結(jié)果表明軸壓荷載對劣化有顯著促進作用。曹健[8]研究了荷載、干濕循環(huán)對混凝土長期性能的影響,發(fā)現(xiàn)各因素選擇的水平不同,對混凝土的復合作用會產(chǎn)生或減緩或加劇的效應。

微觀層面的研究[9-12]表明,硫酸鹽會破壞水泥基材料內(nèi)部組分和微觀結(jié)構(gòu),隨侵蝕的進行微觀結(jié)構(gòu)逐漸損傷劣化,荷載的作用則會加劇損傷的發(fā)生,最終缺陷的累積導致宏觀性能隨齡期的劣化和破壞?？梢?對水泥基材料的抗硫酸鹽侵蝕能力研究主要圍繞混凝土開展,所施加的荷載也多為彎曲荷載或短期軸壓荷載,針對持續(xù)軸壓荷載作用下水泥砂漿的耐硫酸鹽侵蝕性能和微觀侵蝕機理的研究尚待補充。

本文開展了持續(xù)軸壓荷載作用下硫酸鹽侵蝕對水泥砂漿性能影響的試驗研究,通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)和能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)進行微觀結(jié)構(gòu)形貌和劣化產(chǎn)物分析,探究干濕循環(huán)和持續(xù)軸壓荷載作用下水泥砂漿受硫酸鹽侵蝕的劣化規(guī)律和機理,有利于指導水工結(jié)構(gòu)物的耐久性設計。

2 原材料與試驗方法

2.1 試驗原材料

本試驗用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,其化學組成見表1;細骨料為河砂,細度模數(shù)2.7;拌合水為自來水;減水劑為聚羧酸減水劑;水泥砂漿配合比見表2,28 d抗壓強度為54.23 MPa;侵蝕溶液為硫酸鈉溶液。

表1 水泥化學成分Table 1 Chemical composition of cement %

表2 水泥砂漿配合比設計Table 2 Mix proportion of cement mortar

2.2 腐蝕環(huán)境

澆筑邊長70.7 mm的立方體試件用于測試砂漿的抗壓強度,尺寸40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件用于測試砂漿的質(zhì)量和線膨脹量,ACS-1和ACS-2的測試均使用立方體試塊。澆筑成型后,標準養(yǎng)護28 d。將試件分成4組,分別暴露在4種工況下,詳見表3。荷載大小(%)指持續(xù)軸壓荷載的大小與砂漿28 d抗壓強度的百分比。最長侵蝕時間達360 d,硫酸鈉溶液每2個月更換1次。

表3 試驗工況Table 3 Test conditions

浸泡在溶液箱進行,干濕循環(huán)制度為:室溫浸泡48 h,取出自然晾干2 h,烘箱((60±3)℃)烘干20 h,冷卻2 h后放回溶液箱,完成1次循環(huán)。

2.3 持續(xù)軸壓荷載施加裝置

持續(xù)軸壓荷載侵蝕試驗采用自主設計的持續(xù)軸壓荷載與硫酸鹽實時耦合侵蝕裝置,如圖1所示,試件長期浸沒于溶液盒中。監(jiān)測得到該裝置的荷載損失率≤5%,持荷效果良好,荷載施加后不再調(diào)整,直至試驗結(jié)束卸載后取出試塊,未對硫酸鹽侵蝕后期導致的砂漿受力狀態(tài)的改變進行長期監(jiān)測。

圖1 持續(xù)軸壓荷載加載裝置Fig.1 Continuous axial loading device

2.4 抗壓強度測試

每30 d取3個試件用于單軸壓縮試驗。測試當天,從溶液中取出試件,清洗試樣表面,在60 ℃下干燥至質(zhì)量恒定,并在測試前冷卻至室溫。本試驗采用YAW-2000D型微機控制恒加載壓力試驗機,規(guī)格2 000 kN,加載速度1.5 kN/s。

2.5 掃描電鏡分析試驗

通過SEM評估劣化砂漿的微觀結(jié)構(gòu),樣品來自破壞的試件,各工況樣品均取自腐蝕后砂漿表層5 mm左右位置。均在60 ℃下干燥后使用。本試驗采用TESCAN MIRA4掃描電子顯微鏡,放大倍率為2～105,加速電壓為200～30 000 eV。砂漿不導電,微觀形貌觀察需要噴金。采用室溫真空噴金,噴金電流5 mA,噴金時間3 min,采用鉑金靶材。EDS采用Xplore型能譜儀。

