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(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005)

歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕的混凝土力學(xué)性能

朱孔峰，逯靜洲，劉亞，國力

(煙臺大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005)

通過對歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕的混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了荷載水平和溶液濃度對混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律及侵蝕機(jī)理的影響，并與歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析。分析結(jié)果表明：隨荷載水平的增大，未侵蝕試件的峰值應(yīng)力、彈性模量和峰值應(yīng)變均有減小趨勢，而受濃度為5%和10%侵蝕試件的峰值應(yīng)力和彈性模量均減小，峰值應(yīng)變增大；相同荷載水平時(shí)，隨溶液濃度的增大，混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量減小，峰值應(yīng)變增大；隨著荷載水平和溶液濃度的增大，普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有變飽滿的趨勢，普通混凝土的主要力學(xué)指標(biāo)比高強(qiáng)混凝土變化更顯著。研究結(jié)果可為在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的受損傷混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

普通混凝土；高強(qiáng)混凝土；力學(xué)性能;荷載；硫酸鹽侵蝕

1 研究背景

硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土材料損傷破壞的主要因素之一，混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕后力學(xué)性能會有不同程度的退化。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了硫酸鹽對混凝土腐蝕的大量研究:Schneider等[1-3]對普通和高性能混凝土在腐蝕溶液介質(zhì)與持續(xù)荷載復(fù)合作用下的力學(xué)性能和長期性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，總結(jié)了應(yīng)力腐蝕作用下混凝土的損傷經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；Jason等[4]以各向同性損傷模型和硬化屈服塑性面為基礎(chǔ)，提出了一種彈塑性損傷理論并且通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；陳朝暉等[5]對受腐蝕作用的混凝土試塊進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，應(yīng)用損傷力學(xué)理論和概率統(tǒng)計(jì)方法建立了腐蝕混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系模型；Bassuoni等[6]開展了彎曲荷載和硫酸鹽干濕循環(huán)作用下自密實(shí)混凝土的耐久性試驗(yàn)，研究表明彎曲荷載和干濕循環(huán)的聯(lián)合作用引起水泥基體開裂，有利于硫酸根離子的擴(kuò)散，從而加劇了損傷；Gao等[7]研究表明與單一硫酸鹽侵蝕相比，彎曲荷載和干濕循環(huán)都加劇了混凝土在硫酸鹽溶液中的損傷程度；陳達(dá)等[8]研究了硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕對水泥基材料力學(xué)性能的影響，并建立了硫酸鹽侵蝕水泥基材料的彈塑性-化學(xué)損傷本構(gòu)模型。以上研究均是針對未帶初始損傷的混凝土，然而大多混凝土結(jié)構(gòu)服役期間會經(jīng)歷一定荷載作用，歷經(jīng)荷載后的混凝土材料會有不同程度損傷[9-10]，并且海工或水工結(jié)構(gòu)還會不可避免地經(jīng)受干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕等聯(lián)合作用，侵蝕因素及機(jī)理非常復(fù)雜。鑒于多因素硫酸鹽侵蝕作用下混凝土損傷的研究較少，本文對歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究不同荷載水平和不同溶液濃度對混凝土力學(xué)性能的影響，并與歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行對比分析。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試件制備

試驗(yàn)用冀東牌42.5R普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2。

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement %

注：L.O.I為原料的燒失量

表2 水泥的物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

注：細(xì)度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為質(zhì)量百分比

粗骨料為最大粒徑20 mm的連續(xù)級配碎石；細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為2.8的天然河砂；試驗(yàn)用水為飲用自來水。

配合比為水泥∶砂∶粗骨料∶水=1∶1.88∶3.34∶0.55?；炷猎嚰?組，每組3個(gè)試件，共計(jì)27個(gè)，幾何尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，將澆筑的試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(溫度為20 ℃±3 ℃，濕度為95%以上)養(yǎng)護(hù)至28 d，其后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。

2.2 試驗(yàn)裝置與過程

試驗(yàn)采用YAW-2000D型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)加載，該系統(tǒng)支持用戶自己編制的各種標(biāo)準(zhǔn)方法的應(yīng)用程序。運(yùn)用Imetrum公司生產(chǎn)的非接觸式位移/應(yīng)變視頻測量儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程分3個(gè)步驟完成：①利用編制的加載程序?qū)︷B(yǎng)護(hù)好的試件施加規(guī)定壓應(yīng)力，荷載水平分別為0% ，25%和50%極限抗壓強(qiáng)度，停留3 min后卸載;②進(jìn)行硫酸鹽侵蝕試驗(yàn),硫酸鹽溶液濃度設(shè)為5%和10%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，進(jìn)行干濕循環(huán)，即室溫浸泡16 h，空氣晾干1 h，然后放入80 ℃烘箱中恒溫烘干6 h，空氣冷卻1 h，即為一次循環(huán)，共循環(huán)90次;③對受侵蝕試件進(jìn)行混凝土單軸壓縮試驗(yàn)。

