韓宇棟, 劉 暢, 王振波, 左建平, 洪紫杰

(1.中國京冶工程技術(shù)有限公司, 北京 100088; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083; 3.中冶建筑研究總院有限公司, 北京 100088)

混凝土作為全球使用最廣泛、產(chǎn)量最大的基礎(chǔ)材料,越來越多地應(yīng)用到橋梁、海底隧道等海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施中,其在海洋環(huán)境中的耐久性已成為關(guān)鍵的工程問題[1].混凝土性脆易裂,在荷載和環(huán)境因素作用下的開裂不可避免,且其應(yīng)變軟化屬性使構(gòu)件變形集中發(fā)生在少數(shù)裂縫處,毫米級的裂縫充當(dāng)了侵蝕介質(zhì)運移的通道,從而進(jìn)一步加劇材料破壞.因此,控制材料開裂后的裂縫寬度對改善海工結(jié)構(gòu)耐久性十分必要.高延性水泥基材料(ECC)是為克服傳統(tǒng)混凝土的脆性、突破其應(yīng)變軟化屬性而發(fā)展起來的縫寬自控型材料[2-4],其極限拉應(yīng)變通常可達(dá)30000μm/m以上,單條裂縫寬度可控制在100μm以下,且縫寬大小與構(gòu)件變形量、截面配筋率無關(guān).目前,該材料已被應(yīng)用于高層建筑連梁、高速公路路面板伸縮裝置、停車場自流平地坪和鋼箱梁橋面鋪裝等眾多工程實踐中[5-8],并逐漸向海洋工程領(lǐng)域延伸.

硫酸鹽侵蝕是引起海洋工程材料劣化的重要因素之一,其在本質(zhì)上是硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成膨脹物質(zhì)造成的材料損傷破壞[9].ECC材料的抗硫酸鹽侵蝕性能受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注：Liu等[10]研究了ECC材料被硫酸鈉溶液浸泡后的立方體抗壓和軸拉力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)即使浸泡200d以上，ECC仍可保留優(yōu)良的力學(xué)性能,抗壓、抗拉強度逐漸增大,拉伸延性有所降低;?zbay等[11]研究了硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重作用下的ECC材料抗彎力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕作用下,凍融循環(huán)300次以后,材料抗彎強度小幅度衰減,而極限抗彎撓度顯著降低.在實際海洋工程中,結(jié)構(gòu)材料通常處于硫酸鹽侵蝕與干濕循環(huán)作用耦合的復(fù)雜服役環(huán)境中,干濕循環(huán)作用下硫酸根離子的侵蝕速率將明顯加快[12-13],膨脹性產(chǎn)物與硫酸鹽結(jié)晶交替產(chǎn)生，將使材料損傷不斷累積[14-15].ECC材料在這種嚴(yán)酷海洋工程環(huán)境中的服役性能,將決定其對于海洋工程結(jié)構(gòu)的適用程度.

基于此,本文通過室內(nèi)試驗?zāi)M干濕循環(huán)作用下ECC材料的硫酸鹽侵蝕環(huán)境,在不同侵蝕周期后開展小尺寸圓柱體試件的單軸壓縮試驗,得到材料的軸壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變、壓應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線,分析干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕作用對ECC軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律,從材料軸壓強度、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比等抗壓力學(xué)指標(biāo)的角度全面衡量不同侵蝕周期下ECC材料的硫酸鹽侵蝕特征,考察硫酸鹽干濕循環(huán)作用下ECC材料的軸壓力學(xué)行為,為深入揭示ECC材料的硫酸鹽侵蝕劣化機理、構(gòu)建抗硫酸鹽海洋工程材料的強韌化設(shè)計方法提供支撐.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥為北京金隅集團產(chǎn)的P·O 42.5水泥;粉煤灰為匯豐新材料公司產(chǎn)的一級粉煤灰;膨脹劑為新中巖科技公司產(chǎn)的ZY型膨脹劑;砂為秦皇島石英砂廠產(chǎn)的粒徑為75～150μm精制石英砂;聚乙烯醇(PVA)纖維為Kuraray公司產(chǎn)的PVA纖維,其相關(guān)性能參數(shù)見表1;減水劑為江蘇博特新材料公司產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑;拌和水為自來水;硫酸鹽浸泡溶液采用國藥集團化學(xué)試劑公司產(chǎn)的分析純無水硫酸鈉進(jìn)行配制.ECC和基材配合比見表2.

