氧化石墨烯/微膠囊混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究

鄂天龍, 張四江, 景明明, 王生貴, 張子堂, 王泉, 張富平, 程志和, 王名遠(yuǎn)

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司建設(shè)分公司, 蘭州 730000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)重慶研究院, 重慶 401120)

隨著中國(guó)電力設(shè)施的快速發(fā)展,大量輸變電工程途經(jīng)西北地區(qū),輸電塔基礎(chǔ)受鹽漬土、濕陷性黃土等鹽溶環(huán)境影響,極易導(dǎo)致基礎(chǔ)腐蝕。同時(shí),接地網(wǎng)是確保電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行、保證人身及設(shè)備安全的重要措施,其接地電阻是接地網(wǎng)的主要技術(shù)參數(shù)之一,降低接地電阻是保證接電網(wǎng)正常工作的重要措施之一。因此,復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和電網(wǎng)接地工程設(shè)計(jì)要求都將對(duì)混凝土材料提出更高需求。

混凝土受硫酸鹽侵蝕是一種降解過(guò)程,對(duì)混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度和耐久性造成不利影響[1-2]。硫酸鹽侵蝕過(guò)程中,硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)形成鈣礬石和石膏晶體,促進(jìn)混凝土膨脹和開(kāi)裂,加速混凝土的破壞[3-4]。此外,硫酸根離子在高濕度和低溫下分解硅酸鈣水化物(C-S-H)形成奇異晶石(CaSiO3·CaCO3·CaSO4·15H2O),導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度損失甚至結(jié)構(gòu)倒塌[5]?；炷翗?gòu)件自身抗?jié)B性較差,硫酸鹽液體滲透到孔隙中,使其產(chǎn)生鈣礬石等結(jié)晶,孔隙受晶體壓力的影響,最終導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和結(jié)構(gòu)失效。眾多研究者長(zhǎng)期致力于改善混凝土在硫酸鹽環(huán)境中的抗腐蝕性能[6-9]。Smallwood等[10]通過(guò)摻入7%的超細(xì)火山灰代替水泥,發(fā)現(xiàn)浸入5%濃度的硫酸鈉溶液中混凝土膨脹率降低,抗硫酸鹽能力增強(qiáng)。Skaropoulou等[11]研究發(fā)現(xiàn),摻入粉煤灰、高爐渣或偏高嶺土的混凝土對(duì)抗硫酸鹽侵蝕效果輕微,與摻入天然火山灰的混凝土對(duì)比效果不明顯。Ghafoori等[12]研究發(fā)現(xiàn),含有微米二氧化硅的水泥基材料比含有納米二氧化硅的材料具有更好的抗硫酸鹽侵蝕性能。Gao等[13]在混凝土中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%和0.15%的多壁碳納米管,不同濃度的多壁碳納米管的混凝土在5%硫酸鈉溶液中的耐久性均有所改善。但是上述“添加劑”只能延緩混凝土的劣化過(guò)程,一旦混凝土在硫酸鹽環(huán)境中損壞,劣化速度成倍增加,使用壽命會(huì)大大降低[14]。因此,改善混凝土在富含硫酸鹽環(huán)境中的耐久性關(guān)鍵是通過(guò)一些措施減少裂縫的產(chǎn)生或?qū)崿F(xiàn)裂縫自愈合,從根本上降低硫酸鹽侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

微膠囊自修復(fù)技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、愈合快等優(yōu)點(diǎn),能夠有效地愈合混凝土內(nèi)部的微裂縫,具有廣闊的應(yīng)用前景[15-17]。盡管微膠囊自愈合技術(shù)取得了一定的進(jìn)展,但仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決,例如微膠囊使用熱固性樹(shù)脂作為外殼材料,它們?cè)趬毫ο乱搽y以破裂和釋放愈合劑[18]。此外,微膠囊中現(xiàn)有的大部分愈合劑必須與固化劑接觸,產(chǎn)生固化反應(yīng),但混凝土在使用過(guò)程中所處的環(huán)境復(fù)雜,使得愈合劑與固化劑的接觸更加困難,自愈合過(guò)程難以實(shí)現(xiàn),降低了混凝土的自愈性能[19-20]。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要關(guān)注微膠囊對(duì)提高混凝土自愈性能的影響[21-24],對(duì)含微膠囊混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究較少,不利于自愈合混凝土的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。硅酸鈉具有較高黏度,膨潤(rùn)土可快速填充裂縫,可與混凝土中的水或濕氣快速反應(yīng)形成修復(fù)裂縫的愈合產(chǎn)物。此外,氧化石墨烯具有較好的導(dǎo)電性能和超大的比表面積,高摻量的石墨烯可以明顯提高水泥基材料的導(dǎo)電性能,但是高摻量的石墨烯不僅造價(jià)高,還會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降[25]。