2.6 評價指標

水泥基材料受硫酸鹽侵蝕的典型表現(xiàn)是膨脹、表層剝落和性能劣化等[13],本文以表觀現(xiàn)象、質(zhì)量損失率、線膨脹率和抗壓強度損失率作為硫酸鹽侵蝕后的評價指標,各指標計算與說明見表4。線膨脹率在試件中部固定位置的標記點進行測量,測試方向垂直于受荷方向。

表4 評價指標Table 4 Evaluation indicators

3 結(jié)果與討論

3.1 侵蝕后表觀現(xiàn)象

不同工況下砂漿受硫酸鹽侵蝕360 d后的表觀現(xiàn)象見圖2。DWS工況下砂漿各表面邊角處裂縫交錯分布,數(shù)量遠多于GS工況的砂漿,這表明干濕循環(huán)作用明顯加快硫酸鹽侵蝕的速度和程度。GS工況下的砂漿表面均較光潔平整,而ACS工況下砂漿表面出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,試件邊角部普遍破壞,或成塊脫落,或散碎掉落,試件中部存在起殼脫落現(xiàn)象。脫落界面可見白色鹽結(jié)晶或侵蝕產(chǎn)物,該試驗現(xiàn)象與文獻[14]類似,推測是其產(chǎn)生的膨脹應力導致外層砂漿的損傷脫落,這表明較高的持續(xù)軸壓荷載會顯著加劇硫酸鹽侵蝕速度。ACS-1工況下砂漿在270 d開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,但較ACS-2工況下砂漿輕微。根據(jù)砂漿表層脫落程度和裂紋擴展深度,可初步推斷不同工況下的砂漿受硫酸鹽侵蝕360 d后的損傷度(h)滿足hACS>hDWS>hGS,且應力比大的持續(xù)軸壓荷載影響最大。此處的損傷度(h)是對總體損傷情況的定性判斷。

圖2 表觀現(xiàn)象與裂縫分布(360 d)Fig.2 Apparent phenomenon and crack distribution (360 d)

3.2 質(zhì)量變化率

由圖3可見砂漿質(zhì)量在硫酸鹽侵蝕下均呈前期增長后期下降的趨勢,砂漿試件質(zhì)量增長率曲線拐點出現(xiàn)時間次序為DWS(180 d)

C3A+3(CaSO4·2H2O)+2Ca((OH)2+24H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 。

(2)

3.3 線膨脹率

砂漿的線膨脹率如圖4所示。長期浸泡和干濕循環(huán)工況下砂漿受硫酸鹽侵蝕后持續(xù)膨脹,線膨脹率前期增長快,180 d后增長減緩;未出現(xiàn)衰減拐點,侵蝕產(chǎn)物持續(xù)累積、膨脹,360 d時,DWS線膨脹率達0.48%,GS線膨脹率達0.16%。但這2項膨脹率分別小于文獻[2]的膨脹率1.44%和0.81%,原因可能是砂漿配比不同、試件尺寸不同、干濕循環(huán)制度和測量方式不同導致的膨脹率差異。DWS砂漿的線膨脹率與質(zhì)量變化率的規(guī)律有所不同,DWS砂漿試塊在侵蝕后期棱角出現(xiàn)局部剝落,造成砂漿質(zhì)量損失。但砂漿試塊棱角的剝落對于砂漿膨脹率的整體測量影響較小,同時后期出現(xiàn)了膨脹裂縫,因此DWS砂漿的線膨脹率一直增加,未出現(xiàn)拐點。試驗結(jié)果表明,線膨脹率可以很好地評價硫酸鹽化學侵蝕下的砂漿性能變化,但其對表面剝落不敏感。ACS-1工況砂漿前期線膨脹率較小,中期有一個較為緩慢的平臺期,后期線膨脹率增加迅速,峰值線膨脹率達0.46%;線膨脹率大的原因:一是砂漿受壓產(chǎn)生橫向膨脹,二是受硫酸鹽侵蝕所致。較高軸壓荷載使侵蝕程度加劇和橫向膨脹增加,前期線膨脹率增長快,峰值線膨脹率達0.67%,但300 d后脫落嚴重,線膨脹率最大衰減達0.72%,此時可認為砂漿表層已經(jīng)破壞。線膨脹率出現(xiàn)明顯拐點即說明砂漿因腐蝕產(chǎn)物過多而開始劣化破壞,宏觀上侵蝕產(chǎn)物累積量開始小于砂漿基質(zhì)被消耗和損傷脫落的質(zhì)量,此時硫酸鹽侵蝕已經(jīng)十分嚴重。

