硫酸鹽干濕循環(huán)下ECC的軸壓力學(xué)行為

韓宇棟, 劉 暢, 王振波, 左建平, 洪紫杰

(1.中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司, 北京 100088; 2.中國(guó)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(lái)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(wèn)題[1].混凝土性脆易裂,在荷載和環(huán)境因素作用下的開(kāi)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(jí)的裂縫充當(dāng)了侵蝕介質(zhì)運(yùn)移的通道,從而進(jìn)一步加劇材料破壞.因此,控制材料開(kāi)裂后的裂縫寬度對(duì)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(lái)的縫寬自控型材料[2-4],其極限拉應(yīng)變通?？蛇_(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(wú)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(chē)場(chǎng)自流平地坪和鋼箱梁橋面鋪裝等眾多工程實(shí)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(guó)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(qiáng)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(qiáng)度小幅度衰減,而極限抗彎撓度顯著降低.在實(shí)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(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)的適用程度.

基于此,本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?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(kāi)展小尺寸圓柱體試件的單軸壓縮試驗(yàn),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(xiàn),分析干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕作用對(duì)ECC軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的影響規(guī)律,從材料軸壓強(qiáng)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(jī)理、構(gòu)建抗硫酸鹽海洋工程材料的強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)方法提供支撐.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥為北京金隅集團(tuán)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(jí)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(chǎng)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(jiàn)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(lái)水;硫酸鹽浸泡溶液采用國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司產(chǎn)的分析純無(wú)水硫酸鈉進(jìn)行配制.ECC和基材配合比見(jiàn)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(yàn)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(yíng)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(jì)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(gè)試件,在(20±2)℃,相對(duì)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(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取平均值.

試件的兩個(gè)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(shí),試件豎置于密封容器中,且完全浸沒(méi)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(gè)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(yàn).考慮到硫酸鈉溶液的經(jīng)時(shí)損失,干濕循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sulfate drying-wetting cycle test

單軸壓縮試驗(yàn)的設(shè)備為具有動(dòng)靜閉環(huán)數(shù)字電液伺服控制功能的GCTS綜合測(cè)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(guò)安裝在試件2側(cè)的LVDT傳感器進(jìn)行測(cè)量,徑向應(yīng)變通過(guò)環(huán)繞試件圓周的徑向傳感器進(jìn)行測(cè)量,單軸壓縮試驗(yàn)裝置示意圖如圖2.加載過(guò)程中,通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集時(shí)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(shí)時(shí)記錄試件的加載破壞全過(guò)程.

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)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(xiàn)

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(xiàn),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(xiàn)Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of ECC under different erosion cycles

由圖3可見(jiàn),ECC在各侵蝕周期下的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)特征相似：應(yīng)力-軸向應(yīng)變、應(yīng)力-徑向應(yīng)變曲線(xiàn)均在初始階段表現(xiàn)為線(xiàn)彈性特征;當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后,曲線(xiàn)進(jìn)入非線(xiàn)性發(fā)展階段,直至峰值應(yīng)力fc;此后壓應(yīng)力開(kāi)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(xiàn)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(zhǎng)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(guò)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(guò)軸向應(yīng)變.這是因?yàn)椴牧系膽?yīng)力-應(yīng)變線(xiàn)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(xiàn)性直至臨近峰值應(yīng)力,微裂紋萌生、擴(kuò)展,但裂紋張開(kāi)、滑移及聯(lián)生等破壞機(jī)制尚未發(fā)生[16],因此峰值應(yīng)力前的徑向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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(guò)程中實(shí)施了超聲脈沖測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其徑向應(yīng)變與橫波波速呈強(qiáng)相關(guān)性,變化規(guī)律統(tǒng)一,并且已有試驗(yàn)證明橫波監(jiān)測(cè)ECC受力破壞過(guò)程的有效性[17],這說(shuō)明徑向應(yīng)變的發(fā)展能夠在一定程度上表征裂紋的擴(kuò)展情況.

由圖3還可見(jiàn)：曲線(xiàn)的初始線(xiàn)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(duì)ECC抗壓剛度造成影響;侵蝕周期對(duì)隨后的非線(xiàn)性上升段和下降段均影響顯著,隨侵蝕周期的延長(zhǎng),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(xiàn)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(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)度比、峰值軸向應(yīng)變?chǔ)?和徑向應(yīng)變?chǔ)?2、彈性模量E0及泊松比ν0)的變化規(guī)律,其中抗壓強(qiáng)度比為各侵蝕周期下的材料抗壓強(qiáng)度與侵蝕前抗壓強(qiáng)度之比,E0通過(guò)壓應(yīng)力-軸向應(yīng)變的線(xiàn)性段斜率確定,ν0通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)線(xiàn)性段末端的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比計(jì)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(jiàn)：ECC抗壓強(qiáng)度比隨硫酸鹽侵蝕周期延長(zhǎng)呈先大幅提升后平穩(wěn)發(fā)展的趨勢(shì),干濕循環(huán)2、4、6、10次后ECC的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度仍比侵蝕前提高了34%;基材強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律明顯不同,隨侵蝕周期延長(zhǎng),其抗壓強(qiáng)度未見(jiàn)明顯增長(zhǎng),而是降低之后稍有回升,干濕循環(huán)6次后開(kāi)始明顯降低.

由圖4(b)可見(jiàn)：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(shì);基材的峰值軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)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(qiáng)度的發(fā)展一致,抗壓強(qiáng)度越高,峰前應(yīng)變能力越強(qiáng),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(jiàn)：ECC峰值徑向應(yīng)變隨侵蝕周期延長(zhǎng)呈先減小后增大趨勢(shì);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(jiàn)：ECC的初始彈性模量低于基材;隨著侵蝕周期的延長(zhǎng),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(shì),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(zhǎng),硫酸鹽侵蝕對(duì)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(jiàn),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(duì)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(guān)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(jī)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(jiàn)：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(zhǎng),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(qiáng)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(jī)制導(dǎo)致的內(nèi)部損傷無(wú)法得到有效控制,在水泥水化填充的綜合作用下,基材強(qiáng)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(xiàn)特征相似.侵蝕初期峰值應(yīng)力對(duì)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(shì).徑向應(yīng)變?cè)诜逯祽?yīng)力前增長(zhǎng)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(huì)對(duì)ECC壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的初始線(xiàn)性段產(chǎn)生影響,而對(duì)曲線(xiàn)的非線(xiàn)性上升段和應(yīng)力下降段影響顯著.隨侵蝕周期延長(zhǎng),峰值應(yīng)力明顯提高.受侵蝕ECC的曲線(xiàn)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(qiáng)度隨硫酸鹽侵蝕周期延長(zhǎng)而大幅提高,干濕循環(huán)4次時(shí)達(dá)到最大,循環(huán)10次后的抗壓強(qiáng)度仍是侵蝕前ECC的1.34倍.而基材強(qiáng)度隨侵蝕齡期延長(zhǎng)未見(jiàn)明顯增長(zhǎng),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(jiàn)硫酸鹽侵蝕對(duì)ECC彈性模量和泊松比的劣化作用.