受酸雨腐蝕混凝土不同應(yīng)變率作用下抗壓性能試驗

王海寧, 徐 為, 張英姿, 徐佳翔

(1. 威海環(huán)翠區(qū)市政園林服務(wù)中心, 山東 威海 264200;2. 諸城市財政預(yù)算評審中心, 山東 諸城 262200;3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程系, 山東 威海 264209)

混凝土是目前應(yīng)用最為廣泛的土木工程材料,在其服役過程可能會遭受各種惡劣環(huán)境侵蝕,從而縮短服役壽命。酸雨是當(dāng)今世界各國關(guān)注的環(huán)境問題,被列為嚴(yán)重公害前3位。2020年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1]給出了2020年我國337個城市環(huán)境超標(biāo),城市占比為43.3%,全國酸雨面積為46.6萬m2,出現(xiàn)酸雨的城市比例為34.0%,比2019年上升0.7%,故我國酸雨污染形勢仍較為嚴(yán)峻。

混凝土是堿性材料,其受酸雨腐蝕尤為嚴(yán)重。國內(nèi)外研究人員對受酸雨腐蝕混凝土進(jìn)行了大量研究,取得了較多的研究成果。Xie等[2]通過模擬酸雨溶液對混凝土材料進(jìn)行腐蝕試驗,認(rèn)為混凝土腐蝕是酸雨中氫離子和硫酸根離子的綜合作用完成的;Fattuhi等[3]配制了硫酸型酸雨溶液,對水泥基材料和混凝土進(jìn)行了腐蝕試驗,發(fā)現(xiàn)pH值越小,受侵蝕材料的重量損失越大;Wang等[4]通過3點彎曲試驗對混凝土進(jìn)行了加速腐蝕試驗,研究了酸雨侵蝕對混凝土斷裂韌性的影響;Lu等[5]通過配制的模擬酸雨噴灑再生骨料混凝土研究了其抗凍性,認(rèn)為酸雨降低了其耐久性;Xiao等[6]對浸泡在pH=0.95硫酸溶液中的混凝土試件進(jìn)行了不同腐蝕天數(shù)試驗,采用3維激光掃描技術(shù)獲取腐蝕圓柱表面上各點的3維坐標(biāo),每個試樣的不規(guī)則橫截面積沿縱軸以1 mm的間隔通過MATLAB計算,并對混凝土進(jìn)行了單軸抗壓性能試驗,分析了混凝土力學(xué)性能和質(zhì)量損失的關(guān)系。與此同時,混凝土是率相關(guān)材料,研究表明在不同應(yīng)變率作用下混凝土力學(xué)性能表現(xiàn)不同[7]。袁兵等[8]在不同應(yīng)變率范圍對橡膠混凝土進(jìn)行抗壓力學(xué)性能試驗,得到了在不同應(yīng)變率作用下力學(xué)性能指標(biāo)變化規(guī)律;張研等[9]將應(yīng)變率引入彈塑性損傷模型,建立了混凝土的應(yīng)變率型彈塑性損傷本構(gòu)模型;韓辰悅等[10]對最優(yōu)橡膠摻量的橡膠混凝土進(jìn)行了不同應(yīng)變率下力學(xué)指標(biāo)及能量特性分析,研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率對能量、抗壓強(qiáng)度及彈性模量等有增大的趨勢;周知等[11]通過試驗對不同應(yīng)變率下的鋼纖維橡膠混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度研究,認(rèn)為應(yīng)變率增加致使其動態(tài)抗壓強(qiáng)度增加;劉鋒等[12]通過不同應(yīng)變率分析了不同應(yīng)變力作用下的混凝土類材料,認(rèn)為不同應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土應(yīng)該考慮其應(yīng)變率效應(yīng);Zhou等[13]用人工氣候模擬方法加速了長寬比為1.0的4個鋼筋混凝土墻體試件的酸雨侵蝕過程,并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗,觀察其在不同酸雨噴灑周期墻的力學(xué)性能變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的退化程度逐漸加大,墻的承載力和變形能力逐漸退化,破壞模式從彎曲和斜壓混合模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾崩Ｊ?延性和耗能能力顯著降低。徐佳翔[14]對模擬酸雨不同應(yīng)變率作用下混凝土材料進(jìn)行了試驗研究,認(rèn)為侵蝕環(huán)境下混凝土仍具有率相關(guān)性。綜上所述,因酸雨環(huán)境腐蝕導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能劣化,在工程實際中,尤其是構(gòu)件及結(jié)構(gòu)抗震性能分析時,應(yīng)考慮混凝土的應(yīng)變率效應(yīng),而目前受酸雨腐蝕混凝土在不同應(yīng)變率作用下的力學(xué)性能尚需進(jìn)一步研究。