3.4 抗壓強度

試驗結(jié)果表明,抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律可分為兩類:一類是GS、DWS和ACS-1的砂漿抗壓強度先增大后逐漸減小。150 d前干濕循環(huán)工況砂漿抗壓強度高于長期浸泡工況砂漿,150 d后干濕循環(huán)工況的砂漿抗壓強度開始衰減,抗壓強度開始低于長期浸泡的砂漿,其峰值點比長期浸泡工況砂漿更早出現(xiàn);較低荷載作用下峰值點最早出現(xiàn)(90 d)。另一類是較高持續(xù)軸壓荷載工況的砂漿抗壓強度呈現(xiàn)不斷減小且前期衰減緩慢后期衰減迅速的趨勢,受較高持續(xù)軸壓荷載作用的砂漿抗壓強度始終低于同一齡期的受較低持續(xù)軸壓荷載作用的砂漿。侵蝕360 d,GS砂漿抗壓強度始終高于28 d抗壓強度;DWS砂漿在200 d后抗壓強度衰減到28 d抗壓強度以下;ACS-1砂漿約在270 d后抗壓強度衰減到28 d抗壓強度以下;持續(xù)軸壓荷載作用下,受硫酸鹽侵蝕360 d后的砂漿抗壓強度最大衰減率分別達29.63%(應力比0.2)和40.72%(應力比0.4)。

基于上述結(jié)果,提出一個二項式函數(shù)來描述4種條件下的抗壓強度和硫酸鹽侵蝕時間之間的關系,如式(3)所示。

ft/f0=at2+bt+1 。

(3)

式中;ft和f0分別是在每種暴露條件下齡期為t和0時的砂漿單軸抗壓強度;a、b均為擬合參數(shù)。

暴露條件對應的擬合參數(shù)見表5。圖5表明,提出的經(jīng)驗公式擬合效果優(yōu)良。結(jié)合擬合曲線,不難發(fā)現(xiàn),干濕循環(huán)的劣化影響大于普通化學硫酸鹽侵蝕,應力比0.2的持續(xù)軸壓荷載對硫酸鹽侵蝕下砂漿的抗壓強度劣化影響較小,應力比0.4的持續(xù)軸壓荷載會顯著加速砂漿抗壓強度的劣化速度。

圖5 各侵蝕環(huán)境下砂漿抗壓強度變化及其擬合結(jié)果Fig.5 Variation and fitting results of mortar’s compressive strength under different erosion conditions

表5 抗壓強度經(jīng)驗公式的擬合參數(shù)和R2Table 5 Fitting parameters and R2 of empirical formula for compressive strength

對方程(3)求導可知,2at+b對抗壓強度隨侵蝕時間的劣化速率起控制作用,且參數(shù)a在抗壓強度退化過程中起主要作用。對比GS、ACS-1、ACS-2三種工況下a和b的取值,可以發(fā)現(xiàn)隨著持續(xù)軸壓荷載應力比的增大,b值按比例減少,而a值在低應力比時幾乎不變,當應力比超過某個值后才會出現(xiàn)數(shù)值的折減?？梢哉J為,b值的大小體現(xiàn)了荷載施加時的損傷影響,而a值則體現(xiàn)了持續(xù)荷載作用下的持續(xù)損傷劣化影響。

上述參數(shù)是基于本研究的結(jié)果,為說明二項式函數(shù)的適用性,表6列舉了其他研究[2、8、18-20]中的一些擬合參數(shù),并繪制對應的擬合曲線如圖6所示,可見采用二項式函數(shù)擬合的效果較好,本文提出的經(jīng)驗方程可以推廣到實際應用中,具有較高的參考價值。

圖6 其他研究中的擬合曲線Fig.6 Fitting curves in other studies

表6 參考文獻中抗壓強度經(jīng)驗公式的擬合參數(shù)[2,8,18-20]Table 6 Fitting parameters of the empirical formulae of compressive strength in references[2, 8, 18-20]

