浸烘與加載耦合作用下混凝土的損傷失效研究*

張立明，余紅發(fā)，寧作君

(1.南京航空航天大學(xué)土木工程系，江蘇南京 210016;2.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012;3.甘肅土木工程研究院，甘肅蘭州 730020)

在海洋、鹽湖、鹽漬土和高含量的腐蝕鹽的地下水等環(huán)境下，硫酸鹽腐蝕、干濕循環(huán)、氯離子銹蝕鋼筋是引起混凝土耐久性不足的主要原因［1－4］。Hekal等［5－6］研究了混凝土 10%MgSO4 溶液中在不同試驗(yàn)環(huán)境下 (室溫、60℃和60℃的浸烘循環(huán)下)的抗腐蝕損傷能力。結(jié)果表明只有在60℃的浸烘循環(huán)是一種加速混凝土腐蝕的一種方法。金祖權(quán)等［7－9］關(guān)注了不同濃度硫酸鹽、氯鹽復(fù)合溶液，在浸烘循環(huán)下，普通混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量規(guī)律，混凝土劣化速度與硫酸鹽濃度成正相關(guān)，復(fù)合溶液中氯鹽存在，延緩了混凝土損傷劣化速度。余紅發(fā)等［10－14］進(jìn)行的調(diào)查研究表明，西部鹽漬土地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)因受到外部荷載、干濕循環(huán)和化學(xué)腐蝕作用，服役3～5年就遭受嚴(yán)重破壞?；炷猎诜圻^程中還承受一定的荷載，許多研究者對(duì)混凝土施加彎曲荷載，然后浸泡到一定濃度的溶液中來研究荷載對(duì)混凝土性能劣化的影響。但對(duì)于混凝土在荷載+浸烘循環(huán)復(fù)合作用下，力學(xué)與環(huán)境因素復(fù)合對(duì)在混凝土應(yīng)力腐蝕有待探討。

為了研究這些地區(qū)的混凝土耐久性問題，選取青海鹽湖鹵水為腐蝕溶液，進(jìn)行在現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)、和一個(gè)循環(huán)包括在鹽湖鹵水中浸泡2 d和60℃烘1 d的浸烘循環(huán)和浸烘循環(huán)+30%彎曲荷載。深入討論不同環(huán)境下混凝土的腐蝕應(yīng)力腐蝕規(guī)律。并采用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)分析了不同腐蝕環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物和微結(jié)構(gòu)損傷。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

湖北黃石水泥廠生產(chǎn)的華新牌P.Ⅰ52.5硅酸鹽水泥。鎮(zhèn)江諫壁電廠華源Ⅰ級(jí)粉煤灰。江蘇江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級(jí)磨細(xì)礦渣，比表面積461 m2/kg。膠凝材料化學(xué)成分見表1。蘭州產(chǎn)河砂，Ⅱ區(qū)級(jí)配，中砂細(xì)度模數(shù)為2.5。甘肅省臨洮河口產(chǎn)石灰?guī)r碎石，5～20 mm連續(xù)級(jí)配，最大粒徑20 mm。飲用水。江蘇省蘇博特PCA?(I)聚羧酸類高性能減水劑，減水率達(dá)20%以上。

表1 膠凝材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical Compositions of binder material w/%

1.2 配合比

試件尺寸500 mm×100 mm×75 mm棱柱體。礦物摻合料 (w)分別為:硅灰摻10%，粉煤灰摻量30%，礦粉摻量50%。水灰比為0.35。其配比及28 d抗壓強(qiáng)度見表2。

青海鹽湖運(yùn)回鹵水，到中科院青海鹽湖研究所進(jìn)行等離子光譜測(cè)定化學(xué)成分件見表3。

表2 混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度Table 2 Mixed proportions and compressive strength of concretes

表3 青海察爾汗鹽湖鹵水化學(xué)成分Table 3 The chemical composition of salt lake

1.3 試驗(yàn)方法

相對(duì)動(dòng)彈模量用北京康科瑞公司生產(chǎn)的NM－4B非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)定?；炷恋南鄬?duì)動(dòng)彈模量可用下式計(jì)算:

