王長榮

(1 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，甘肅 酒泉 735000)

在研究混凝土表層物理性能的方法中，回彈法和表層滲透性能測定法已得到了廣泛的應(yīng)用，但是這些應(yīng)用都有一定的缺陷：回彈法只能應(yīng)用于普通強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，并且由于誤差太大，只能對(duì)混凝土進(jìn)行定性的判定；表層滲透法容易受混凝土密實(shí)程度、環(huán)境溫度濕度的影響，其應(yīng)用都有一定的局限。在評(píng)判材料表面物理性能的研究方法中，沖擊球壓法以便于操作、解析理論精確等特點(diǎn)備受重視，目前已成功應(yīng)用于脆性材料及金屬材料的彈塑性變性特征等領(lǐng)域[3-5]，但是在混凝土工程中的應(yīng)用屈指可數(shù)：文獻(xiàn)[6]利用沖擊球壓方法和恢復(fù)系數(shù)的物理意義研究了噴射混凝土的噴射成功概率；文獻(xiàn)[7]利用沖擊球壓方法，結(jié)合等效沖擊[8]的概念研究了混凝土材料在小能量沖擊作用下的損傷破壞現(xiàn)象；文獻(xiàn)[9]研究了混凝土在顆粒沖擊作用下局部損傷的機(jī)制，但是利用沖擊球壓技術(shù)評(píng)價(jià)混凝土受腐蝕破壞的研究尚未見報(bào)道。本文利用沖擊球壓方法研究了短期化學(xué)腐蝕下混凝土表面的物理性能及變化特征，擬建立一種可快速、敏銳評(píng)價(jià)混凝土表面受短期腐蝕作用而變化的測試方法。

1 理論背景

假設(shè)一個(gè)質(zhì)量為m、彈性模量與泊松比分別為E1 和v1的小球垂直地沖向彈性模量和泊松比分別為E 和v的平面上，接觸瞬間小球相對(duì)于平面的臨界速度為vin，材料受到的最大荷載F 與產(chǎn)生的最大損傷半徑a 表示為[10]：

對(duì)于任何材料而言理論半徑a 永遠(yuǎn)小于實(shí)測半徑r，因此符合式(3)關(guān)系的情況是不存在的，在實(shí)際研究中，往往采用打磨拋光等措施降低二者之間的誤差；此外，由于沖擊過程中壓痕損傷區(qū)的復(fù)雜變化，r 值在一般情況下略微偏大。假設(shè)沖擊結(jié)束后材料彈性變形完全恢復(fù)，殘余的損傷區(qū)相當(dāng)于沖擊最終產(chǎn)生的損傷。在對(duì)材料進(jìn)行迅速、敏銳地檢測時(shí)這種假設(shè)是可行的。因此損傷區(qū)的體積可表示為：

由能量守恒的原理可知，球頭接觸平面時(shí)的動(dòng)能Uk 在沖擊中轉(zhuǎn)化為使材料發(fā)生彈塑性變化的變形能UE、UP 和彈性波的振動(dòng)擴(kuò)散以及極少量的熱能[11]，根據(jù)Hutchings[12]的研究，彈性波振動(dòng)擴(kuò)散的能量大概占總能量的1%～4%，可以將其忽略不計(jì)，因此沖擊過程中各組分的能量遵循[13]：

沖擊結(jié)束后彈性變形能使球頭發(fā)生速度為vout的回跳[14]，即：

結(jié)合式(1-7)，得到動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)的表達(dá)為

由式(8-9)可知，動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)分別定義了一定能量下材料抵抗塑性變形和發(fā)生彈性恢復(fù)的能力，反映了材料表面彈塑性力學(xué)特征。上述公式中出現(xiàn)的物理量除半徑r需要測量之外，其他物理量均為已知、或可由傳感器讀出，因此只要對(duì)r 進(jìn)行精確的測量，就可以方便地評(píng)價(jià)巖石材料表面的彈塑性力學(xué)特征。