3.5 微觀劣化機理分析

圖7為砂漿受硫酸鹽侵蝕前的微觀形貌,其微觀結(jié)構(gòu)完整密實,可見大量絮狀水化硅酸鈣凝膠,但內(nèi)部存在初始缺陷,有少許微裂紋和孔洞。

圖7 硫酸鹽侵蝕前水泥砂漿SEM微觀形貌Fig.7 SEM morphology of cement mortar before erosion

圖8為不同工況砂漿受硫酸鹽侵蝕360 d后的SEM微觀形貌圖像。受硫酸鹽長期浸泡侵蝕的砂漿試樣中觀察到了大量針棒狀鈣礬石和少量的纖維狀石膏,受硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕的砂漿中觀察到了大量的硫酸鈉晶體,且在微裂縫和孔洞附近更多,證實了干濕循環(huán)中同時存在鹽類結(jié)晶和膨脹產(chǎn)物生成2個過程,且前者以化學侵蝕為主,后者以物理侵蝕為主。由圖8(c)和圖8(d)可知持續(xù)軸壓荷載作用下砂漿受侵蝕機理與長期浸泡相似,主要劣化機理均為生成大量短棒狀鈣礬石和纖維狀石膏,但持續(xù)軸壓荷載作用顯著改變了劣化進程。較高持續(xù)荷載作用下的砂漿內(nèi)部微裂紋更多,孔洞周圍十分密集,損傷尤為嚴重。應力比0.2和0.4持續(xù)軸壓荷載作用下砂漿受侵蝕360 d后的膨脹產(chǎn)物產(chǎn)量接近,但較高荷載作用下?lián)p傷更為嚴重且產(chǎn)物更多。對比4種侵蝕條件下砂漿試樣受侵蝕1 a后的微觀形貌,侵蝕損傷程度為:ACS-2>ACS-1>DWS>GS,與宏觀損傷劣化結(jié)果一致。

圖8 硫酸鹽侵蝕360 d后砂漿的SEM圖像Fig.8 SEM images of cementitious mortar after 360 days of sulfate corrosion

4 結(jié) 論

(1)無荷載作用工況:砂漿受硫酸鹽侵蝕后的性能劣化規(guī)律一致,但干濕循環(huán)作用明顯加速損傷,使砂漿更早達到性能峰值。長期浸泡的砂漿質(zhì)量變化率持續(xù)增長,最高達0.55%;干濕循環(huán)的砂漿質(zhì)量持續(xù)增長至峰值(1.87%)后持續(xù)衰減,最大衰減量為1.61%。砂漿的線膨脹率始終增長,最高增長0.43%,抗壓強度增長至峰值(16.93%)后開始衰減, 360 d的衰減率為12.89%。

(2)持續(xù)軸壓荷載作用工況:砂漿邊角部破壞剝落、裂縫交錯,表面存在起殼脫落現(xiàn)象。較高持續(xù)軸壓荷載能顯著增加砂漿的劣化速度,且其影響遠大于干濕循環(huán);較低持續(xù)軸壓荷載早期增強砂漿抗硫酸鹽侵蝕能力,但侵蝕后期加劇硫酸鹽侵蝕。應力比為0.2和0.4的持續(xù)軸壓荷載工況下受硫酸鹽侵蝕360 d后的砂漿,質(zhì)量增長率分別達4.10%和6.12%,最大衰減量分別達0.62%和3.99%,線膨脹率分別達0.46%和0.67%,衰減量分別達0.17%和0.72%,抗壓強度損失率分別達29.63%和40.72%。

(3)長期浸泡與干濕循環(huán)的侵蝕機制不同,前者以化學侵蝕為主,后者以結(jié)晶鹽物理侵蝕為主?；瘜W侵蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石和石膏等膨脹產(chǎn)物,累積聚集后導致砂漿內(nèi)部缺陷增多和性能劣化;物理侵蝕產(chǎn)物主要是硫酸鹽結(jié)晶,干濕循環(huán)會加劇物理侵蝕。持續(xù)軸壓荷載不影響侵蝕機制,但顯著影響侵蝕進程。持續(xù)軸壓荷載使砂漿產(chǎn)生更多微觀裂縫,嚴重損傷砂漿的微觀結(jié)構(gòu),加快了化學侵蝕,導致宏觀性能的快速劣化。

(4)二項式函數(shù)能夠很好地描述受硫酸鹽侵蝕砂漿的抗壓強度劣化規(guī)律,但經(jīng)驗公式的參數(shù)取值受很多因素的影響,取值應根據(jù)實際情況而定。

本研究成果可以為水工結(jié)構(gòu)的耐久性評價與結(jié)構(gòu)的保護層設計提供指導和支撐。此外,配合比、循環(huán)制度、荷載形式等因素也值得開展研究。