式中:Er為相對(duì)動(dòng)彈模量;E0和Vr分別為混凝土實(shí)驗(yàn)前的初始動(dòng)彈模量和超聲波波速;Et和Vt分別為混凝土在t時(shí)刻的動(dòng)彈模量和超聲波波速。參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］，當(dāng)降低到60%，質(zhì)量損失率達(dá)到5%以上可認(rèn)為混凝土已經(jīng)發(fā)生應(yīng)力破壞。

抗壓試件邊長(zhǎng)100 mm的立方體，棱柱體試件為100 mm×75 mm×500 mm，混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。測(cè)定好初始超聲波值后，依次放置在如下持續(xù)浸泡環(huán)境、干濕循環(huán)環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)暴露環(huán)境下。分別在90、180、270、330、390、480和540 d測(cè)定各棱柱體的相對(duì)動(dòng)彈模量。

通過四點(diǎn)抗彎拉試驗(yàn)確定最大抗彎拉應(yīng)力，利用設(shè)計(jì)加載裝置對(duì)各試件進(jìn)行加載，加載裝置和加載過程見圖1。

圖1 加載裝置及加載過程Fig.1 The load device and loading process

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試驗(yàn)環(huán)境對(duì)OPC、HSC和HPC耐腐蝕能力的影響

圖2所示:在不同試驗(yàn)環(huán)境下，各混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量都經(jīng)歷強(qiáng)化和劣化的過程。相對(duì)動(dòng)彈模量強(qiáng)化階段:因腐蝕產(chǎn)物在混凝土孔隙、缺陷處生成，密實(shí)了混凝土結(jié)構(gòu)。①在現(xiàn)場(chǎng)暴露環(huán)境下，混凝土強(qiáng)化階段還沒達(dá)到最大值，其中OPC在540 d時(shí)，增加了18.9%，HSC在540 d增加了5.63%;HPC在540 d增加了9.35%。增長(zhǎng)的速率隨水灰比的增大而增大，強(qiáng)化階段的時(shí)間長(zhǎng)度隨水灰比的增大而減小。②在浸烘循環(huán)中，OPC在180 d達(dá)到最大值，增加了15.2%;HSC在330 d達(dá)到最大值，增加了21.5%;HPC在270 d達(dá)到最大值，增加了20.7%，增長(zhǎng)的速率隨水灰比的增大而增大，強(qiáng)化階段的時(shí)間長(zhǎng)度隨水灰比的增大而減小。③浸烘+30%加載環(huán)境中，OPC在180 d達(dá)到最大值，增加了24.8%;HPC在 180 d達(dá)到最大值，增加了25.5%;HSC在270 d時(shí)，增加了25.7%，還沒達(dá)到最大值;增長(zhǎng)的速率隨水灰比的增大而增大，強(qiáng)化階段的時(shí)間長(zhǎng)度隨水灰比的增大而減小。性能劣化階段:因腐蝕產(chǎn)物填滿孔隙后，產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致混凝土孔壁破壞，裂紋引發(fā)、擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致混凝土破壞。①在暴露環(huán)境中，OPC、HSC和HPC都沒到達(dá)劣化階段。②在浸烘循環(huán)中，OPC在540 d時(shí)降低了 22.7%，在劣化階段下降了 38.4%;HSC在540 d時(shí)增加了7.8%，在劣化階段下降了11.1%;HPC在540 d時(shí)增加了0.5%，在劣化階段下降了14.1%;劣化的速率隨水灰比的增大而增大。③在浸烘+30%加載環(huán)境中，OPC下降0.6%，在劣化階段下降了25.4%;HSC增加了10.8%，在劣化階段下降了14.9%;HPC增加了4.1%，在劣化階段下降了21.1%。在相同試驗(yàn)環(huán)境下，水灰比越大劣化速度越快。

