溶蝕混凝土力學性能退化的試驗研究

周欣竹，葉凌艷，鄭建軍

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014)

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溶蝕混凝土力學性能退化的試驗研究

周欣竹1,2，葉凌艷1，鄭建軍1,2

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014)

通過實驗室試驗研究了不同配合比混凝土力學性能隨溶蝕時間的演化規(guī)律.試驗設計變量主要為水灰比和骨料體積率，采用硝酸銨溶液加速混凝土溶蝕過程.試驗結果表明：酚酞指示劑法能夠較準確地表征混凝土的溶蝕深度，溶蝕深度近似與溶蝕時間的平方根成線性關系.混凝土彈性模量、抗壓強度和劈拉強度均隨著溶蝕時間的增長而減小，水灰比和骨料體積率對它們的減小速率有較大影響.與彈性模量相比，溶蝕對抗壓強度和劈拉強度影響更大.當溶蝕損傷變量小于0.6時，溶蝕混凝土抗壓強度模型與試驗結果良好吻合.

溶蝕混凝土；溶蝕深度；彈性模量；抗壓強度；劈拉強度

在混凝土的長期使用過程中，耐久性一直是人們關注的話題[1].混凝土耐久性不僅取決于荷載作用，而且與其所處的環(huán)境也有很大的關系[2-3].若混凝土長期與軟水接觸，其中的氫氧化鈣將會不斷溶出，混凝土孔隙率不斷增加，強度、剛度和耐久性逐漸降低，最終導致結構破壞.在自然環(huán)境中，混凝土的溶蝕非常緩慢，而在實驗室試驗中，一般采用加速方法加快溶蝕，常用的方法有化學試劑法[4-7]、電化學加速法[8]和提高溶蝕環(huán)境溫度的方法[9].通過這些方法可以獲得混凝土力學性能隨時間的演化規(guī)律，Le Bellégo等[10]試驗結果表明：當砂漿的溶蝕程度為48%，59%，74%時，剛度損失分別為23%，36%，53%.Xie等[6]的試驗結果證實，化學損傷會導致硬化水泥漿體屈服應力的急劇下降.孔祥芝等[7]通過試驗得到結論，混凝土性能退化與氫氧化鈣溶出率成線性關系[11].黃蓓和錢春香測定了溶蝕混凝土的應力—應變關系.

現(xiàn)有的溶蝕試驗主要側重于水泥石和砂漿，較少涉及混凝土，一般采用鈣離子濃度來表征溶蝕程度，而且在力學性能演化方面所積累的試驗數(shù)據(jù)也十分有限，無法確定各關鍵影響因素及它們的相對重要性.在前人工作的基礎上，采用化學試劑法加速溶蝕，研究了水灰比和骨料含量對溶蝕混凝土力學性能退化的影響，并從微觀角度給出了解釋.

1 試驗材料與方法

本試驗采用浙江錢潮水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學組分如表1所示.粗細骨料為天然碎石和砂子，砂子的表觀密度、含水量和吸水率分別為2 630 kg/m3，0.35%和1.41%，而碎石的表觀密度、含水量和吸水率分別為2 530 kg/m3，0.35%和1.13%.骨料尺寸采用富勒級配，最大骨料粒徑為16 mm.混凝土攪拌用水和養(yǎng)護用水均為自來水，其pH為6.5.混凝土水灰比分別為0.4，0.5，0.6，骨料體積率分別為0%，45%，55%，65%.各組混凝土配合比如表2所示.

表1 水泥的化學組成

表2 混凝土配合比

本試驗采用濃度為6 mol/L的硝酸銨溶液來加速混凝土溶蝕，溶蝕速度約為混凝土在去離子水中溶蝕速度的300倍[4,7,10].在試驗過程中，需及時更換溶液，使溶液的pH值保持在8.5～9.25之間.所制作的混凝土初始試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，成型24 h后脫模，并在標準條件下養(yǎng)護28 d.養(yǎng)護好之后對試件進行鉆孔取芯，上下兩端各切除15 mm，磨平，形成直徑為27 mm，高為40 mm的最終圓柱體試件.在試件的上下表面涂蠟，保證溶蝕只發(fā)生在圓柱體側面.當溶蝕時間達到4，14，28，45，98 d時，取出試件進行各種性能測試.

用切割機將溶蝕過的混凝土試件切開，在切開橫截面的外圍可以看到圓環(huán)狀的“淺色區(qū)域”，由于“淺色區(qū)域”的pH值降低，當噴灑1%的酚酞指示劑后，“淺色區(qū)域”的顏色基本不變，而其他區(qū)域都變成深色.用游標卡尺測量試件邊緣到變色分界線之間的距離，每個面上選取8個點，計算它們的算術平均值作為溶蝕深度d1.我們定義溶蝕損傷變量D為已經(jīng)溶蝕部分面積與試件截面積之比

(1)

其中：S0為試件截面積；S1為未溶蝕部分面積；S2為已溶蝕部分面積.