綜上,以蘭臨750 kV輸變電工程臨洮段區(qū)域性濕陷性黃土和鹽漬土為背景,基于物理法制備了一種硅酸鈉-膨潤(rùn)土為芯材、乙基纖維素-二甲苯為壁材的微膠囊,用于水泥基材料的自修復(fù),外摻氧化石墨烯材用于提高材料導(dǎo)電性。隨后對(duì)試樣進(jìn)行硫酸鹽浸泡和干濕循環(huán)試驗(yàn),并通過(guò)掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)觀察了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)研究硫酸鹽浸泡后的表觀特征,干濕循環(huán)前后混凝土的質(zhì)量損失、力學(xué)性能和修復(fù)率,用于評(píng)估混凝土的抗硫酸鹽性和自愈合性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料

水泥采用P.O42.5普通波特蘭水泥,主要成分及含量如表1所示,試驗(yàn)用砂采用細(xì)度模數(shù)為2.35的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,主要指標(biāo)如表2所示,試驗(yàn)所用氧化石墨烯由默克旗下Sigma-Aldrich提供,主要指標(biāo)如表3所示。微膠囊中使用的硅酸鈉、膨潤(rùn)土分別由國(guó)藥滬試和麥克林提供,拌合用水采用蒸餾水。

表1 水泥主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of cement

表2 IOS標(biāo)準(zhǔn)砂主要指標(biāo)Table 2 IOS standard sand main metrics

表3 氧化石墨烯主要指標(biāo)Table 3 Main indicators of graphene oxide

1.2 微膠囊制備

硅酸鈉俗稱水玻璃,常見(jiàn)是白色玻璃狀縫粉末,在有水的環(huán)境下能夠與水泥基材料發(fā)生一定的固化反應(yīng),也是常見(jiàn)的砂漿防水劑之一。硅酸鈉與氫氧化鈣有如下反應(yīng)。

(1)

在有氟硅酸鈉及水的條件下進(jìn)一步反應(yīng)。

(2)

反應(yīng)生成具有凝膠性質(zhì)的Si(OH)4從而以黏合的形式對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù),而氟硅酸鈉是混凝土常用緩凝劑之一,只要適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土的凝固成形時(shí)間便對(duì)混凝土成型后的強(qiáng)度影響有限,因此,如果將硅酸鈉作為黏合組分,同時(shí)在制作混凝土?xí)r摻入一定比例的氟硅酸鈉,即可在有裂縫產(chǎn)生時(shí)發(fā)生如上的反應(yīng)黏接裂縫,滿足芯材的黏合性要求。

首先,將硅酸鈉、微晶纖維素、膨潤(rùn)土和甲基纖維素按照質(zhì)量比25%、30%、10%、2%進(jìn)行混合均勻,再加入質(zhì)量比29%蒸餾水和4%吐溫80在40 ℃溫度下進(jìn)行均勻拌合,采用擠出滾圓的方式得到囊芯顆粒。其次,將乙基纖維素、乙醇、二甲苯按照質(zhì)量比10%、18%、72%混合并均勻噴灑在囊芯材料上,鼓風(fēng)干燥使膠囊間彼此分散。最后,通過(guò)篩選得到粒徑大致為1～1 000 μm的微膠囊,如圖1所示。結(jié)合芯材與壁材的性質(zhì),利用浸泡蒸餾水的方法檢驗(yàn)外壁完整性,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):大部分微膠囊顆粒保持完整,僅有少數(shù)顆粒發(fā)生了溶解,微膠囊外壁的完整率為98.5%,符合要求。