2 試驗(yàn)材料與方法

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80，28 天抗壓強(qiáng)度為86.2MPa，配合比見表1，采用100mm×100mm×100mm的模具成型。為了保證混凝土強(qiáng)度的順利發(fā)展，拆模后將混凝土置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)56 天，之后分為兩組，一組置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，另外一組置于HNO3和5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(NH4)2SO4混合溶液中(pH=2.54)，以浸泡3 天105℃干燥1 天為1個(gè)循環(huán)，3個(gè)循環(huán)構(gòu)成1個(gè)周期。每個(gè)循環(huán)結(jié)束后測量溶液pH 值并利用HNO3重新將溶液酸度調(diào)整至2.54，每個(gè)周期結(jié)束后對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和沖擊球壓試驗(yàn)。

表1 混凝土配合比

沖擊球壓裝置為自己設(shè)計(jì)，設(shè)備原理見圖1。其中，球頭材料為碳化鎢，彈性模量和泊松比分別為600GPa 和0.15，為了降低樣品邊緣和測點(diǎn)間距所帶來的測試影響，對(duì)測點(diǎn)位置進(jìn)行了規(guī)范的布置（圖2）：測點(diǎn)距樣品邊緣＞1cm，測點(diǎn)間距＞2cm。沖擊過程中的荷載通過傳感器精確測定；試驗(yàn)結(jié)束后，利用日產(chǎn)VHX-600E 型超景深顯微鏡對(duì)損傷半徑進(jìn)行測量。

圖1 沖擊球壓裝置

圖2 測點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 腐蝕時(shí)間對(duì)沖擊荷載—時(shí)間關(guān)系的影響

圖3 給出了不同腐蝕周期下混凝土在一次沖擊荷載作用下沖擊荷載與沖擊時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，隨著腐蝕行為的進(jìn)行，短期內(nèi)混凝土沖擊荷載—時(shí)間曲線輪廓沒有什么變化，這說明短期的腐蝕不會(huì)對(duì)混凝土表層以下的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的破壞。注意到卸載結(jié)束時(shí)此關(guān)系的變化，可以發(fā)現(xiàn)球頭并非以0 荷載的形式離開混凝土表面，而是伴隨有不同程度的振蕩，這種振蕩特性隨著腐蝕時(shí)間的不同而不同；另外，觀察荷載峰值也可以發(fā)現(xiàn)類似的不同。為了清晰地觀察這一現(xiàn)象，現(xiàn)將兩區(qū)域放大后的曲線關(guān)系列于圖4、圖5。

圖3 沖擊荷載—時(shí)間關(guān)系曲線

由圖（4-5）可知，隨著腐蝕時(shí)間的增加，混凝土的峰值變化是較為類似的，而球頭所能達(dá)到的峰值荷載卻是逐漸降低的；應(yīng)用于本試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)均是在相同高度下落的條件下所記錄，因此，混凝土的峰值變化說明了表層腐蝕的存在性和腐蝕時(shí)間依賴性。對(duì)球頭脫離混凝土表面瞬間的沖擊荷載——時(shí)間曲線分析表明，隨著腐蝕行為的進(jìn)行，卸荷過程中受沖擊混凝土區(qū)域反作用于球頭的沖量也逐漸降低；沖擊過程中球頭使混凝土局部區(qū)域發(fā)生彈塑性變形，由于塑性變形基本無法恢復(fù)，而彈性變形在卸載過程中基本發(fā)生完全恢復(fù)，此時(shí)產(chǎn)生彈性恢復(fù)的能量主要轉(zhuǎn)化為球頭離開表面時(shí)的沖量；因此腐蝕行為的進(jìn)行會(huì)降低混凝土表面的彈性。

圖4 沖擊荷載—時(shí)間關(guān)系(峰值)

圖5 沖擊荷載時(shí)間關(guān)系(卸載)

為了進(jìn)一步說明這個(gè)關(guān)系，將沖擊荷載—壓痕尺寸關(guān)系列于圖6。從圖6 可知，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)的混凝土沖擊荷載—壓痕尺寸關(guān)系近似呈現(xiàn)雙線性；不論腐蝕時(shí)間多長，混凝土總是在度過某一臨界荷載后荷載不再隨著壓痕尺寸的增加而明顯增加，但是臨界荷載以內(nèi)的沖擊荷載—壓痕尺寸斜率卻隨著腐蝕的進(jìn)行而降低。這種現(xiàn)象一方面說明了短期腐蝕不會(huì)改變混凝土表層以下的物理性能，另一方面追蹤到了混凝土表層物理性能隨腐蝕的進(jìn)行而逐漸劣化的現(xiàn)象。