2 試驗結果分析

根據(jù)上述方法測得不同溶蝕時間各組混凝土試件的溶蝕深度，G2組混凝土的典型結果如圖1所示.從圖1中可以看出：酚酞指示劑可以很好地表征溶蝕區(qū)域，界限明顯，測得溶蝕4，14，28 d的溶蝕深度分別為2.09，3.49，5.01 mm，即溶蝕深度隨著溶蝕時間的增長而增大.各組混凝土溶蝕深度與溶蝕時間的關系如圖2所示，從圖2可以看出：對于給定的水灰比和溶蝕時間，溶蝕深度隨著骨料體積率的增大而減小，但減小率隨著骨料體積率的增大而減小，這是因為骨料的不可滲透性和骨料邊界的曲折性阻礙溶液滲透到混凝土內部，而骨料周圍形成的界面層則加速溶液滲透到混凝土內部，當骨料體積率較小時，界面沒有形成滲流通道，前者效應起決定作用，溶蝕深度隨著骨料體積率的增大而減小，當骨料體積率達到55%時，界面形成滲流通道[12]，兩者效應幾乎抵消，所以，G3組和G4組混凝土的溶蝕深度幾乎相同.從圖2還可以看出：各組混凝土的修正溶蝕深度與溶蝕時間的平方根具有良好的線性關系，表明水泥基材料的溶蝕是一個擴散過程，可以用Fick定律來描述.對比G1，G2，G3，G4組混凝土，發(fā)現(xiàn)其擴散系數(shù)k1>k2>k3>k4，對比G3，G5，G6組混凝土，則k6>k5>k3，這表明溶蝕速度隨著骨料體積率的增大而減小，但隨著水灰比的增大而增大.

圖1 G2組混凝土不同溶蝕時間的溶蝕深度Fig.1 Variety of leaching process with time in concrete of group G2

圖2 溶蝕深度與溶蝕時間的關系Fig.2 Relationship between leaching depth and leaching time

各組混凝土彈性模量降低率(δE)與溶蝕時間的關系如圖3所示，對比圖3中的G1，G2，G3，G4組混凝土，對于給定的水灰比和溶蝕時間，彈性模量降低率隨著骨料體積率的增大而減小，這主要是因為骨料相對不可滲透，彈性模量基本保持不變，而水泥石由于溶蝕，孔隙率增大，彈性模量減小，骨料體積率越大，水泥石基體所占的體積百分比越小，受溶蝕影響程度也越小.對比圖3中的G3，G5，G6組混凝土，對于給定的骨料體積率和溶蝕時間，水灰比越大，彈性模量降低越顯著，這是因為水灰比越大，水泥石基體中的孔隙率越大，溶液更容易滲透到混凝土中，進一步增加孔隙率，降低彈性模量.圖4，5給出了各組混凝土抗壓強度降低率(δfc)和劈拉強度降低率(δft)與溶蝕時間的關系，其演化規(guī)律與彈性模量類似，即對于給定的水灰比和溶蝕時間，抗壓強度和劈拉強度的降低率隨著骨料體積率的增大而減小，對于給定的骨料體積率和溶蝕時間，抗壓強度和劈拉強度的降低率隨著水灰比的增大而增大.比較圖3～5還可以看出：與彈性模量相比，抗壓強度和劈拉強度對溶蝕更敏感，同一溶蝕時間的下降幅度更大，以G3組混凝土為例，溶蝕45 d后，彈性模量下降26.37%，而抗壓強度和劈拉強度分別下降31.43%和43.75%.

圖3 彈性模量降低率與溶蝕時間的關系Fig.3 Relationship between reduced elastic modulus and leaching time

圖4 抗壓強度降低率與溶蝕時間的關系Fig.4 Relationship between reduced compressive strength and leaching time

圖5 劈拉強度降低率與溶蝕時間的關系Fig.5 Relationship between reduced splitting tensile strength and leaching time

3 抗壓強度理論模型

在分析溶蝕混凝土抗壓強度時，把混凝土試件劃分為未溶蝕的核心圓柱體和已溶蝕的等厚度圓柱殼兩部分，如圖6所示，分析時假設：1) 硝酸銨加速溶蝕是均勻的，忽略由于遷移引起受力面的侵蝕；2) 不考慮混凝土的初始應力；3) 不考慮混凝土溶蝕后由于泊松比變化而引起的橫向變形.

1—溶濁部分；2—未溶蝕部分圖6 溶蝕混凝土損傷模型Fig.6 Damage model of leached concrete

由混凝土試件的整體靜力平衡條件可得

σS0=σ1S1+σ2S2

(2)

式中：σ1和σ2分別為混凝土溶蝕部分和未溶蝕部分所受的應力；σ為整體平均應力.