圖1 微膠囊制作流程Fig.1 Microcapsule production process

1.3 試塊制備

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)制備和養(yǎng)護(hù)含微膠囊的混凝土試塊。具體制備過(guò)程如下:將水泥、碎石、砂和石墨烯加入攪拌機(jī)中,攪拌2 min后將水加入混合器中并連續(xù)攪拌3 min以上,最后將微膠囊摻入拌合物中并攪拌1 min。將拌合料倒入尺寸分別為0.1 m(長(zhǎng))×0.1 m(寬)×0.1 m(高)和0.04 m(長(zhǎng))×0.04 m(寬)×0.16 m(高)的模具中,振搗密實(shí)并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[(20±2) ℃,≥95%RH(RH為相對(duì)濕度)]養(yǎng)護(hù)。24 h后,脫模并將混凝土試塊養(yǎng)護(hù)至所需期齡。試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土等級(jí)為C35,為探究水灰比對(duì)其性的影響,將采用0.40、0.45、0.50不同摻量進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法

測(cè)試所用到的儀器為混凝土全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī),如圖2所示,該儀器最大試驗(yàn)力可達(dá)2 000 kN,位移示值相對(duì)誤差只有±0.5%,能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的加載和測(cè)量,常用于各種試件的強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖2 混凝土試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Concrete testing machine

為百分百模擬硫酸鹽環(huán)境,且減少誤差,將采用硫酸鹽干濕偶合循環(huán)試驗(yàn)箱,如圖3所示,改儀器可模擬干濕兩種環(huán)境,能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)環(huán)境效果,提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,使試驗(yàn)具備進(jìn)一步的意義。同時(shí),為了能夠從微觀層面更好的觀察和分析微膠囊的外觀特點(diǎn)以及外壁包裹情況,選取了部分微膠囊進(jìn)行數(shù)碼顯微鏡觀察。觀察使用的顯微鏡為OLYMPUS DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡,該顯微鏡的物鏡放大倍數(shù)可以達(dá)到100倍,能夠更細(xì)致反應(yīng)物體微觀形態(tài)。

圖3 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)箱Fig.3 Sulfate dry and wet cycle test chamber

2 結(jié)果與分析

2.1 表觀形貌與成分組成

自修復(fù)微膠囊與混凝土有著良好的結(jié)合效果,微膠囊隨著混凝土的破壞而釋放芯材,并隨著混凝土損傷發(fā)生一定的形變。由圖4可知,經(jīng)硫酸鹽充分浸泡的混凝土在斷界面上的除了殘留的部分碳酸鈣外,有著大量的壁材乙基纖維素中的碳。由此可見(jiàn),微膠囊的壁材的抗硫酸鹽侵蝕效果較好,充分保護(hù)了芯材,且表面能夠與混凝土緊密結(jié)合。隨后對(duì)兩者的成分進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)微膠囊顆粒因有纖維素的存在,保證了囊壁的抗侵蝕能力,兩者的主要修復(fù)芯材成分幾乎相同,故微膠囊自修復(fù)混凝土能夠滿足長(zhǎng)期聚焦硫酸鹽抗腐蝕的能力。

θ為衍謝角圖4 浸泡后微膠囊混凝土XDR分析Fig.4 XDR analysis of microencapsulated concrete after soaking

受侵蝕后的微膠囊表面呈現(xiàn)不規(guī)則的圓球。繼續(xù)放大后可以發(fā)現(xiàn)微膠囊表面凹凸不平,這意味著摻入混凝土后,微膠囊能夠與周圍材料可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的平截面假定原理,一旦有裂紋斷面經(jīng)過(guò)微膠囊,微膠囊便可以在兩邊混凝土的拉扯下順利破裂,放出芯材。受侵蝕后的微膠囊的芯材與外壁中間有著明確的分界,外壁沿著芯材完整地包裹住了微膠囊,且厚度均勻,說(shuō)明外壁有著良好的抗腐蝕能力。

