沈亦云, 殷光吉, 溫小棟, 湯玉娟, 駱鑫鑫

（1. 寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 2. 揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

對(duì)于長(zhǎng)期服役于濱海、鹽湖環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致其耐久性退化、力學(xué)性能降低的重要原因[1-2]。 環(huán)境中硫酸根離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性侵蝕產(chǎn)物；這種化學(xué)侵蝕行為不僅會(huì)引起混凝土微結(jié)構(gòu)損傷，還會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生軟化、膨脹及開裂剝落等宏觀破壞現(xiàn)象，降低混凝土力學(xué)性能，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的服役壽命[3-4]。 因此，有必要開展硫酸鹽侵蝕下混凝土力學(xué)性能演變規(guī)律研究，建立其損傷程度的定量表征方法。

混凝土的單壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系包含了彈性模量、抗壓強(qiáng)度等各種力學(xué)性能信息，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試研究；結(jié)果表明，普通壓力試驗(yàn)機(jī)可輕松獲得曲線的上升段，但是很難測(cè)量到曲線的下降段。 這是由于試驗(yàn)機(jī)在加載過(guò)程中自身的變形儲(chǔ)存了較大彈性應(yīng)變能，當(dāng)試件損傷引起承載力下降時(shí)，試驗(yàn)機(jī)因受力減小而恢復(fù)變形，將試件急速壓壞[5-6]。 為避免試件的突然脆性破壞，目前主要有兩種防護(hù)方式，即采用電液伺服閥控制的剛性試驗(yàn)機(jī)和在普通壓力試驗(yàn)機(jī)上增設(shè)剛性輔助元件[7]。 其中，前者的測(cè)試精度取決于試驗(yàn)機(jī)閉環(huán)回路控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度，而測(cè)試精度越高意味著經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)越大。 本文采用增設(shè)剛性輔助元件的方法，設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試硫酸鹽腐蝕下水泥砂漿應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€；通過(guò)試件微結(jié)構(gòu)形貌觀察及孔隙率測(cè)試，分析其力學(xué)性能劣化的原因；利用最小二乘法，擬合腐蝕砂漿抗壓強(qiáng)度、彈性模量與溶液濃度、浸泡時(shí)間之間的定量關(guān)系，以預(yù)測(cè)硫酸鹽侵蝕過(guò)程中水泥砂漿的力學(xué)性能損傷程度。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 材料及試件

為縮短試驗(yàn)周期，本文選取小尺寸的水泥砂漿試件作為研究對(duì)象。 試件制備用水泥為江南-小野田水泥廠生產(chǎn)的52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥（P.O. 52.5），其主要化學(xué)物質(zhì)和礦物組分如表1 所示；細(xì)骨料為中國(guó)ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，其細(xì)觀模數(shù)為2.44；腐蝕溶液為2.5% (Sa)和5.0% (Sb)的Na2SO4溶液。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019，制備了尺寸?23 mm×46 mm、水灰比0.45和砂灰比2.75 的水泥砂漿試件。 當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)28 d 后，利用環(huán)氧樹脂密封試件的上下端面，僅留試件側(cè)面暴露于腐蝕溶液中，以保證試件不同高度處的截面內(nèi)部腐蝕程度一致。 同時(shí)，考慮到水泥二次水化對(duì)試件力學(xué)性能的影響[8]，設(shè)置了浸泡在水溶液(0% Na2SO4溶液，W)中的砂漿試樣作為對(duì)照組。

表1 普通硅酸鹽水泥的主要化學(xué)物質(zhì)和礦物組分的含量

1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試裝置

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)只能獲得應(yīng)力－應(yīng)變曲線的上升段，無(wú)法測(cè)得下降段應(yīng)力、應(yīng)變的有效信息。 為了獲得完整的水泥砂漿應(yīng)力－應(yīng)變曲線，本文采用添加剛性輔助元件的方法，研制了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測(cè)試裝置；除剛性元件外，測(cè)試裝置主要由壓力傳感器、激光位移傳感器、高度調(diào)節(jié)裝置和數(shù)據(jù)采集儀器等構(gòu)成，如圖1 所示。 該裝置綜合考慮了腐蝕試件表觀缺陷、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)量程限制和剛性輔助元件穩(wěn)定性等問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試裝置作了三大改進(jìn)：

圖1 腐蝕水泥砂漿全應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試裝置

1）剛性元件由高強(qiáng)度彈簧鋼制成，具有較大的彈性極限變形，且其剛度與腐蝕砂漿試件較為接近，可保證腐蝕試件壓碎前剛性元件仍處于彈性狀態(tài)；

2）采用非接觸式激光位移傳感器，測(cè)量加載過(guò)程中腐蝕試件的壓縮變形，能克服試件表面腐蝕缺陷問(wèn)題，且該傳感器比應(yīng)變計(jì)、引伸計(jì)具有更高的精度和更好的適用性；

3)在腐蝕試件的加載夾具上安裝螺旋高度調(diào)節(jié)裝置，以確保試樣和剛性元件同時(shí)加載，從而形成“試件－剛性元件”整體加載系統(tǒng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