將式(1)代入式(2),有

σ=(1-D)σ1+Dσ2

(3)

式(3)即為溶蝕混凝土壓應力與化學損傷之間的關系.

隨著壓應力的增大，混凝土內部不斷產(chǎn)生力學損傷，根據(jù)Lemaltre的應變等效原理[13]，用有效應

力代替Cauchy應力來描述損傷混凝土的應力—應變關系

σ=(1-ω)Eε

(4)

式中：ε為壓應變；ω為力學損傷標量.根據(jù)文獻[14]，混凝土單軸受壓的應力—應變關系為

(5)

式中：εp為與抗壓強度相對應的峰值應變；n為參數(shù)，定義為

(6)

將式(4)代入式(5)，即可得到混凝土力學損傷演化方程為

(7)

如果溶蝕部分混凝土和未溶蝕部分混凝土的抗壓強度分別為fc1和fc2，并假設達到抗壓強度時所對應的峰值應變相等，由式(4)可計算出溶蝕部分混凝土和未溶蝕部分混凝土的力學損傷標量ω1和ω2，則這2部分混凝土的損傷本構關系為

σ1=(1-ω1)E1ε1，σ2=(1-ω2)E2ε2

(8)將式(8)代入式(3)，并注意到試件受壓過程中溶蝕部分混凝土和未溶蝕部分混凝土的應變保持相等,有

(9)

根據(jù)試驗觀測，溶蝕混凝土的整體抗壓強度主要取決于未溶蝕混凝土，當未溶蝕部分混凝土的應變達到εp時，溶蝕混凝土達到抗壓強度fc，而且當溶蝕損傷變量小于0.6時，溶蝕部分混凝土和未溶蝕部分混凝土的力學損傷近似相等.這樣，由式(9)可得到溶蝕混凝土的抗壓強度公式為

fc=[(E1/E2)D+1-D]fc2

(10)

以G1,G2,G3和G4組混凝土為例，將式(10)計算得到的溶蝕混凝土抗壓強度理論值與試驗結果進行比較，結果如圖7所示.從圖7可以看出：當溶蝕損傷標量小于0.6時，理論值與試驗結果良好吻合，當溶蝕損傷標量大于0.6時，理論值小于試驗值，而且溶蝕損傷標量越大，偏差也越大，引起這一偏差的原因可能是由于計算中假設溶蝕部分混凝土和未溶蝕部分混凝土的力學損傷標量相等.因此，如何預測溶蝕損傷標量大于0.6時溶蝕混凝土的抗壓強度，是今后需要進一步研究的課題.

圖7 溶蝕混凝土抗壓強度理論值與試驗結果比較Fig.7 Comparison between theoretical values and experimental results of leached concrete

4 結 論

本實驗對不同配合比的溶蝕混凝土進行研究，結果表明酚酞指示劑法能夠比較準確地表征混凝土的溶蝕深度，隨著溶蝕時間的增長，溶蝕深度不斷增大，而彈性模量、抗壓強度和劈拉強度不斷減小.對于給定的水灰比和溶蝕時間，溶蝕深度、彈性模量、抗壓強度和劈拉強度均隨著骨料體積率的增大而減小，對于給定的骨料體積率和溶蝕時間，它們均隨著水灰比的增大而增大.相比于彈性模量，溶蝕對抗壓強度和劈拉強度的影響更顯著.討論了溶蝕混凝土抗壓強度模型，通過與試驗結果比較，初步驗證了該模型的有效性.

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(責任編輯：劉 巖)

An experimental study on the degradation of mechanical properties of leached concrete

ZHOU Xinzhu1,2, YE Lingyan1, ZHENG Jianjun1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Zhejiang Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology, Hangzhou 310014, China)

Through a laboratory test, the variations of the mechanical properties of leached concrete of different mixture proportions with leaching time are studied. In the test, the main design variables include the water/cement ratio and the aggregate volume fraction and ammonium nitrate solution is used to accelerate the leaching process. The experimental results demonstrate that the phenolphthalein method can characterize the leaching depth in concrete comparatively accurately. The leaching depth is approximately proportional to the square root of leaching time. The elastic modulus, compressive strength, and splitting tensile strength of concrete decrease with leaching time. The water/cement ratio and the aggregate volume fraction have a larger influence on their percentages of decrease. Compared with the elastic modulus, leaching exerts a more significant influence on the compressive strength and the splitting tensile strength. When the leaching damage variable is smaller than 0.6, the compressive strength model of leached concrete is in good agreement with experimental results.

leached concrete; leaching depth; elastic modulus; compressive strength; splitting tensile strength

2016-03-04

國家自然科學基金資助項目(51379188)；浙江省自然科學基金資助項目(LY15E090006)

周欣竹( 1966—)，女，江蘇南京人，教授， 研究方向為混凝土材料與結構耐久性，E-mail：xzzhou66@zjut.edu.cn.

TU57

A

1006-4303(2016)05-0524-05