圖1 受10%濃度硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后混凝土的表觀形貌變化Fig.1 Morphology changes of concrete subjected to dry- wet cycles in sulfate solutions of 10% concentration

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 受硫酸鹽侵蝕后的混凝土表面特征

受硫酸鹽侵蝕后的混凝土表面顏色泛白，而且有鹽析現(xiàn)象，表面出現(xiàn)沙化現(xiàn)象，棱角明顯剝落，已經(jīng)變?yōu)閳A角，而且隨著硫酸鹽溶液濃度的增加，試件表面破損更加嚴(yán)重。圖1給出了受10%濃度硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后混凝土的表觀形貌變化。

3.2 混凝土單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

歷經(jīng)荷載后受侵蝕混凝土壓縮試驗(yàn)的主要結(jié)果如表3所示，其中峰值應(yīng)變εp取峰值應(yīng)力fc處對應(yīng)的應(yīng)變，彈性模量值E取混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段峰值應(yīng)力40%處的割線模量。

表3 混凝土壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of concrete under uniaxialcompression

從表3可以看出：未歷經(jīng)荷載的試件，隨著荷載水平的增大，受濃度為5%和10%溶液侵蝕的試件峰值應(yīng)力和彈性模量均減小，峰值應(yīng)變增大，而未侵蝕試件,隨著荷載水平增大，試件峰值應(yīng)力、彈性模量和峰值應(yīng)變均有減小趨勢；隨著溶液濃度的增大，混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量均減小，峰值應(yīng)變增大。硫酸鹽溶液濃度(5%和10%)對混凝土力學(xué)性能的影響比荷載水平(25%和50%)更顯著，尤其是受濃度為10%硫酸鹽溶液侵蝕的試件，相比未侵蝕情況，強(qiáng)度降低56%～65%，彈性模量降低70%以上。

3.3 歷經(jīng)荷載后混凝土侵蝕機(jī)理

荷載歷史和硫酸鹽侵蝕均影響混凝土力學(xué)性能。硫酸鹽侵蝕作用下，混凝土內(nèi)部生成鈣礬石或石膏；干濕循環(huán)的作用一方面可以加速硫酸根離子的滲透和擴(kuò)散，另一方面導(dǎo)致硫酸鹽晶體的析出。隨著腐蝕產(chǎn)物的持續(xù)生成，膨脹壓力不斷增大，當(dāng)膨脹壓力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生膨脹裂縫。在硫酸鹽濃度為5%和10%的溶液中，由于腐蝕產(chǎn)物較多，引起混凝土微裂縫的擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度和彈性模量的降低，峰值應(yīng)變增大。荷載歷史導(dǎo)致混凝土試件內(nèi)部的初始缺陷產(chǎn)生和發(fā)展，其次對于受硫酸鹽侵蝕的試件，荷載歷史產(chǎn)生的微裂縫可以加速硫酸鹽的侵蝕，造成混凝土力學(xué)性能的退化。然而當(dāng)荷載水平較小時(shí)，對混凝土產(chǎn)生的力學(xué)損傷并不明顯，因此試驗(yàn)中硫酸鹽濃度(5%和10%)對混凝土力學(xué)性能的影響比荷載水平(25%和50%)更顯著。

4 歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕普通混凝土與高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能比較

為了研究歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕普通混凝土和高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的區(qū)別，本課題組還制作了尺寸與普通試件相同的高強(qiáng)混凝土試件，其28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為63.2 MPa。高強(qiáng)混凝土試件經(jīng)歷了荷載和120次硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕，荷載水平為50%，硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)步驟與普通混凝土的相同[11]。

4.1 受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以ε/εp為橫坐標(biāo),σ/fc為縱坐標(biāo)，將試驗(yàn)實(shí)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行無量綱化處理，歷經(jīng)荷載后受硫酸鹽侵蝕普通混凝土和高強(qiáng)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 歷經(jīng)荷載后受侵蝕普通混凝土和高強(qiáng)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of sulfate-corroded ordinary concrete and high strength concrete subjected to loading

由圖2可知，當(dāng)荷載水平和溶液濃度均相同的情況下，普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有所區(qū)別，前者比后者飽滿，即ε/εp相同的情況下前者曲線的σ/fc值大于后者，這與文獻(xiàn)[12]中的研究結(jié)論是一致的。荷載水平和溶液濃度對2種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀的影響不是很明顯，盡管如此，仍可以從圖2(a)和圖2(b)看出相同硫酸鹽濃度下2種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著荷載水平的增大有變飽滿的趨勢，從圖2(c)和圖2(d) 看出相同荷載水平下2種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著溶液濃度的增大亦有變飽滿的趨勢。

