初始應(yīng)力損傷對(duì)再生混凝土硫酸鹽腐蝕的影響

蔣建華，眭 源，翁偉新

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

目前，大部分研究都集中在普通混凝土的硫酸鹽腐蝕上，對(duì)再生混凝土硫酸鹽腐蝕的研究還不夠。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了多組再生骨料取代率互不相同的試件，并對(duì)其預(yù)加了三種不同程度的初始應(yīng)力損傷，通過(guò)模擬加速試驗(yàn)研究了再生混凝土在硫酸鈉腐蝕下的劣化過(guò)程。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，并對(duì)二者進(jìn)行了物理力學(xué)性能測(cè)試。所用的混凝土水灰比為0.4，其配合比見(jiàn)表1。試驗(yàn)所采用的水泥是海螺牌普通硅酸鹽水泥，型號(hào)為P.O 42.5；粉煤灰為F級(jí)粉煤灰，減水劑為液體標(biāo)準(zhǔn)型高效能減水劑，摻量為0.40%。制作試塊使用的骨料分為再生粗骨料(RCA)、天然粗骨料(NCA)和細(xì)骨料三種。再生粗骨料為建筑垃圾資源回收再利用項(xiàng)目出產(chǎn)的連續(xù)級(jí)配的碎石，其粒徑范圍為5～16 mm，壓碎指標(biāo)值為21%，含泥量為2.5%；天然粗骨料為粒徑10～25 mm的碎石，級(jí)配連續(xù)，壓碎指標(biāo)為16%，含泥量為0.7%；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。拌和用水為普通自來(lái)水。

表1 不同初始應(yīng)力損傷再生混凝土配合比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種再生骨料的取代率ρr分別為30%、65%和100%。為了研究初始損傷的影響，還設(shè)計(jì)了三種初始應(yīng)力水平，即0.2、0.4、0.6倍的混凝土抗壓強(qiáng)度。對(duì)于ρr為30%的混凝土，每種初始應(yīng)力水平設(shè)計(jì)了三個(gè)棱柱體試塊和九個(gè)立方體試塊；對(duì)于ρr為65%和100%取代率的混凝土試塊，每種初始應(yīng)力水平設(shè)計(jì)了三個(gè)棱柱體試塊和三個(gè)立方體試塊。

在混凝土澆筑24 h后，對(duì)各混凝土試件進(jìn)行脫模，然后將試塊置于相對(duì)濕度不低于95%、溫度(20±2)℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土試塊進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。選擇垂直于澆筑面的平整表面作為加載面，以3 kN/s的速率連續(xù)均勻加載，其峰值載荷作為試樣的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，三個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值的平均值作為混凝土強(qiáng)度的代表值。

1.2.2 初始應(yīng)力損傷的施加

對(duì)養(yǎng)護(hù)后不同取代率的再生混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度值(表2)，并以其28 d強(qiáng)度作為預(yù)制初始應(yīng)力損傷的加載控制指標(biāo)。

表2 不同取代率再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均值

根據(jù)表1中各試件的初始應(yīng)力水平設(shè)計(jì)值，通過(guò)加載對(duì)試件施加相應(yīng)的初始應(yīng)力。根據(jù)損傷力學(xué)理論，根據(jù)混凝土試件加載前后的超聲波速計(jì)算損傷程度[12]。

本試驗(yàn)采用對(duì)測(cè)法確定混凝土損傷度，原理如下：首先，選定混凝土的一個(gè)平整表面(非澆筑面)作為預(yù)制初始損傷的加載面。將兩個(gè)超聲探頭置于與加載面垂直的兩個(gè)相對(duì)表面中心點(diǎn)位置。加載前，測(cè)得混凝土的初始聲時(shí)T0。然后對(duì)混凝土進(jìn)行五次往復(fù)加載，應(yīng)力損傷預(yù)制完成后，再利用超聲檢測(cè)儀測(cè)量試件損傷后的超聲聲時(shí)T?？筛鶕?jù)公式(1)計(jì)算混凝土的損傷度D0[12]。

(1)

計(jì)算得到不同ρr混凝土的損傷度D0，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 ρr=30%混凝土初始損傷度

表4 ρr=65%及ρr=100%混凝土初始損傷度

1.2.3 模擬硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了混凝土硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)裝置如圖1所示：一個(gè)水箱、混凝土試件、數(shù)顯加熱棒、攪拌器和硫酸鹽溶液，整個(gè)裝置處于密封環(huán)境里。

圖1 硫酸鹽腐蝕裝置圖Fig.1 Device for sulfate corrosion of concrete

在進(jìn)行硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)時(shí)，將混凝土試件浸泡于15%Na2SO4溶液中，設(shè)置恒定溫度值(20±2)℃，通過(guò)加熱棒對(duì)溶液進(jìn)行加熱，溶液的實(shí)時(shí)溫度可以通過(guò)數(shù)顯溫度表觀察。利用攪拌器使得溶液處于流動(dòng)狀態(tài)，保證溶液受熱均勻。此外，用于浸泡試驗(yàn)的硫酸鹽溶液每2周更新一次，以盡量保持溶液的pH值穩(wěn)定。