圖2 不同試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)OPC﹑HSC和HPC耐腐蝕能力的影響Fig.2 The influence of the ability of stress for OPC、HSC and HPC in different test conditions

2.2 OPC、HSC和HPC耐腐蝕能力和試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)系

圖3(a)所示:OPC在不同試驗(yàn)環(huán)境下，相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強(qiáng)化階段階段還未完成，浸烘和浸烘+30%加載環(huán)境下強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度均為180 d。因此，與暴露環(huán)境相比，浸烘和浸烘+30%加載可以顯著縮短強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度，浸烘和浸烘+30%荷載的強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度至多是暴露強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度的33.3%倍。圖3(b)所示:HSC在不同試驗(yàn)環(huán)境下，相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強(qiáng)化階段階段還未完成，浸烘和浸烘+30%荷載環(huán)境下強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度為330 d;浸烘可以顯著縮短強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度;因此，與暴露環(huán)境相比，浸烘和浸烘+30%加載可以顯著縮短強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度，浸烘和浸烘+30%加載的強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度至多是暴露強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度的50%倍。圖3(c)所示:HPC在不同試驗(yàn)環(huán)境下，相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律。暴露環(huán)境下，強(qiáng)化階段還未完成，浸烘和浸烘+30%荷載，強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度分別為270 d和180 d;浸烘+30%荷載可以顯著縮短強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度;浸烘和浸烘+30%荷載環(huán)境的強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度至少是暴露強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度的33.3%和50%倍。與暴露環(huán)境相比，浸烘+30%荷載環(huán)境可以顯著的縮短強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度，OPC、HSC和HPC分別暴露強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度的33.3%、61%和33.3%倍;而浸烘環(huán)境下OPC、HSC和HPC分別暴露強(qiáng)化階段時(shí)間長(zhǎng)度的33.3%、61%和50%倍。因此，與現(xiàn)場(chǎng)暴露環(huán)境相比，浸烘+30%荷載環(huán)境對(duì)混凝土應(yīng)力腐蝕最大，其次是浸烘環(huán)境。

圖3 OPC﹑HSC和HPC耐腐蝕能力與試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)系Fig.3 The relationship between OPC、HSC、HPC and test environment

2.3 鹽湖鹵水腐蝕混凝土的微觀分析

浸烘循環(huán)下，分別對(duì)90，330和540 d的HSC進(jìn)行SEM分析混凝土空洞中微觀結(jié)構(gòu)的變化，如圖4所示:90 d時(shí)有少量的腐蝕產(chǎn)物，330 d隨腐蝕產(chǎn)物有大量的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過540 d的浸烘循環(huán)，混凝土孔洞幾乎完全被針狀產(chǎn)物充填，并形成裂紋混凝土。裂縫并在進(jìn)一步發(fā)展，通過對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行確定為鈣礬石和石膏。這是因?yàn)镾O2－4擴(kuò)散到混凝土近表面區(qū)，在孔隙和界面區(qū)生成鈣礬石和石膏，當(dāng)鈣礬石和石膏結(jié)晶長(zhǎng)大，一旦其膨脹力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)差生大量裂縫，相對(duì)動(dòng)彈模量開始劣化，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，促進(jìn)鈣礬石和石膏的生成，相對(duì)動(dòng)彈模量迅速下降。

圖4 鈣礬石晶體在不同腐蝕齡期對(duì)混凝土孔洞的充填情況Fig.4 Ettrigite crystals filled in void pore of the concrete specimens for different ages

3 結(jié)論

混凝土在應(yīng)力腐蝕作用下的相對(duì)動(dòng)彈性模量要經(jīng)歷強(qiáng)化階段與試驗(yàn)環(huán)境和混凝土類型密切相關(guān)。

1)水灰比越大強(qiáng)化階段的時(shí)間越短，說明腐蝕產(chǎn)物多，混凝土結(jié)構(gòu)迅速密實(shí)。對(duì)于同一混凝土而言，浸烘循環(huán)+30%荷載的強(qiáng)化階段時(shí)間最短，其次是浸烘循環(huán)，最后是現(xiàn)場(chǎng)暴露。

