李 凌，徐力群，吳 瓊，杜 坤，林 文

(河海大學水利水電學院，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，開展不同侵蝕時間下水泥砂漿力學性能和抗水力劈裂能力的試驗研究，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理。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣制備

采用水泥砂漿開展試驗，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)，對其進行干燥、篩分處理，以保證砂漿試件所用骨料的均勻性，試驗水為桶裝蒸餾水。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。力學性能試驗采用邊長為70.7 mm的實心立方體試件，水力劈裂試驗采用中央含有穿透性預制裂縫的試樣，其尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，初始預制裂縫長度為50 mm，縫寬為2 mm。

1.2 試驗裝置

機械加載系統(tǒng)包括電液伺服萬能試驗機和TestSoftV1.1采集分析軟件。水壓由該系統(tǒng)控制的電動施壓泵提供，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水接口、密封帽連接。防水硅膠墊長120 mm、寬20 mm、厚2 mm，在其中心位置用高強度環(huán)氧樹脂膠粘貼黑色硅膠塊，嵌入在工字鋼內(nèi)側凹槽，并在環(huán)氧樹脂膠與黑色硅膠塊兩者中心預制小孔，具有良好的密封效果。試驗時，將粘有應變片的試樣置于水密封裝置中，將預制裂縫對準工字鋼架中央小孔。待加載水流進入預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

動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應變適調(diào)器、東華動態(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、應變等。采用臺灣衡欣高精度水質(zhì)pH計測量pH值，該pH計精度為0.01，量程為0.00～14.00。在測量浸泡溶液的pH值時，選取3個不同區(qū)域進行測量，取平均值作為最后結果。

1.3 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 化學侵蝕作用對水泥砂漿抗壓強度的影響

在宏觀上化學侵蝕作用的主要表現(xiàn)為砂漿試樣力學參數(shù)的劣化，取不同溶液及不同侵蝕時間t的砂漿試樣進行抗壓強度試驗，得到不同溶液下水泥砂漿抗壓強度變化曲線如圖2(a)所示。初始狀態(tài)下試樣的抗壓強度為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度隨侵蝕時間增加而增大，侵蝕180 d達到37.51MPa后趨于穩(wěn)定，為初始狀態(tài)下抗壓強度的1.21倍。圖2(b)為溶液pH值隨侵蝕時間的變化，可以看出，即使在中性蒸餾水環(huán)境下，試樣仍會發(fā)生溶出性侵蝕(Ca2+和OH-析出)，溶液變?yōu)閴A性，同時生成水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和C-H晶體，這對砂漿結構仍有一定的影響。

圖2 水泥砂漿試樣抗壓強度和溶液pH值變化曲線

在pH值為3的Na2SO4溶液環(huán)境中，砂漿試樣在侵蝕時間5 d時抗壓強度相較初始狀態(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，使得砂漿棱角剝落，導致砂漿試樣因缺陷產(chǎn)生應力集中，整體抗壓強度降低。隨著侵蝕時間的增加，H+濃度降低，溶液逐漸由酸性變?yōu)閴A性，進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值隨侵蝕時間的延長有所增加，但砂漿試樣仍一直處于酸性侵蝕階段。砂漿強度的劣化程度較其他3種溶液環(huán)境下明顯大得多，在侵蝕時間240 d時，砂漿抗壓強度僅為16.60 MPa，較初始狀態(tài)下抗壓強度降低了46.45%。

2.2 化學侵蝕作用對水泥砂漿臨界水壓力特性的影響

進行砂漿試樣水力劈裂特性試驗時，當試樣所受水壓達到臨界水壓力Pc時，電動施壓泵的電調(diào)壓力會陡降至0附近，同時試樣預制裂縫會擴展貫通整個試件，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水壓加載過程變化曲線

每組工況選取3個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都隨侵蝕時間的延長先增大后減小，并在180 d時達到峰值，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)律與抗壓強度變化規(guī)律存在一定差異，在侵蝕時間0～10 d期間，砂漿試樣的Pc并沒有出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，這是因為試樣的中心預制裂縫與溶液的接觸面積較小，H+對砂漿結構的劣化作用不明顯。在pH值為1的強酸性環(huán)境中，砂漿試樣的Pc隨侵蝕時間的延長不斷減小，劣化程度最大，240 d時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制裂縫的砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力，MPa；Pct為t時刻中央含有穿透性預制裂縫的砂漿試樣水力劈裂臨界水壓力，MPa。

根據(jù)式(1)分別計算不同溶液中不同侵蝕時間下的損傷變量K變化過程，結果如圖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和侵蝕時間t在0～180 d時存在較為明顯的線性關系，可表達為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間的關系。

圖5 砂漿試樣的損傷變量和侵蝕時間關系曲線

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和侵蝕時間t之間的關系，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和侵蝕時間t之間的關系，但在其他溶液環(huán)境下的擬合結果不盡人意。三次函數(shù)擬合結果的決定系數(shù)R2都在0.93以上，且較二次函數(shù)擬合結果的R2均有較大增長。當進一步提高擬合函數(shù)最高次項時，決定系數(shù)R2增長都不大。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間的關系，其擬合的函數(shù)關系可以用下式表達：

(2)

式中：a、b、c、d為相關參數(shù)，具體見表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來反映砂漿試樣在不同水化學溶液侵蝕下抗劈裂能力的劣化速率：

(3)

根據(jù)試驗結果，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左右達到水力劈裂臨界水壓力最大值即變化率零點，而在pH值為1的Na2SO4溶液中侵蝕的試樣不存在變化率零點，水力劈裂臨界水壓力一直減小。

3 化學侵蝕作用下砂漿水力劈裂機理分析

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，下面從微觀角度簡要分析其劣化機理。

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制裂縫縫尖更加致密，砂漿試樣的抗壓強度增大。如圖6所示，當進行水力劈裂試驗時，試樣在預制裂縫的高滲透水壓作用下，縫尖會萌生許多微裂縫，這些微裂縫會隨著水壓力的增大而發(fā)育、貫通形成大裂縫。當縫尖損傷劣化區(qū)進一步發(fā)展，尖端的應力強度超過砂漿的斷裂韌度時，試樣便會整體失穩(wěn)破壞。

圖6 砂漿試樣裂縫擴展示意圖

(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 論

a.不同pH值的硫酸鹽溶液對砂漿試樣的物理力學特性侵蝕劣化作用不相同。在pH值為7的中性環(huán)境中，砂漿試樣的抗壓強度隨侵蝕時間先增大后減小，并在侵蝕180 d時達到峰值；在pH值為3的弱酸性環(huán)境中，砂漿試樣的抗壓強度在侵蝕5 d時相較初始狀態(tài)減小1.91%，之后隨侵蝕時間先增大后減??；在pH值為1的強酸性環(huán)境中，砂漿抗壓強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時抗壓強度較初始狀態(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時為增長階段，之后為劣化降低階段；在pH值為1的強酸性環(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間之間有較好的三次函數(shù)關系，為研究化學溶液環(huán)境下水泥砂漿的抗劈裂性能提供了思路。

d.通過分析砂漿試樣在不同水化學溶液侵蝕下的水力劈裂機理可知，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地位，水化產(chǎn)物對砂漿微觀結構骨架形成破壞，侵蝕產(chǎn)物進一步對已經(jīng)破壞的微觀結構擾動劣化，使得試樣砂化嚴重，抗水力劈裂能力加速劣化。