1.2.4 硫酸鹽腐蝕深度的無(wú)損檢測(cè)

硫酸鹽侵蝕是一個(gè)從外部到內(nèi)部逐漸深入的過(guò)程，侵蝕過(guò)程會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)損傷，而超聲波在損傷層和未損傷層傳播速度不同，見(jiàn)圖2。

圖2 超聲波平測(cè)法測(cè)混凝土腐蝕深度Fig.2 Ultrasonic indirect method

采用超聲平測(cè)法[13]測(cè)量腐蝕不同齡期的混凝土腐蝕深度dc，其公式見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：dc為混凝土損傷層厚度(mm)；va混凝土未損傷層傳播的超聲波速(m/s)；vf是損傷層的超聲波速(m/s)；l0是與超聲波速度突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的換能器距離(mm)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 腐蝕深度

為了進(jìn)一步研究初始損傷后混凝土的腐蝕行為，設(shè)計(jì)30%、65%、100%骨料取代率的棱柱體試塊腐蝕齡期為 90、120、150、180、210、240 d，根據(jù)超聲波平測(cè)法測(cè)量每一個(gè)棱柱體試塊的超聲測(cè)距隨聲時(shí)的變化規(guī)律，并計(jì)算不同取代率再生混凝土的腐蝕深度dc，如圖3所示：

圖3 不同再生骨料取代率混凝土腐蝕深度隨初始損傷度的演變Fig.3 Evolution of dc of concrete with different D0

由圖3可以得出以下結(jié)論：初始損傷度的增加會(huì)直接導(dǎo)致不同腐蝕齡期下腐蝕深度的增加，但初始損傷對(duì)于混凝土的影響存在閾值效應(yīng)，即當(dāng)初始損傷D0大于0.2時(shí)，才會(huì)對(duì)混凝土的腐蝕行為產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)腐蝕齡期一定時(shí)，取代率較大的工況受硫酸鹽腐蝕的程度明顯高于取代率較小的工況。例如當(dāng)腐蝕齡期達(dá)到180 d時(shí)，對(duì)比不同取代率的試塊初始損傷D0由0.2增加到0.4，30%取代率的腐蝕深度增加1.7 mm，65%取代率的腐蝕深度增加2.0 mm，100%取代率的腐蝕深度增加2.6 mm；其余腐蝕齡期下的試塊也基本符合這一規(guī)律。同時(shí)，由于再生骨料內(nèi)部存在較多裂紋，在相近的初始損傷情況下，取代率高的試塊在同等腐蝕齡期下受到的腐蝕越嚴(yán)重，因此初始損傷度對(duì)取代率低的試件影響明顯比取代率高的試件要小。

2.2 質(zhì)量損失率

在每個(gè)腐蝕齡期后測(cè)定試塊的質(zhì)量，計(jì)算得到不同初始損傷度混凝土在每個(gè)腐蝕齡期的質(zhì)量損失率，并進(jìn)行對(duì)比分析。圖4為30%、65%和100%取代率再生混凝土質(zhì)量損失率隨腐蝕時(shí)間和初始損傷度D0的變化曲線。

圖4 不同再生骨料取代率混凝土質(zhì)量損失率隨初始損傷度的演變Fig.4 Evolution of mass loss rate of concrete specimen with different D0

如圖4所示，在相同的腐蝕齡期下，D0=0.2是質(zhì)量損失率變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。D0小于0.2的試件與未損傷混凝土的質(zhì)量損失率幾乎相同，而D0大于0.2的試件隨著其損傷度的進(jìn)一步增長(zhǎng)，質(zhì)量損失率的變化更加顯著。

隨著ρr的增大，試件的質(zhì)量損失率的變化展現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。以腐蝕240 d的混凝土為例，30%RCA取代率、初始損傷度D0為0.43的混凝土質(zhì)量損失率為0.23%；RCA取代率65%、初始損傷度D0為0.43的混凝土質(zhì)量損失率為0.24%；RCA取代率100%、初始損傷度D0為0.45的混凝土質(zhì)量損失率為0.30%。此外，當(dāng)腐蝕齡期變長(zhǎng)時(shí)，試件的質(zhì)量損失率隨D0增長(zhǎng)的速度開(kāi)始加快。

2.3 抗壓強(qiáng)度

對(duì)于30%取代率的試塊，研究了三個(gè)不同的腐蝕齡期(90、160以及240 d)后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同腐蝕齡期30%取代率混凝土抗壓強(qiáng)度隨初始損傷度變化曲線Fig.5 Compressive strength of corroded concrete with the ρr of 30%