圖2 給出了浸泡于水溶液、2.5%和5%Na2SO4溶液中的水泥砂漿試件在單壓荷載作用下的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€。 由圖可知，不同腐蝕濃度和浸泡時(shí)間下，腐蝕砂漿試件的單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€形狀相似，但峰值應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、下降段斜率等關(guān)鍵參數(shù)各不相同。 結(jié)合腐蝕試件的軸壓破壞現(xiàn)象，其應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€可分為5 個(gè)階段，如圖3 所示：

圖2 水泥砂漿試件應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€: (a)0%; (b)2.5%; (c)5.0%

圖3 單軸受壓過(guò)程中硫酸鹽腐蝕混凝土破壞過(guò)程

1) 彈性階段(OA)：從開始加載到應(yīng)力達(dá)到彈性比例極限，水泥砂漿的應(yīng)力與應(yīng)變近似呈正比關(guān)系；該階段，可認(rèn)為砂漿內(nèi)微裂紋未擴(kuò)展延伸。

2) 硬化階段(AB)：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性比例極限后，曲線斜率不斷降低，最終應(yīng)力達(dá)到峰值；此階段，試件表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂縫。

3) 裂紋萌生階段(BC)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入下降段不久，試件表面首次出現(xiàn)了可見(jiàn)的細(xì)短裂縫，且該裂紋平行于受力方向。

4) 裂縫發(fā)展階段(CD)：試件表面首次出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫后，裂縫數(shù)目迅速增多，裂紋短、細(xì)且不連貫；隨后，細(xì)裂縫不斷擴(kuò)展，最終形成縱向貫穿主裂縫；此階段，應(yīng)力下降迅速。

5) 碎裂階段(DE)：在軸壓作用下，試件縱向裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸，形成了明顯碎裂區(qū)。

2.2 力學(xué)性能演變

由圖2 的結(jié)果可獲得浸泡于水溶液、2.5%和5.0% Na2SO4溶液中水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律，其結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 可知，暴露于水溶液中的砂漿試件抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間而增大，在初始浸泡階段（0～240 d）抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，但在浸泡240 d 后其增長(zhǎng)速率明顯下降。 這可能是由于試件內(nèi)未完全水化的水泥發(fā)生二次水化作用，使得試件致密化，從而提高了其力學(xué)性能[9]；隨著水泥水化程度趨于最大化，試件力學(xué)性能的提升速率逐漸減緩。 然而，浸泡于Na2SO4溶液中的試件其抗壓強(qiáng)度時(shí)變規(guī)律與浸泡于水溶液中的情況存在明顯差異。 在Na2SO4溶液初始浸泡的0～180 d，試件抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間而增大，其增長(zhǎng)速率略大于暴露在水溶液中的情況；但在浸泡180 d 后，抗壓強(qiáng)度開始下降。 導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因是，除水泥二次水化作用外，硫酸鹽侵蝕生成的化學(xué)產(chǎn)物填充孔隙，使得水泥漿體致密化，改善了浸泡初期試件的力學(xué)性能[10]；當(dāng)孔隙填充到一定程度后，侵蝕產(chǎn)物持續(xù)生成，擠壓水泥漿體，導(dǎo)致漿體局部膨脹、微裂紋擴(kuò)展，加速了試件性能的劣化[11]。

圖4 水泥砂漿抗壓強(qiáng)的時(shí)變規(guī)律

圖5 為浸泡在水溶液、2.5%和5.0% Na2SO4溶液中的砂漿試件時(shí)變彈性模量。由圖可見(jiàn)，浸泡于水溶液中的試件彈性模量變化不大，這與相關(guān)文獻(xiàn)[12]的測(cè)試結(jié)果規(guī)律一致。 而浸泡于2.5%和5.0% Na2SO4溶液中的砂漿彈性模量隨腐蝕時(shí)間先增大，當(dāng)浸泡150～220 d 后，彈性模量達(dá)到最大值，隨后開始降低。

圖5 水泥砂漿彈性模量的時(shí)變規(guī)律

2.3 微結(jié)構(gòu)演變觀察

圖6 給出了5.0% Na2SO4溶液中浸泡180 d 和360 d 后水泥砂漿試件腐蝕表層的微結(jié)構(gòu)形貌。 由圖可見(jiàn)，在腐蝕180 d 后，試件表層可觀察到較多氫氧化鈣晶體及絮狀C-S-H 凝膠等水泥水化產(chǎn)物的存在，且其孔隙和初始裂紋內(nèi)填充了不少鈣礬石、石膏等侵蝕產(chǎn)物。 而在腐蝕360 d 后，水泥砂漿內(nèi)形成了貫通的微裂紋，且微裂紋中大量針棒狀鈣礬石交錯(cuò)生長(zhǎng)，而氫氧化鈣晶體存在較少。 這是由于隨著硫酸鹽化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氫氧化鈣不斷消耗而生成石膏、鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，擠壓水泥漿體，導(dǎo)致漿體受拉開裂、微裂紋擴(kuò)展貫通[13]；這就是浸泡180 d 后水泥砂漿力學(xué)性能降低的直接原因。