表1 聚乙烯醇纖維的相關(guān)性能參數(shù)

表2 ECC和基材配合比

1.2 試驗方法

在室溫條件下配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的硫酸鈉溶液,以營造加速侵蝕環(huán)境.ECC不含粗骨料,兼顧溶液的浸泡飽和程度,選用CES—82《ECC材料設(shè)計與施工指南》中推薦的φ50×100mm小尺寸圓柱體試件.每組成型3個試件,在(20±2)℃,相對濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行侵蝕試驗,試驗結(jié)果取平均值.

試件的兩個端面在浸泡前進(jìn)行封蠟處理,僅使試件側(cè)面暴露于環(huán)境中,限制鹽溶液的侵蝕/干燥路徑為一維徑向(如圖1).浸泡時,試件豎置于密封容器中,且完全浸沒于溶液中,浸泡7d后將試件取出,室內(nèi)環(huán)境自然干燥8d,此為1次干濕循環(huán)(15d)，即1個侵蝕周期.本文選取0(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d)、2、4、6、10次干濕循環(huán)后的試件,進(jìn)行單軸壓縮試驗.考慮到硫酸鈉溶液的經(jīng)時損失,干濕循環(huán)試驗中定期更換溶液以保持溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定.

圖1 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of sulfate drying-wetting cycle test

單軸壓縮試驗的設(shè)備為具有動靜閉環(huán)數(shù)字電液伺服控制功能的GCTS綜合測試系統(tǒng),以位移控制模式加載,速率為3.33×10-5/s,軸向應(yīng)變通過安裝在試件2側(cè)的LVDT傳感器進(jìn)行測量,徑向應(yīng)變通過環(huán)繞試件圓周的徑向傳感器進(jìn)行測量,單軸壓縮試驗裝置示意圖如圖2.加載過程中,通過計算機自動采集時間、荷載、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變等數(shù)據(jù),采集頻率30次/min,實時記錄試件的加載破壞全過程.

圖2 單軸壓縮試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of uniaxial compression test device

2 結(jié)果與討論

2.1 不同侵蝕周期下的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為不同侵蝕周期(N)下ECC材料的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線,其中正應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變,負(fù)應(yīng)變?yōu)閺较驊?yīng)變.

圖3 不同侵蝕周期下ECC材料的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of ECC under different erosion cycles

由圖3可見,ECC在各侵蝕周期下的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似：應(yīng)力-軸向應(yīng)變、應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線均在初始階段表現(xiàn)為線彈性特征;當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后,曲線進(jìn)入非線性發(fā)展階段,直至峰值應(yīng)力fc;此后壓應(yīng)力開始下降,不同侵蝕周期下的應(yīng)力下降速率有所差別,但最終的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩,即使干濕循環(huán)達(dá)到10次,ECC這一特有的受壓韌性仍然得以保留.比較圖3中軸、徑向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：峰值應(yīng)力前，徑向應(yīng)變的增長速率顯著低于軸向應(yīng)變,該階段應(yīng)力引發(fā)的橫向變形響應(yīng)比較有限;峰值應(yīng)力后的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律則恰好相反,應(yīng)力一旦超過峰值,徑向應(yīng)變的發(fā)展速率便急劇增大,并很快在數(shù)值上超過軸向應(yīng)變.這是因為材料的應(yīng)力-應(yīng)變線性階段的徑向應(yīng)變主要受制于彈性變形,隨后應(yīng)變偏離線性直至臨近峰值應(yīng)力,微裂紋萌生、擴展,但裂紋張開、滑移及聯(lián)生等破壞機制尚未發(fā)生[16],因此峰值應(yīng)力前的徑向應(yīng)變增長緩慢;而在峰值應(yīng)力后,材料發(fā)生明顯破裂,導(dǎo)致徑向應(yīng)變急劇增大.在ECC加載過程中實施了超聲脈沖測試,發(fā)現(xiàn)其徑向應(yīng)變與橫波波速呈強相關(guān)性,變化規(guī)律統(tǒng)一,并且已有試驗證明橫波監(jiān)測ECC受力破壞過程的有效性[17],這說明徑向應(yīng)變的發(fā)展能夠在一定程度上表征裂紋的擴展情況.