圖5表明，隨著初始損傷度D0的增加，試件的抗壓強(qiáng)度降低。與未預(yù)制損傷的試件相比，當(dāng)腐蝕90 d時(shí)，D0為0.1和0.7的試件抗壓強(qiáng)度下降了3.25%和25%；當(dāng)腐蝕160 d時(shí)，D0為 0.21和0.62的試件抗壓強(qiáng)度下降了12.83%和34.32%；當(dāng)腐蝕240 d時(shí)，D0為0.13和0.62的試件抗壓強(qiáng)度下降了4.94%和38.82%。由此得出，對(duì)于腐蝕齡期更長(zhǎng)的混凝土試件，其抗壓強(qiáng)度隨D0增長(zhǎng)而下降的速度更快。

此外，對(duì)于ρr為30%、65%和100%的試件，對(duì)硫酸鹽腐蝕160 d的試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同取代率混凝土160 d抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of concrete with different ρr at160 d

圖6顯示了隨著ρr和D0的增長(zhǎng)，試件的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。腐蝕齡期為160 d時(shí)，ρr為30%、D0為0.38的混凝土試件抗壓強(qiáng)度為37.05 MPa；ρr為65%、D0為0.39的混凝土試件抗壓強(qiáng)度為33.54 MPa；ρr為100%、D0為0.37的混凝土試件抗壓強(qiáng)度為28.85 MPa。另外，隨著ρr的增大，D0對(duì)腐蝕后混凝土抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著。

2.4 動(dòng)彈模量Ed

動(dòng)彈模量Ed也是混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)，也可以用于評(píng)估再生骨料取代率和初始損傷度對(duì)混凝土硫酸鹽腐蝕的影響。Ed是評(píng)價(jià)混凝土性能的最常用的無(wú)損檢測(cè)參數(shù)，因?yàn)樗磉_(dá)了混凝土試件的內(nèi)部密實(shí)度，可以反映試件腐蝕損傷中的變化。Ed可以由式(3)[14]得到：

(3)

式中：Ed為混凝土動(dòng)彈性模量(MPa)；μ為混凝土泊松比，本文統(tǒng)一取0.2；ρ為混凝土的密度(kg/m3)；vr為混凝土表面波速(m/s)。

圖7是ρr為30%、65%、100%的混凝土試塊的Ed隨D0的變化曲線。由圖7可以看出，初始應(yīng)力損傷對(duì)于動(dòng)彈模量Ed存在負(fù)面影響，腐蝕后的再生混凝土的Ed隨D0和ρr的增大而減小，這是由于舊砂漿包裹的再生粗骨料的剛度小于天然骨料的剛度所致。對(duì)于不同的腐蝕齡期，同一ρr的損傷后混凝土試件的腐蝕速率隨D0的增加有相似的下降趨勢(shì)。然而，初始應(yīng)力損傷對(duì)腐蝕后混凝土抗蝕性能的影響在ρr較小的情況更為顯著。

圖7 不同再生骨料取代率混凝土動(dòng)彈模量隨初始損傷度的演變Fig.7 Evolution of Ed of concrete with different D0

3 結(jié)論

本章研究了不同取代率(30%、65%和100%)以及不同初始損傷度D0對(duì)于再生混凝土腐蝕性能變化的影響規(guī)律：

1)再生混凝土硫酸鹽腐蝕深度dc隨腐蝕齡期和RCA取代率的增加而增大，初始應(yīng)力損傷D0對(duì)再生混凝土硫酸鹽腐蝕深度dc的影響有閾值效應(yīng)。當(dāng)D0小于0.2時(shí)，對(duì)dc影響不大；當(dāng)D0大于0.2時(shí)，dc隨D0的增大而顯著增大。

2)質(zhì)量損失率的變化趨勢(shì)與腐蝕深度類(lèi)似，初始應(yīng)力損傷對(duì)腐蝕后再生混凝土的質(zhì)量損失率也存在閾值效應(yīng)，其變化拐點(diǎn)也在D0=0.2附近?；炷猎嚰馁|(zhì)量損失率隨ρr的增大而增大，腐蝕齡期越長(zhǎng)，初始應(yīng)力損傷對(duì)質(zhì)量損失率的影響越顯著。

3)腐蝕后再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨D0的增加呈線性下降趨勢(shì)，且腐蝕齡期越長(zhǎng)，RCA取代率越高，初始應(yīng)力損傷對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響越明顯。

4)腐蝕后再生混凝土的動(dòng)彈性模量Ed隨D0和ρr的增大而減小，對(duì)于不同的腐蝕齡期下的再生混凝土，ρr相同的試件的Ed隨D0的增大有相似的下降趨勢(shì)。而初始應(yīng)力損傷對(duì)ρr較小的混凝土的影響更為顯著。