秦東陽 劉海峰 朱立晨 車佳玲 楊維武

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 銀川 750021)

0 引 言

我國鹽漬土分布較為廣泛,西部地區(qū)是我國鹽漬土分布面積最廣、最集中的地域,面積約占全國鹽漬土面積的69%[1],這些地區(qū)存在大量硫酸根離子[2]。硫酸根離子通過孔隙進入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部,使其結(jié)構(gòu)耐久性受到嚴(yán)重威脅?；炷两Y(jié)構(gòu)遭受硫酸鹽侵蝕的同時受到干濕循環(huán)作用加劇損傷,混凝土性能退化加快[3]。

我國西北地區(qū)建筑用砂資源相對匱乏,蘊藏著豐富的沙漠砂資源[4],應(yīng)用沙漠砂制備適合工程應(yīng)用的沙漠砂混凝土可以節(jié)約資源、保護環(huán)境[5]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對沙漠砂混凝土工程特性、力學(xué)性能及耐久性進行了一些研究。Seif研究表明沙漠砂混凝土強度與沙漠砂摻量成反比[6];李志強等分析了沙漠砂替代率對混凝土軸心抗壓強度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響[7];劉海峰等研究了凍融環(huán)境下沙漠砂對混凝土軸心抗壓強度影響規(guī)律[8];董瑞鑫等從微觀層面揭示了干濕循環(huán)作用下風(fēng)積砂摻量40%混凝土抗硫酸鹽侵蝕機理[9];Yuan等采用X-CT射線研究了干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕混凝土后宏觀性能和孔隙微觀變化,利用灰色入射理論分析了兩者之間的相關(guān)性[10];姜磊等進行了干濕循環(huán)作用下硫酸鹽溶液侵蝕混凝土單軸受壓試驗,分析了硫酸鹽溶液種類對混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響[11];Zhang等從微觀和宏觀尺度上研究了再生骨料混凝土在兩種環(huán)境(全浸泡和干濕循環(huán))下抗硫酸鹽侵蝕性能[12],但針對干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土力學(xué)性能研究尚有不足。

基于現(xiàn)有硫酸鹽-干濕循環(huán)作用下混凝土力學(xué)性能研究成果,本文進行干濕循環(huán)作用下沙漠砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕力學(xué)性能試驗,研究質(zhì)量損失率、抗壓耐蝕系數(shù)、相對動彈性模量變化規(guī)律,研究成果可為沙漠砂混凝土在西北硫酸鹽地區(qū)工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

膠凝材料:P·O 42.5R水泥,其性能指標(biāo)見表1;粗集料:寧夏鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)機械碎石,由粒徑為10～20 mm和5～10 mm粗骨料按照7∶3的質(zhì)量比混合而成;細集料:中砂采用當(dāng)?shù)厝斯に瓷?沙漠砂取自寧夏鹽池縣毛烏素沙地,性能指標(biāo)見表2和圖1;粉煤灰:寧夏銀川市金鳳區(qū)熱電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰;減水劑:減水率為25%以上粉末狀聚羧酸高性能減水劑;水:普通自來水。

表1 P·O 42.5R水泥性能

表2 細集料性能指標(biāo)

1.2 試驗方案

基于課題組前期研究成果[4,8],沙漠砂取代率確定為40%。混凝土強度等級為C35,水膠比為0.50,砂率為35%,具體配合比見表3。

表3 混凝土配合比

采用室溫下自然浸泡和電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥來模擬干濕循環(huán)過程。試件達到28 d齡期后在硫酸鈉溶液中浸泡16 h,取出擦干表面水分,自然風(fēng)干1 h,然后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中以60 ℃烘干6 h,放置室內(nèi)冷卻1 h,以此為1個循環(huán),循環(huán)周期為(24±2 )h。根據(jù)規(guī)范[13]和寧夏地區(qū)鹽堿化調(diào)研結(jié)果,選取3%、5%、7%硫酸鈉溶液作為侵蝕溶液,干濕循環(huán)次數(shù)為30,60,90,120,150次。達到設(shè)計循環(huán)周期后,測定其在不同硫酸鹽-干濕循環(huán)作用下質(zhì)量損失、抗壓強度、動彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.3 試驗方法