由圖3還可見：曲線的初始線性段,材料在各侵蝕周期下的應(yīng)力上升斜率接近重合,硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕并未對ECC抗壓剛度造成影響;侵蝕周期對隨后的非線性上升段和下降段均影響顯著,隨侵蝕周期的延長,ECC的峰值應(yīng)力明顯提高,干濕循環(huán)4次后ECC的峰值應(yīng)力達(dá)到最高(68.7MPa),此后稍有回落,但仍然遠(yuǎn)高于侵蝕前;受侵蝕ECC的曲線下降段特征相似,但明顯區(qū)別于侵蝕前,侵蝕前ECC材料的峰后下降段比較平緩,而受侵蝕ECC的曲線下降段則表現(xiàn)出一定的應(yīng)力陡降.綜上所述,硫酸鹽干濕循環(huán)作用提高了ECC的峰值壓應(yīng)力,但降低了材料的抗壓韌性，這種材料強度與韌性的相悖關(guān)系符合ECC力學(xué)特性[18].需要注意的是,在本文研究范圍內(nèi),各侵蝕周期下的材料殘余應(yīng)力水平均比較接近,材料抗變形能力在應(yīng)力下降段的后期又回歸統(tǒng)一.

2.2 軸壓力學(xué)參數(shù)的演化規(guī)律

圖4為不同侵蝕周期下基材和ECC材料軸壓力學(xué)參數(shù)(抗壓強度比、峰值軸向應(yīng)變ε0和徑向應(yīng)變ε02、彈性模量E0及泊松比ν0)的變化規(guī)律,其中抗壓強度比為各侵蝕周期下的材料抗壓強度與侵蝕前抗壓強度之比,E0通過壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變的線性段斜率確定,ν0通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段末端的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比計算[17].

圖4 不同侵蝕周期下基材和ECC材料軸壓力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律Fig.4 Variation of uniaxial compressive parameters of matrix and ECC under different erosion cycles

由圖4(a)可見：ECC抗壓強度比隨硫酸鹽侵蝕周期延長呈先大幅提升后平穩(wěn)發(fā)展的趨勢,干濕循環(huán)2、4、6、10次后ECC的抗壓強度比分別達(dá)到1.20、1.48、1.44、1.34;干濕循環(huán)達(dá)到10次后,ECC抗壓強度仍比侵蝕前提高了34%;基材強度的發(fā)展規(guī)律明顯不同,隨侵蝕周期延長,其抗壓強度未見明顯增長,而是降低之后稍有回升,干濕循環(huán)6次后開始明顯降低.

由圖4(b)可見：干濕循環(huán)0、2、4、6、10次后ECC的峰值軸應(yīng)變分別為0.297%、0.399%、0.415%、0.434%、0.392%,呈先增大后減小的趨勢;基材的峰值軸向應(yīng)變增長滯后,并在干濕循環(huán)6次后明顯降低.這一規(guī)律與材料抗壓強度的發(fā)展一致,抗壓強度越高,峰前應(yīng)變能力越強,但ECC在硫酸鹽侵蝕后的抗變形能力明顯優(yōu)于基材.由圖4(b)還可見：ECC峰值徑向應(yīng)變隨侵蝕周期延長呈先減小后增大趨勢;干濕循環(huán)0、2、4、6、10次后的峰值徑向應(yīng)變大小分別為0.117%、0.072%、0.112%、0.133%、0.140%.綜上：侵蝕初期,ECC的峰前軸向變形能力提高,而徑向變形能力降低;當(dāng)干濕循環(huán)6次后軸向變形能力小幅降低,徑向變形有所提高;與ECC材料相比,基材的峰值徑向應(yīng)變變化幅度不大.