本文配制了pH值為2.0模擬酸雨溶液,通過快速腐蝕方法對混凝土在不同腐蝕時間和4種應(yīng)變率作用下的抗壓性能進(jìn)行研究,對其質(zhì)量、中性化深度,抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等變化規(guī)律進(jìn)行討論,并與微觀性能相結(jié)合,闡明其力學(xué)性能劣化機(jī)制。

1 試 驗

1.1 試驗材料

為與工程實際相接近,本次試驗所用材料為威海市威建集團(tuán)所生產(chǎn)的C30商品混凝土,其坍落度為180～200 mm,水泥為普通PO42.5水泥,砂子為中砂,粗集料為5～25 mm碎石,其配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of the concrete

1.2 試塊制作

制作了120個邊長為100 mm的立方體試塊,放置實驗室24 h后脫模,然后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d,選擇其中3塊根據(jù)中國規(guī)范《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[15]測試,設(shè)定加載速率為0.5 MPa·s-1,測得28 d抗壓強(qiáng)度為34.5 MPa。

1.3 試驗方法及過程

根據(jù)2020年中國生態(tài)環(huán)境部報告[1],我國屬于H2SO4型酸雨,基于研究成果采用加速腐蝕方法,本文配制了硫酸和硝酸摩爾比為9∶1的混合溶液用來模擬酸雨環(huán)境,其pH值為2.0。

剩余117個試塊在實驗室自然狀態(tài)下放置5 d,然后對每個試塊質(zhì)量進(jìn)行稱量。再將試塊平均分成9組放到裝有酸液的抗腐蝕容器里進(jìn)行腐蝕,腐蝕時間為8、11、15、18、21、24、27、30、33 d,腐蝕裝置如圖1所示。為盡量保持整個實驗中酸液的pH值不發(fā)生較大變化,每天在規(guī)定時間內(nèi)用酸度計測定,并用HNO3進(jìn)行pH值調(diào)節(jié),到規(guī)定腐蝕天數(shù)后將試塊取出,再在實驗室中自然放置5 d,然后對試件表面腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢查,并對每個試塊質(zhì)量進(jìn)行稱量,之后每組各取出1個試塊,按照掃描電子顯微鏡(SEM)樣品要求處理后進(jìn)行微觀性能試驗和中性化試驗。剩余試塊按照分組進(jìn)行應(yīng)變率加載試驗,應(yīng)變率分別為0.5×10-3、1×10-3、1×10-2、0.5×10-1·s-1,組內(nèi)每種應(yīng)變率測試3個試件。

圖1 受腐蝕的混凝土Fig.1 Corroded concrete

2 結(jié)果分析與討論

2.1 外 觀

受酸雨腐蝕的混凝土外觀將發(fā)生變化, 針對不同腐蝕天數(shù)的混凝土, 將混凝土干燥完成后(圖2)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn), 隨著浸泡天數(shù)的增加, 試塊表面產(chǎn)生了不同的變化。 混凝土未受到模擬酸雨溶液侵蝕時, 如圖2(a)所示試塊表面呈灰色, 外部光滑且平整, 沒有出現(xiàn)微裂紋或者較大孔洞。 被腐蝕11 d(圖2(b))時試塊表面呈現(xiàn)黃色, 試件棱角開始有缺失現(xiàn)象, 這與文獻(xiàn)[16]描述的現(xiàn)象一致。 被腐蝕21 d(圖2(c))時可以明顯發(fā)現(xiàn)試塊表面的砂粒及孔洞,棱角有微量的損傷,受腐蝕程度加重,導(dǎo)致模擬酸雨溶液更容易侵入混凝土內(nèi)部。 在試驗后期,腐蝕達(dá)到30 d(圖2(d))時,試塊表面由黃色向灰黑色轉(zhuǎn)變,表皮脫落,溶解腐蝕現(xiàn)象更為顯著,其表面有酥松的粉末薄層出現(xiàn),抹去薄層后,其表面便出現(xiàn)麻面并覆蓋在試塊四周。