1.3.1動彈性模量測定

動彈性模量測定采用天津港源DT-20型動彈儀,頻率靈敏度1 Hz,干濕循環(huán)作用下沙漠砂混凝土動彈性模量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]進行測量,如圖2所示。

圖2 動彈性模量測量示意

相對動彈性模量是沙漠砂混凝土硫酸鹽侵蝕后動彈性模量與未侵蝕動彈性模量的比值,可以分析沙漠砂混凝土受侵蝕損傷的劣化程度。沙漠砂混凝土相對動彈性模量計算如下:

(1)

式中:Er為沙漠砂混凝土相對動彈性模量;En為干濕循環(huán)n次后沙漠砂混凝土動彈性模量,GPa;E0為未進行干濕循環(huán)沙漠砂混凝土動彈性模量,GPa。

1.3.2軸心抗壓強度試驗

硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用后軸心抗壓強度試驗在MTS微機控制電液伺服萬能試驗機上進行,加載方式為應(yīng)力控制,加載速率為0.5 MPa/s,應(yīng)變數(shù)據(jù)利用東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3820高速靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集,位移計記錄變形,試驗布置如圖3所示。

圖3 軸心抗壓試驗布置 mm

2 試驗結(jié)果分析

2.1 表觀特征

硫酸鹽侵蝕及干濕循環(huán)作用下沙漠砂混凝土表觀特征如圖4和圖5所示。干濕循環(huán)60次時,試件表面開始出現(xiàn)微小裂紋。隨著硫酸鹽溶液濃度增加,微裂紋數(shù)量逐漸增多且覆蓋面積增大,這主要是由于硫酸鹽溶液濃度越高,硫酸根離子越容易侵入混凝土內(nèi)部,當(dāng)侵蝕產(chǎn)物積累過多,結(jié)晶物質(zhì)在混凝土孔隙內(nèi)部開始膨脹,產(chǎn)生的膨脹壓力導(dǎo)致試件表面開裂,形成更多微裂紋[14];干濕循環(huán)120次時,混凝土表觀特征變化明顯,試件從棱角處開始破壞,邊角四周處漿體和骨料開始部分剝落,中間部位相對來說較為完整。硫酸鹽溶度為7%時試件棱角處出現(xiàn)的細長貫穿式裂紋比硫酸鹽溶度3%和5%時要多。與普通混凝土相比,取代率40%沙漠砂混凝土損傷較輕。

a—3%硫酸鈉,60次循環(huán); b—5%硫酸鈉,60次循環(huán); c—7%硫酸鈉,60次循環(huán); d—3%硫酸鈉,120次循環(huán); e—5%硫酸鈉,120次循環(huán); f—7%硫酸鈉,120次循環(huán)。

a—3%硫酸鈉,60次循環(huán); b—5%硫酸鈉,60次循環(huán); c—7%硫酸鈉,60次循環(huán); d—3%硫酸鈉,120次循環(huán); e—5%硫酸鈉,120次循環(huán); f—7%硫酸鈉,120次循環(huán)。

2.2 質(zhì)量損失率

干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率變化如圖6所示。干濕循環(huán)0～60次時,混凝土質(zhì)量損失率呈減小趨勢,質(zhì)量略有增加,當(dāng)循環(huán)次數(shù)達到60次時質(zhì)量累積達到最大值。這是由于初始階段水泥進一步水化、硫酸鹽參與反應(yīng)生成石膏和鈣礬石(Aft)以及干濕循環(huán)水分蒸發(fā)硫酸鹽結(jié)晶所導(dǎo)致[15]。干濕循環(huán)60～150次時,兩組混凝土質(zhì)量損失率都呈增大趨勢。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,硫酸鹽反應(yīng)產(chǎn)物石膏和鈣磯石不斷增加,產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力使試件內(nèi)部裂縫數(shù)量和寬度不斷增加,混凝土表面漿體、骨料剝落。摻入40%沙漠砂后混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,減緩了硫酸根離子進入。硫酸鹽溶液濃度越高,提供的硫酸根離子越多,生成的水化產(chǎn)物越多[10]。同一濃度硫酸鹽溶液下,取代率40%沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率小于普通混凝土。

a—3%硫酸鈉; b—5%硫酸鈉; c—7%硫酸鈉。

2.3 抗壓耐蝕系數(shù)