圖6 浸泡于Na2SO4 溶液中的水泥砂漿微結(jié)構(gòu)形貌圖: (a)、(b) 浸泡180 d; (c)、(d) 浸泡360 d

通過(guò)孔隙率的變化，可分析硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物填充孔隙的致密作用和侵蝕產(chǎn)物膨脹擠壓砂漿的劣化作用。 圖7 為3 種溶液浸泡下水泥砂漿試件孔隙率的時(shí)變規(guī)律。 由圖可知，養(yǎng)護(hù)28 d 的水泥砂漿試件其平均孔隙率為15.5%；浸泡過(guò)程中，水溶液中試件的孔隙率隨浸泡時(shí)間線性降低，在浸泡300 d 后，降低至13.0%。 浸泡于Na2SO4溶液中的試件，其孔隙率隨浸泡時(shí)間先降低后增大；溶液濃度越高，浸泡前期（0～180 d）孔隙率的下降幅度、浸泡后期（180～300 d）的增長(zhǎng)幅度越大。 對(duì)于2.5%和5.0% Na2SO4溶液，砂漿試件浸泡180 d 后孔隙率分別降低至14.0%和13.8%，而浸泡300 d 后又分別上升至15.7%和16.0%。 需要指出的是，孔隙率與密實(shí)度是兩個(gè)負(fù)相關(guān)的量，而抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度呈正相關(guān)的關(guān)系；因此，對(duì)比圖7 的砂漿試件孔隙率與圖4 的抗壓強(qiáng)度可知，兩者的演變規(guī)律一致。

圖7 水泥砂漿孔隙率的時(shí)變規(guī)律

2.4 化學(xué)損傷擬合

對(duì)比圖4 與5 可知，在Na2SO4溶液浸泡過(guò)程中，砂漿試件彈性模量的變化程度與抗壓強(qiáng)度的不一致。 本文引入與硫酸鹽溶液濃度和浸泡時(shí)間相關(guān)的兩個(gè)化學(xué)損傷參數(shù)df和dE，分別描述硫酸鹽侵蝕引起的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與彈性模量的劣化，如式(1)：

式中，df和dE分別反映硫酸鹽侵蝕對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響，E0、E、f0和f 為未腐蝕與腐蝕砂漿的彈性模量與抗壓強(qiáng)度，c 為Na2SO4溶液濃度，t 為浸泡時(shí)間。

利用圖4 和5 中的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合獲得化學(xué)損傷參數(shù)df和dE的表達(dá)式[13]。 以df為例，將硫酸鹽侵蝕下砂漿抗壓強(qiáng)度的時(shí)變過(guò)程分為上升和下降兩個(gè)階段，并將兩個(gè)階段的df均視為與浸泡時(shí)間t 相關(guān)的二次多項(xiàng)式函數(shù)，可表示為

根據(jù)圖5 中的時(shí)變抗壓強(qiáng)度，利用最小二乘法確定參數(shù)a1、a2、a3；然后，再次采用最小二乘法，對(duì)aj(j=1,2,3)與硫酸鹽濃度c 進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，該二次多項(xiàng)式函數(shù)可表示為

因此，將式(3)代入式(2)，可獲得腐蝕砂漿試件化學(xué)損傷參數(shù)df的表達(dá)式(4)，其擬合曲線如圖8 所示。

同樣地，化學(xué)損傷參數(shù)dE可表示為式(5)，其擬合曲線如圖8 所示。

圖8 水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和彈性模量的擬合曲線

3 結(jié)論

本文研究了硫酸鹽侵蝕下水泥砂漿應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€及其力學(xué)性能的演變規(guī)律，分析了其力學(xué)性能的劣化原因，擬合獲得了力學(xué)性能劣化程度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 主要結(jié)論如下：

(1) 硫酸鹽侵蝕不會(huì)改變水泥砂漿的應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀；結(jié)合軸壓荷載引起的破壞現(xiàn)象，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線可分為彈性、硬化、裂紋萌生、裂紋迅速發(fā)展和碎裂等5 個(gè)階段。

(2) 硫酸鹽侵蝕初期，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨浸泡時(shí)間有所增大，這是由于水泥二次水化和硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物填充使得水泥漿體致密而引起的；腐蝕180 d 后，砂漿力學(xué)性能迅速降低，這是侵蝕產(chǎn)物膨脹生長(zhǎng)引起的微裂紋擴(kuò)展所導(dǎo)致的。

(3) 以溶液濃度和腐蝕時(shí)間為變量，利用最小二乘法擬合腐蝕砂漿力學(xué)性能的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，建立了硫酸鹽侵蝕下水泥砂漿化學(xué)損傷程度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可定量表征硫酸鹽侵蝕過(guò)程中水泥砂漿力學(xué)性能的劣化程度。