由圖4(c)可見：ECC的初始彈性模量低于基材;隨著侵蝕周期的延長,ECC彈性模量始終在21GPa 附近小幅變化;基材彈性模量表現(xiàn)為明顯的下降趨勢,由侵蝕前的30GPa左右很快降至 20GPa 附近.PVA纖維的引入的確削弱了ECC的初始彈性模量,但隨著侵蝕周期的延長,硫酸鹽侵蝕對基材的劣化作用顯著大于ECC,這是由于PVA纖維抑制了微結(jié)構(gòu)劣化,從而保持材料彈性模量不降低,這體現(xiàn)出ECC抗硫酸鹽侵蝕的優(yōu)越性.由圖4(d)可見,ECC及基材的泊松比ν0受侵蝕周期影響不大,在本文研究范圍內(nèi),ν0對硫酸鹽侵蝕作用不敏感,始終穩(wěn)定在0.155左右.

2.3 硫酸鹽侵蝕ECC的微觀結(jié)構(gòu)

硫酸鹽干濕循環(huán)下,材料主要經(jīng)歷化學(xué)侵蝕、硫酸鹽結(jié)晶膨脹以及未水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化[9],這些機制將在不同侵蝕周期發(fā)揮不同程度的作用.圖5為硫酸鹽侵蝕ECC材料的SEM照片.由圖5可見：侵蝕早期,ECC材料中未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化,膨脹產(chǎn)物及鹽結(jié)晶逐漸聚集并充填孔隙,干濕循環(huán)6次后試件中形成了致密的針棒狀鈣礬石晶體;隨著侵蝕周期的延長,大量存在的PVA纖維又可有效橋接膨脹產(chǎn)物及結(jié)晶膨脹造成的微裂紋損傷,限制裂紋進(jìn)一步發(fā)展.因此ECC材料的抗壓強度能夠在侵蝕早期獲得大幅提升,并在侵蝕后期保持平穩(wěn),但基體材料性脆易裂,膨脹產(chǎn)物及結(jié)晶膨脹機制導(dǎo)致的內(nèi)部損傷無法得到有效控制,在水泥水化填充的綜合作用下,基材強度呈小幅變化,至干濕循環(huán)6次后明顯降低.

圖5 硫酸鹽侵蝕ECC材料的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM micrograph of ECC erosion by sulfate

3 結(jié)論

(1)硫酸鹽干濕循環(huán)作用下,各侵蝕周期下的ECC軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相似.侵蝕初期峰值應(yīng)力對應(yīng)的軸向應(yīng)變逐漸提高,侵蝕后期小幅降低,而徑向應(yīng)變呈先減小后增大趨勢.徑向應(yīng)變在峰值應(yīng)力前增長速率顯著低于軸向應(yīng)變,峰值應(yīng)力前并未造成顯著損傷;而峰值應(yīng)力以后的徑向應(yīng)變發(fā)展速率急劇增大,這反映出材料已經(jīng)發(fā)生明顯破裂.

(2)硫酸鹽干濕循環(huán)作用不會對ECC壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始線性段產(chǎn)生影響,而對曲線的非線性上升段和應(yīng)力下降段影響顯著.隨侵蝕周期延長,峰值應(yīng)力明顯提高.受侵蝕ECC的曲線下降段表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力陡降,區(qū)別于侵蝕前ECC的平緩下降段.隨后的殘余應(yīng)力階段中,各侵蝕周期下的應(yīng)力水平較為接近,材料抗變形能力在應(yīng)力下降段的后期回歸統(tǒng)一.

(3)ECC抗壓強度隨硫酸鹽侵蝕周期延長而大幅提高,干濕循環(huán)4次時達(dá)到最大,循環(huán)10次后的抗壓強度仍是侵蝕前ECC的1.34倍.而基材強度隨侵蝕齡期延長未見明顯增長,且在干濕循環(huán)6次后顯著降低.

(4)在本文研究的周期范圍內(nèi),未見硫酸鹽侵蝕對ECC彈性模量和泊松比的劣化作用.