干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土抗壓耐蝕系數(shù)如圖7所示,耐蝕系數(shù)為凍融后抗壓強度與凍融前抗壓強度之比。兩組混凝土抗壓耐蝕系數(shù)呈先升高后降低趨勢。干濕循環(huán)0～60次時,各試件抗壓耐蝕系數(shù)提高,60次時達到峰值。濃度3%、5%和7%硫酸鹽溶液下取代率40%沙漠砂混凝土比普通混凝土抗壓耐蝕系數(shù)分別提高了1.14%、1.22%和1.36%,這主要是由于硫酸鹽侵蝕下混凝土中硫酸鈉結(jié)合水分子形成十水硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)晶體,在混凝土內(nèi)部聚集,填充混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)[16]。摻入40%沙漠砂后混凝土內(nèi)部更加致密,孔結(jié)構(gòu)分布得以優(yōu)化,致使取代率40%沙漠砂混凝土抗壓耐蝕系數(shù)高于普通混凝土。干濕循環(huán)60～150次時,各組混凝土抗壓耐蝕系數(shù)降低,其中干濕循環(huán)60～90次時下降幅度較大,90～150次時下降幅度相對較小。由于沙漠砂混凝土在干濕循環(huán)后期外表層受侵蝕厚度增加,混凝土孔隙孔洞在結(jié)晶壓力和膨脹應(yīng)力作用下迅速發(fā)展形成微裂縫,混凝土受侵蝕層內(nèi)部逐漸開裂導(dǎo)致抗壓強度迅速降低[17],摻入40%沙漠砂可縮短砂漿與粗骨料、漿體與砂之間厚度,增強界面過渡區(qū)顯微硬度[18]。同一干濕循環(huán)次數(shù)下,取代率40%沙漠砂混凝土抗壓耐蝕系數(shù)高于普通混凝土。隨著硫酸鈉溶液濃度增加,抗壓耐蝕系數(shù)逐漸增大。

a—3%硫酸鈉; b—5%硫酸鈉; c—7%硫酸鈉。

2.4 相對動彈性模量

干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土相對動彈性模量如圖8所示。兩組混凝土相對動彈性模量呈先升高后降低趨勢。干濕循環(huán)0～60次時,隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,相對動彈性模量逐漸增大,60次時達到最大值,濃度3%、5%和7%硫酸鹽溶液下取代率40%沙漠砂混凝土比普通混凝土相對動彈性模量分別增加了1.31%、2.58%和3.26%。這是由于硫酸鹽溶液濃度越高,提供更多硫酸根離子,反應(yīng)生成更多鈣礬石、石膏等填充于混凝土原始缺陷內(nèi),增加了試件密實度[19]。摻入40%沙漠砂后密實度增加,導(dǎo)致沙漠砂混凝土相對動彈性模量比普通混凝土高。干濕循環(huán)60～150次時,隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,相對動彈性模量逐漸降低。干濕循環(huán)150次時,在濃度為3%、5%和7%硫酸鹽溶液下,未摻沙漠砂混凝土相對動彈性模量分別為0.887、0.832和0.786,摻入40%沙漠砂后混凝土相對動彈性模量分別為0.903、0.858和0.812。干濕循環(huán)后期,侵蝕產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部體積不斷增大,產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致微孔洞和界面過渡區(qū)(ITZ)區(qū)域產(chǎn)生裂縫[20],原來的小孔逐漸擴展成中孔甚至大孔,混凝土表面可以觀察到松散漿體顆粒。

a—3%硫酸鈉; b—5%硫酸鈉; c—7%硫酸鈉。

3 硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土損傷度

3.1 損傷度定義

干濕循環(huán)作用下硫酸鹽侵蝕沙漠砂混凝土破壞過程較復(fù)雜,引入損傷度評價沙漠砂混凝土性能劣化[21-22]。損傷度D定義為動彈性模量變化值與初始值比值,計算公式如下:

D=1-En/E0

(2)