圖6 沖擊荷載—壓痕尺寸關(guān)系

3.2 腐蝕時(shí)間對(duì)溶液pH 值和抗壓強(qiáng)度比的影響

隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土的堿性組分不斷被溶液中的H+和NH4+所消耗，溶液pH 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始值(圖7)，從圖7 中可以發(fā)現(xiàn)，最初的循環(huán)結(jié)束時(shí)溶液pH 值變化最為劇烈，而后的變化基本趨于平衡，這說明了H+和NH4+一開始就造成了混凝土表面組分的大量溶蝕，隨著腐蝕的進(jìn)行，表面組分的溶蝕程度有所降低。

對(duì)相同齡期下受腐蝕和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度比進(jìn)行分析可知(圖8)，短期腐蝕不會(huì)對(duì)混凝土整體性能造成破壞。處于腐蝕溶液中的混凝土短期內(nèi)表面會(huì)受到破壞，而溶液中大量的水份卻可以滿足混凝土內(nèi)水泥水化反應(yīng)的需求，在腐蝕破壞的速率低于水泥水化反應(yīng)的速率時(shí)，抗壓強(qiáng)度比不具備精確追蹤混凝土腐蝕程度的時(shí)效性。

圖7 溶液pH 值變化

圖8 抗壓強(qiáng)度比

3.3 腐蝕時(shí)間對(duì)混凝土表層動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)的影響

通過上文的分析可知，宏觀物理性能不能準(zhǔn)確地表征短期腐蝕下混凝土遭受破壞的程度，而腐蝕溶液pH 值的變化特性只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)追蹤，在實(shí)際情況中，混凝土遭受化學(xué)腐蝕破壞并非全部以可見溶液為介質(zhì)。為此，結(jié)合上文所述的公式，在相同荷載水平下得到了不同腐蝕時(shí)間下混凝土動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)的近似值(圖9)。在這里必須要說明的是，動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)不是材料固有的參數(shù)，它會(huì)隨著材料的宏觀性能、沖擊荷載等因素的變化而迅速變化，本文對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)的定量化是建立在荷載與沖擊高度基本相同的前提下。由圖9 可知，隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土表層的動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)均下降了，且在第二個(gè)腐蝕周期之前下降的程度最明顯，由于動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)分別代表了材料表面在動(dòng)荷載作用下抵抗局部塑性變形的能力和彈性損耗的特性，因此隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土表面不但抵抗塑性變形的能力減弱了，而且彈性特性也發(fā)生了嚴(yán)重的降低。

圖9 動(dòng)態(tài)硬度和恢復(fù)系數(shù)

4 結(jié)論

通過對(duì)混凝土進(jìn)行短期腐蝕的試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

(1)由沖擊荷載—時(shí)間關(guān)系曲線可知，沖擊結(jié)束后球頭離開混凝土表面瞬間所儲(chǔ)存的能量隨著腐蝕時(shí)間的增加而減??；

(2)由沖擊荷載—壓痕尺寸關(guān)系可知，在限定高度的條件下，混凝土沖擊荷載—壓痕尺寸關(guān)系特性表現(xiàn)為雙線性，這一特性在短期內(nèi)不會(huì)隨著腐蝕的進(jìn)行而改變，但是在荷載臨界值之前曲線的斜率隨著腐蝕的進(jìn)行而逐漸降低；

(3)隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土的動(dòng)態(tài)硬度、恢復(fù)系數(shù)逐漸降低，并且降低的趨勢在腐蝕前期最為劇烈，因此，研究混凝土早期的腐蝕變化對(duì)混凝土深層次的腐蝕破壞有重要意義。

(4)抗壓強(qiáng)度比不能對(duì)短期腐蝕條件下混凝土破壞的程度進(jìn)行表征，溶液pH 值的變化無法使用于所有混凝土工程，而沖擊球壓法可以對(duì)混凝土短期內(nèi)的腐蝕破壞程度進(jìn)行敏感、精確的表征，因此，通過沖擊球壓法可以方便、快捷地確定出混凝土在腐蝕過程中表面物理性能的變化。

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