孔 駿， 韓 敏， 丁永發(fā)， 蒙建雷， 郭成功， 周曉平， 楊淑雁

(寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

我國西北地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時間長，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)的毛細上升作用，水中所含的腐蝕性硫酸根離子和氯離子被毛細水攜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)有的文獻研究結(jié)果表明，硫酸鹽對混凝土的侵蝕主要分為兩類：一類是硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應，生成鈣礬石和石膏等具有膨脹特性的產(chǎn)物，對混凝土產(chǎn)生膨脹力而導致的混凝土開裂破壞；另一類是硫酸鈉物理結(jié)晶體在混凝土孔隙中沉淀、積累和膨脹，最終導致混凝土孔隙的開裂直至破壞.西北地區(qū)復雜服役環(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遠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)的研究重點應該集中于干濕循環(huán)、硫酸鹽和凍融循環(huán)復合環(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)復合作用下混凝土的應力-應變規(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)制度來完成硫酸鈉物理結(jié)晶侵蝕試驗，在此基礎(chǔ)上完成了凍融循環(huán)試驗，來研究干濕循環(huán)和凍融循環(huán)復合作用下硫酸鈉物理結(jié)晶腐蝕對混凝土應力-應變關(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)量損失率和動彈性模量的變化.基于試驗結(jié)果建立了峰值應力、峰值應變、彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系計算式，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

1.1 原材料及試件設(shè)計

原材料主要如下：水泥，采用寧夏建材集團生產(chǎn)的賽馬牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥；細集料為中砂，采用水洗砂，細度模數(shù)為2.78；粗集料，采用5～25 mm連續(xù)粒級的碎石；水，使用潔凈自來水.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，然后再進行凍融循環(huán)試驗.設(shè)計未干濕循環(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個試件，共計15個試件.試驗設(shè)計方案見表1.

表1 混凝土設(shè)計參數(shù)

1.2 腐蝕方法

1.2.1硫酸鈉干濕循環(huán)試驗 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)時間為24 h.

1.2.2凍融循環(huán)試驗 凍融循環(huán)試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[11]進行.試樣在完成硫酸鈉干濕循環(huán)試驗后，在水中浸泡4 d充分飽水，然后放入凍融循環(huán)試驗機中分別進行0,25,50,75次的凍融循環(huán).

1.3 測試方法

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

1.3.2單軸受壓試驗 試驗在寧夏大學土木工程結(jié)構(gòu)試驗室的微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，試驗時通過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混凝土微變形測量儀測得，該儀器由兩只高精度引伸計組成，測量標距為150 mm.全程采用位移控制，加載速度為0.01 mm/min，觀察受壓過程試件破壞情況，直至應力趨于穩(wěn)定或試塊完全破壞.

1.3.3掃描電鏡(SEM)試驗 對應每一種設(shè)計參數(shù)，另制作1個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，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，粗細骨料逐漸顯露，棱角缺失嚴重.

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)量的比值稱為質(zhì)量損失率，其計算公式為

(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，達到2.5%.可能的原因為隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試件表面、棱角處的水泥砂漿剝落，同時粗、細骨料暴露出來，甚至脫落，導致了試件質(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 相對動彈性模量

相對動彈性模量可按下式計算：

(2)

圖3為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，混凝土試件的相對動彈性模量的變化規(guī)律.由圖3可見，試件在經(jīng)過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，混凝土試塊的相對動彈性模量逐漸下降，這表明混凝土內(nèi)部損傷逐漸增大.

2.4 應力-應變關(guān)系曲線

將試件的實測荷載換算成應力σ，并乘以0.95換算成標準棱柱體應力.把縱向位移除以引伸計的標距150 mm，換算成應變ε，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件單軸受壓應力-應變曲線，見圖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次的試樣峰值應力降低了45.5%，由此可見，凍融循環(huán)作用對混凝土結(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，應力-應變曲線的上升段斜率逐漸減小，混凝土峰值應變逐漸增大，彈性模量呈線性下降趨勢.

圖3 相對動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力-應變曲線

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圖見圖5.由圖5a可以看出，未凍融試件較為密實，微觀缺陷和損傷較小，可觀察到大量絮團狀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凍結(jié)和融化，使得混凝土內(nèi)部裂縫不斷延伸、擴展、內(nèi)部碎塊聚集，進而造成裂縫相互貫通.可見，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

通過對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，水滲透進入孔隙中并結(jié)冰，使孔壁迅速膨脹開裂，導致混凝土的強度損失.持續(xù)的孔壁開裂導致混凝土表層脫落，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)部開裂不斷積累，孔隙不斷增大，最終造成極限應力的大幅度下降.通過對凍融循環(huán)后混凝土應力-應變曲線下降段的分析發(fā)現(xiàn)，凍融后的試樣均平緩，變形能力也變大，說明凍融循環(huán)對混凝土的應變強度是有利的.

抽取各試驗應力-應變曲線中的峰值應力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.通過擬合發(fā)現(xiàn)，兩者有較好的線性遞減關(guān)系，得到的線性擬合公式為：

σc=-0.211 12n+22.852，R2=0.876 98.

(3)

抽取各試樣峰值應力所對應的應變εc，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，峰值應力點所對應的應變不斷增大.通過擬合發(fā)現(xiàn)，兩者有較好的線性遞增關(guān)系，得到的線性擬合公式為

εc=0.011 76n+3.689，R2=0.996 27.

(4)

圖6 峰值應力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 峰值應變與凍融循環(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.通過擬合得到二者的線性擬合公式為

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，混凝土表面剝蝕嚴重，混凝土質(zhì)量損失逐漸增加，相對動彈性模量逐漸降低.

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

3)通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，相對峰值應力和相對彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)線性遞減，而相對峰值應力所對應的應變隨凍融循環(huán)次數(shù)線性遞增.文中分別給出了相應的線性擬合關(guān)系.

圖8 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系