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖9為硫酸鹽侵蝕下沙漠砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。不同干濕循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀極為相似,干濕循環(huán)初期,峰值點相對于應(yīng)力-應(yīng)變曲線坐標(biāo)軸上升和左移,取代率40%沙漠砂混凝土表現(xiàn)為峰值應(yīng)力提高,峰值應(yīng)變減小;隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,峰值應(yīng)力降低,峰值應(yīng)變增大。

a—取代率為0%,3%硫酸鹽溶液; b—取代率為0%,5%硫酸鹽溶液; c—取代率為0%,7%硫酸鹽溶液; d—取代率為40%,3%硫酸鹽溶液; e—取代率為40%,5%硫酸鹽溶液; f—取代率為40%,7%硫酸鹽溶液。

由圖10可知,取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土損傷度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先減小后增大趨勢。干濕循環(huán)初期,混凝土材料水化反應(yīng)繼續(xù)進行,結(jié)構(gòu)致密性得到增強。硫酸鹽侵蝕混凝土生成的鈣礬石進一步密實混凝土孔結(jié)構(gòu)[23]。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,混凝土內(nèi)部孔隙堆滿侵蝕產(chǎn)物,在膨脹壓力作用下混凝土內(nèi)部形成裂縫產(chǎn)生損傷,在這個過程中微裂縫增多和變大,損傷度不斷增大[24]。干濕循環(huán)后期,硫酸鹽溶液濃度越高,損傷度越大[25]。

a—取代率為0%; b—取代率為40%。

3.3 相對峰值應(yīng)力

干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕下沙漠砂混凝土和普通混凝土相對峰值應(yīng)力與損傷度關(guān)系見圖11。沙漠砂混凝土損傷度為負(fù)值時,其對應(yīng)峰值應(yīng)力升高,損傷度負(fù)值最小時沙漠砂混凝土峰值應(yīng)力最大。隨著損傷度增加,各硫酸鹽溶液下沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)力下降,取代率40%沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)力與損傷度呈指數(shù)關(guān)系。在濃度3%、5%和7%硫酸鹽溶液侵蝕下,取代率40%沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)力與損傷度關(guān)系如下:

a—取代率為0%; b—取代率為40%。

濃度3%:

R2=0.931(3a)

濃度5%:

(3b)

濃度7%:

R2=0.975(3c)

3.4 相對峰值應(yīng)變

干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕下沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)變與損傷度關(guān)系見圖12。隨著損傷度增加,相對峰值應(yīng)變增大,說明沙漠砂混凝土隨著損傷度增加,混凝土有害孔洞逐漸增多,在試驗加載過程中孔洞存在被壓實過程,表現(xiàn)為峰值應(yīng)變增大[26]。當(dāng)損傷度是負(fù)值時,混凝土結(jié)構(gòu)整體性得到提高,增加了混凝土結(jié)構(gòu)剛度,相對峰值應(yīng)變降低。摻入40%沙漠砂后混凝土峰值應(yīng)變低于未摻沙漠砂混凝土,這是由于沙漠砂的細小顆粒有效填充了混凝土粗細骨料之間的間隙,混凝土堅固性得到提高,降低了沙漠砂混凝土可變形性[8]。沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)變與損傷度呈指數(shù)關(guān)系。在濃度3%、5%和7%硫酸鹽溶液侵蝕下,取代率40%沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)變與損傷度關(guān)系式如下:

a—取代率為0%; b—取代率為40%。

濃度3%:

R2=0.974

(4a)

濃度5%:

R2=0.990

(4b)

濃度7%:

R2=0.989

(4c)

4 結(jié)束語

1)取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土質(zhì)量損失率隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先增后減趨勢,硫酸鹽溶液濃度越高質(zhì)量損失率減少越快。干濕循環(huán)60次時,質(zhì)量損失率達到最大值。

2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土抗壓耐蝕系數(shù)和相對動彈性模量呈先增后減趨勢,取代率40%沙漠砂混凝土抗壓耐蝕系數(shù)和相對動彈性模量高于普通混凝土。

3)隨著硫酸鹽溶液濃度升高,抗壓耐蝕系數(shù)和相對動彈性模量降低幅度增大,取代率40%沙漠砂混凝土抗壓耐蝕系數(shù)和相對動彈性模量比普通混凝土高。

4)建立了硫酸鹽侵蝕下沙漠砂混凝土相對峰值應(yīng)力、相對峰值應(yīng)變隨損傷度變化的擬合方程。