4.2 峰值應(yīng)力

普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)力與硫酸鹽溶液濃度的關(guān)系如圖3(a)所示，其中fc,h為未侵蝕試件歷經(jīng)荷載后混凝土的峰值應(yīng)力,fc,h(w)為侵蝕試件歷經(jīng)荷載后混凝土的峰值應(yīng)力?？梢钥闯?種混凝土峰值應(yīng)力隨著濃度的增大均減小，普通混凝土的峰值應(yīng)力降低速率明顯大于高強(qiáng)混凝土；從未侵蝕到硫酸鹽濃度為5%時(shí)，歷經(jīng)荷載水平為50%普通混凝土峰值應(yīng)力的降低速率比未歷經(jīng)荷載的普通試件顯著，而兩者(荷載水平為0%和50%普通試件)的降低速率隨著溶液濃度的增大逐漸變得一致；同溶液濃度(5%或10%)時(shí)，荷載水平對高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)力的影響并沒有普通混凝土的明顯，這是因?yàn)殡m然2種混凝土均經(jīng)歷了50%荷載水平，然而由于高強(qiáng)混凝土內(nèi)部空隙少、密實(shí)度高，抗硫酸鹽侵蝕性好，故荷載水平對硫酸鹽侵蝕的促進(jìn)效果并不明顯。

圖3 混凝土力學(xué)性能與濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between mechanical propertiesof concrete and solution concentration

4.3 彈性模量

圖3(b)為歷經(jīng)荷載后普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的彈性模量Ec,h與硫酸鹽溶液濃度的關(guān)系。由圖3(b)可見，2種混凝土彈性模量隨著濃度的增大均減小，相同溶液濃度(5%或10%)時(shí)，歷經(jīng)荷載后2種混凝土彈性模量均有所降低，但普通混凝土的彈性模量變化更大。

4.4 峰值應(yīng)變

歷經(jīng)荷載后2種混凝土峰值應(yīng)變εc,h與硫酸鹽溶液濃度的關(guān)系如圖3(c)所示。可以看出2種混凝土峰值應(yīng)變均隨著濃度的增大而增大，相同溶液濃度(5%或10%)時(shí)，歷經(jīng)荷載后2種混凝土峰值應(yīng)變均有所增大，但普通混凝土的峰值應(yīng)變變化更顯著；當(dāng)從未侵蝕到硫酸鹽濃度為5%時(shí)，普通混凝土峰值應(yīng)變的增長速率明顯比高強(qiáng)混凝土大，當(dāng)硫酸鹽溶液濃度從5%增加到10%時(shí)，普通混凝土峰值應(yīng)變的增長速率變小，而高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變的增長速率卻變大。

5 結(jié) 論

(1) 隨著溶液濃度的增大，干濕循環(huán)90次后普通混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量均減小，峰值應(yīng)變增大。

(2) 隨著荷載水平的增大，相比未歷經(jīng)荷載的試件，受濃度為5%和10%侵蝕試件的峰值應(yīng)力和彈性模量均減小，峰值應(yīng)變增大，而未侵蝕試件的峰值應(yīng)力、彈性模量和峰值應(yīng)變均有減小趨勢。

(3) 普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均隨著荷載水平和溶液濃度的增大有變飽滿的趨勢，普通混凝土的力學(xué)指標(biāo)變化更顯著。

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Mechanical Properties of Sulfate-corroded Concrete Subject to Loading

ZHU Kong-feng, LU Jing-zhou, LIU Ya, GUO Li

(School of Civil Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China)

Through uniaxial compressive test on sulfate-corroded concrete specimens after loading, we investigated the influences of load level and sulfate solution concentration on the mechanical properties and erosion mechanism. Furthermore, we compared the mechanical properties with those of high strength concrete. Results revealed that 1) with the increase of load level, the peak stress, elastic modulus and peak strain of non-corroded specimens decreased, whereas the peak stress and elastic modulus of specimens corroded by sulfate solutions of 5% or 10% concentration decreased while peak strain increased; 2) when load level remained constant, as solution concentration increased, the peak stress and elastic modulus of specimens decreased, and the peak strain increased; 3) as load level and solution concentration increased, the stress-strain curves of ordinary concrete and high strength concrete plumped gradually, and the main mechanical indices of ordinary concrete changed more significantly than those of high strength concrete. The research results can provide certain reference basis for the design of pre-damaged concrete structures under sulfate environment.

high strength concrete; mechanical properties; loading; sulfate corrosion; ordinary concrete

2016-07-08 ；

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479174)

朱孔峰(1990-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，從事混凝土損傷特性研究。E-mail:zhukongfeng@126.com

逯靜洲(1973-)，男，山西天鎮(zhèn)人，教授，博士,碩士生導(dǎo)師，從事混凝土損傷特性研究。E-mail:lujingzhou@sina.com

10.11988/ckyyb.20160698

TU528.01

A

1001-5485(2018)01-0143-04

(編輯：劉運(yùn)飛)