2)浸烘循環(huán)+30%荷載作用顯著加速了混凝土應(yīng)力腐蝕破壞進(jìn)程。OPC應(yīng)力腐蝕的強(qiáng)化段在浸烘循環(huán)+30%荷載時(shí)間與長(zhǎng)度暴露環(huán)境條件的相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度分別壓縮了67%。在浸烘+30%荷載循環(huán)作用下，在強(qiáng)化階段HSC發(fā)生應(yīng)力腐蝕的干濕循環(huán)次數(shù)分別比OPC和HPC延長(zhǎng)了1.8倍，因此，在中國(guó)鹽湖地區(qū)，HSC表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗應(yīng)力腐蝕能力。

3)通過微觀分析，可知混凝土應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)物是鈣礬石和石膏。這是因?yàn)镾O2－4擴(kuò)散到混凝土近表面區(qū)，在孔隙和界面區(qū)生成鈣礬石和石膏，當(dāng)鈣礬石和石膏結(jié)晶長(zhǎng)大，一旦其膨脹力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)差生大量裂縫，相對(duì)動(dòng)彈模量開始劣化。

［1］ADAM N E.The confused world of sulfate attack on concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(8):1275－1296.

［2］HEKAL E E，KISHAR E，MOSTAFA H.Magnesium sulfate attack on hardened blended cement pastes under different circumstances［J］.Cement and Concrete Research 2002，32(9):1421 －1427.

［3］張建業(yè)，余紅發(fā)，麻海燕，等.鹽腐蝕與應(yīng)力作用下混凝土的凍融損傷及抑制［J］.混凝土，2009(12):32－ 36.

［4］張?jiān)魄?，余紅發(fā)，孫偉，張建業(yè).MgSO4腐蝕環(huán)境作用下混凝土的抗凍性［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011(5):698－702

［5］MANGAT P S，EL－KHATIB J M .Influence of initial curing on sulfate resistance of blended cement concrete［J］.Cement and Concrete Researc，1992，22(6):1089 －1100.

［6］AK?Z F，TüRKER F.Effects of raised temperature of sulfate solutions on the sulfate resistance of mortars with and without silica fume［J］.Cement Concrete Research，1999，29(4):537 －544.

［7］ZHANG Z，OLEK J，DIAMOND S.Studies on delayed ettringite formation in early－age，heat－cured mortars:I.Expansion measurements，change sin dynamic modulus of elasticity，and weight gains［J］.Cement and Concrete Research，2002，32(11):1729 －1736

［8］金祖權(quán)，孫偉，張?jiān)粕?混凝土在硫酸鹽、氯鹽溶液中的損傷過程［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，34(5):630－635

［9］金祖權(quán)，孫偉，趙鐵軍，將金洋.混凝土在硫酸鹽一氯鹽環(huán)境下的損傷失效研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，36(SⅡ)200 －204.

［10］余紅發(fā).鹽湖地區(qū)高性能混凝土的耐久性、機(jī)理與使用壽命預(yù)測(cè)方法［D］.南京:東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2004.

［11］余紅發(fā)，孫偉，李美丹.荷載對(duì)混凝土在腐蝕、凍融作用下強(qiáng)度的影響［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(2):297－ 301.

［12］燕坤，余紅發(fā)，麻海燕，等.硫酸鎂腐蝕與彎曲荷載對(duì)碳化混凝土抗凍性的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(7):877－ 883.

［13］余紅發(fā)，孫偉，屈武，等.鹽湖地區(qū)的環(huán)境條件與混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［J］.工業(yè)建筑，2003，33(3):1－ 4.

［14］YU Hongfa，SUN Wei，ZHANG Yunsheng，et al.Durability of concrete subjected t o the combined actions of flexural stress，freeze－thaw cycles and bittern solutions［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，23(6):893－ 900.

［15］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T50082－2009普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.