(a) 0d(b) 11d(c) 21d(d) 30d

2.2 質(zhì) 量

為探討不同腐蝕程度的試件質(zhì)量的變化規(guī)律,定義受酸雨侵蝕試件質(zhì)量變化率Dmt為

Dmt=(mct-mc0)/mc0×100%。

式中,mct為腐蝕試塊的質(zhì)量;mc0為腐蝕前試塊質(zhì)量。故不同腐蝕時間混凝土質(zhì)量變化率Dmt與腐蝕天數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖3 不同腐蝕時間混凝土質(zhì)量變化率Fig.3 Rate of change of concrete quality at different corrosion times

2.3 不同應(yīng)變率作用下的抗壓強(qiáng)度

混凝土是一種率相關(guān)材料,故在不同加載速率作用下,其力學(xué)性能表現(xiàn)不同。因此模擬酸雨環(huán)境中的混凝土抗壓強(qiáng)度與測量時選擇的應(yīng)變率有關(guān)。對不同腐蝕時間內(nèi)的混凝土試件進(jìn)行4種不同應(yīng)變率作用下的抗壓性能試驗,其應(yīng)變率分別為0.5×10-3、1×10-3、1×10-2、1×10-1s-1,即每組試塊分別在位移控制(0.03、0.06、0.6、6 mm·min-1)條件下進(jìn)行。不同腐蝕天數(shù)、不同應(yīng)變率作用下混凝土抗壓強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)變率作用下混凝土抗壓強(qiáng)度與腐蝕時間關(guān)系Fig.4 Relationship between compressive strength and corrosion time of concrete under different strain rates

由圖4可看出,不同腐蝕時間的混凝土在同一應(yīng)變率作用下其抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增大后有波動的減小的趨勢。在前期強(qiáng)度有所增加,究其原因有以下2點:①硫酸根離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部與氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成了鈣礬石和石膏等物質(zhì),生成產(chǎn)物填充到混凝土內(nèi)部孔隙中,使混凝土密實性提高,從而提高了混凝土強(qiáng)度;②混凝土中水泥水化繼續(xù)進(jìn)行,使其強(qiáng)度有所提升。隨著腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行,強(qiáng)度逐步下降,分析其原因是隨著生成產(chǎn)物量增多,進(jìn)入孔隙和微裂縫量逐漸增大,致使內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,膨脹應(yīng)力增加到一定程度將導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔洞增大,裂縫逐步開展;還有一個原因是隨著H+侵蝕時間的增多,降低了內(nèi)部的pH值,致使生成產(chǎn)物逐漸分解溶析,內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。兩者綜合作用導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

在不同應(yīng)變率作用下測得的混凝土抗壓強(qiáng)度大小不同?？箟簭?qiáng)度在高應(yīng)變率加載條件下高于低應(yīng)變率的作用,這與未腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)論是一致的。從能量角度進(jìn)行分析,這是因為混凝土內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的速度與應(yīng)變率成非線性關(guān)系,且裂紋擴(kuò)展具有滯后的特點,故混凝土受不同應(yīng)變率加載時,裂紋的滯后性使吸收能量的釋放速度落后于能量的輸入速度,使得高應(yīng)變率多輸入的能量繼續(xù)存在于材料內(nèi),所以提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。尤其在試驗初期階段(腐蝕11 d之前),高低應(yīng)變率的抗壓強(qiáng)度差值較大,最大相差17.42%;但隨著腐蝕時間的延長,差距逐漸縮小,到試驗后期(33 d)時,4種應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度差值相差不大,最大值僅為2.1%。由此可見,當(dāng)腐蝕時間較長、混凝土的腐蝕程度較大時,應(yīng)變率高低對混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小,其動態(tài)抗壓性能下降。

2.4 應(yīng)力應(yīng)變曲線

由于不同腐蝕天數(shù)在不同應(yīng)變率作用下的混凝土試塊較多,本文將其分為2個類別進(jìn)行分析。不同腐蝕天數(shù)在同一應(yīng)變率作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(應(yīng)變率為1×10-3s-1)如圖5所示;相同腐蝕天數(shù)在不同應(yīng)變率作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(腐蝕天數(shù)為18 d)如圖6所示。

圖5 同一應(yīng)變率不同腐蝕天數(shù)混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

由圖5可看出,不同腐蝕時間內(nèi)的混凝土試塊在同一應(yīng)變率作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似,腐蝕初期階段混凝土峰值應(yīng)力有所增大,腐蝕8 d時峰值應(yīng)力為35.8 MPa,隨著腐蝕繼續(xù)進(jìn)行,其峰值應(yīng)力逐漸減少,到33 d時其峰值應(yīng)力(29.4 MPa)較未腐蝕混凝土下降了15%左右,而其峰值應(yīng)變則逐漸增大。

由圖6可看出,腐蝕天數(shù)為18 d時,不同應(yīng)變率作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系類似。隨著應(yīng)變率提高,混凝土峰值應(yīng)力增大,其峰值應(yīng)變在減少。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變率較小(0.5×10-3s-1)時,混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度(31.8 MPa)發(fā)生破壞的峰值應(yīng)變?yōu)?5.885×10-3,試塊內(nèi)部由外向內(nèi)產(chǎn)生裂痕并使骨料分離破碎,產(chǎn)生的破壞從四周向中心形成不規(guī)則破壞,破壞較為充分;當(dāng)應(yīng)變率增大時,加載過程中可以發(fā)現(xiàn)混凝土試件產(chǎn)生的裂縫從混凝土中部形成豎向破壞,裂縫較為豎直且來不及向內(nèi)部延伸就開始發(fā)生破壞,這時內(nèi)部保持較為完整,在高應(yīng)變率加載作用下混凝土產(chǎn)生了劈裂破壞,且內(nèi)部可能仍存在較小承載力。這與應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出來的規(guī)律相一致。

2.5 中性化深度

將試塊在酸溶液中分別按照試驗設(shè)計分組靜置到相應(yīng)腐蝕天數(shù)后取出,按厚度為20 mm位置處劃線并進(jìn)行切割,切好后將斷面部分處粉末處理干凈,然后噴涂濃度為1%的酚酞試劑,約1 min后,用游標(biāo)卡尺測量試塊中性化深度,得到不同腐蝕時間中性化深度變化如圖7所示。

圖7 不同侵蝕時間混凝土中性化深度Fig.7 Neutralization depth of concrete at different corrosion times

2.6 微觀分析

試驗使用哈工大威海校區(qū)分析測試中心的掃描電子顯微鏡,通過取不同腐蝕時間的混凝土試塊進(jìn)行微觀性能檢測,探討在模擬酸雨環(huán)境中混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。因試樣較多,本文僅對部分腐蝕時間的混凝土試樣SEM圖進(jìn)行分析,如圖8所示。

(a) 未腐蝕混凝土(b) 腐蝕15d(c) 腐蝕21d(d) 腐蝕24d(e) 腐蝕27d(f) 腐蝕33d

3 結(jié) 論

酸雨將導(dǎo)致混凝土中性化,致使混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性能劣化,針對不同侵蝕程度的混凝土材料動態(tài)力學(xué)性能尚不完善的情況,研究了模擬酸雨環(huán)境中不同應(yīng)變率作用下混凝土抗壓性能的變化規(guī)律,得到結(jié)論如下:

2) 受酸雨腐蝕相同天數(shù)的混凝土在4種不同應(yīng)變率作用下,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似,隨著應(yīng)變率的提高,其抗壓強(qiáng)度增大。這與未受侵蝕的混凝土抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)系相近。且混凝土受腐蝕程度較重的情況下,應(yīng)變率高低對其抗壓強(qiáng)度影響較小。

3) 受不同腐蝕時間的混凝土在同一應(yīng)變率作用下,混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似,腐蝕初期階段混凝土峰值應(yīng)力有所增大,隨著腐蝕繼續(xù),其峰值應(yīng)力逐漸減少,峰值應(yīng)變逐步增大,到33 d時其峰值應(yīng)力下降20%左右。

4) 中性化深度隨著腐蝕時間的延長呈現(xiàn)出前期增加快而后增長變緩的現(xiàn)象。