圖5為不同水灰比下硫酸鹽浸泡后的混凝土外貌。由圖可知,試塊在硫酸鹽溶液中浸泡20 d后,3種不同水灰比的試塊表面均附著有純白色鹽漬。浸泡40 d后,在水灰比為0.5的試塊中,4個(gè)角處已輕微腐蝕,外表出現(xiàn)輕微剝落,棱邊出現(xiàn)裂紋,并沿著周邊貫通;在水灰比為0.45的試塊中,棱邊出現(xiàn)細(xì)小裂痕,但側(cè)面中心位置出現(xiàn)縱向且可能貫穿性裂縫;在水灰比為0.4的試塊中,表面完好無(wú)損,有部分白色氫氧化鈉析出。經(jīng)浸泡60 d后,在水灰比為0.5的試塊中,上部的四角和棱邊也出現(xiàn)剝落,暴露出內(nèi)部骨料,側(cè)面中心處布滿諸多細(xì)小裂紋;在水灰比為0.45的試塊棱邊和側(cè)面中心處已初現(xiàn)脫落痕跡;水灰比為0.4的試塊無(wú)明顯變化。經(jīng)浸泡80 d后,水灰比為0.5試塊上部角處和棱邊均已完全剝落,側(cè)面中心處裂縫逐漸擴(kuò)大;水灰比為0.45的試塊四角和棱邊呈現(xiàn)輕微脫落,側(cè)面中心處裂縫無(wú)明顯變化;水灰比為0.4的試塊無(wú)明顯剝落現(xiàn)象。

圖5 不同水灰比下硫酸鹽浸泡后的混凝土外貌Fig.5 Appearance of concrete soaked by sulfate under differentwater-cement ratios

硫酸鹽侵蝕過(guò)程中,水灰比為0.5的試塊最先出現(xiàn)裂痕,隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),棱邊和角部的小裂縫逐漸貫穿于表面,使上部表層脫落呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象。水灰比為0.45的試塊裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較晚,棱角雖出現(xiàn)了脫落但面積較小,對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小。水灰比為0.4的試塊,最終僅在棱角處出現(xiàn)細(xì)小裂縫,無(wú)脫落現(xiàn)象,對(duì)試塊的力學(xué)性能影響微乎其微。結(jié)果表明:石墨烯微膠囊混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力隨著混凝土水灰比值的增大而降低,其主要原因在于水灰比的增大將導(dǎo)致混凝土孔隙中的孔隙率增大,導(dǎo)致混凝土表面與硫酸鹽反應(yīng)的面積增大,硫酸鹽溶液在混凝土大孔隙中產(chǎn)生裂縫,最終形成貫穿性裂縫,使得混凝土的耐久性降低,使用壽命減少。

2.2 質(zhì)量損失率

混凝土試樣養(yǎng)護(hù)至齡期后,測(cè)試初始質(zhì)量W0,試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量為W1,取平均值。由式(3)計(jì)算干濕循環(huán)或硫酸鹽侵蝕后試樣的質(zhì)量損失率ΔW1。

(3)

U1、U2、U3、U4分別為素混凝土、水灰比為0.4、0.45和0.5的混凝土質(zhì)量損失率圖6 干濕循環(huán)次數(shù)-質(zhì)量損失率關(guān)系Fig.6 Relation between dry and wet cycles and mass loss rate

(4)

(5)

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土試件內(nèi)部開(kāi)裂、剝落和結(jié)構(gòu)破壞加劇,混凝土試件質(zhì)量迅速下降。當(dāng)混凝土內(nèi)部形成微裂縫時(shí),微膠囊由于尖端應(yīng)力而破裂,釋放的芯材與水迅速反應(yīng)形成愈合產(chǎn)物以填充微裂縫,從而最大限度地減少微膠囊混凝土的質(zhì)量損失率,提高混凝土的抗硫酸鹽性能[16]。

2.3 力學(xué)性能分析

2.3.1 抗壓強(qiáng)度

試樣經(jīng)不同次數(shù)干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律如圖7所示,為了繪圖方便,水灰比0.4、0.45和0.5分別表示為W/C=0.4、W/C=0.45和W/C=0.5。由圖7可知,在干濕循環(huán)20次前,試樣抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)持續(xù)緩慢上升趨勢(shì),且每次強(qiáng)度僅比試驗(yàn)初始值增加約5.68%。分析可知硫酸鹽溶液逐漸向試塊的內(nèi)部擴(kuò)散,與試塊內(nèi)部的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)作用產(chǎn)生CaSO4,CaSO4再與膠凝材料中的固態(tài)水化產(chǎn)物鋁酸鈣結(jié)合生產(chǎn)鈣礬石。其次,鈣礬石的溶解性極其困難,在結(jié)構(gòu)組成上會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)晶體,呈現(xiàn)針狀鈣礬石結(jié)晶,在試塊內(nèi)部引起極大的內(nèi)應(yīng)力,在干濕循環(huán)作用下,石膏結(jié)晶體也對(duì)試塊產(chǎn)生極大的腐蝕作用。

圖7 干濕循環(huán)次數(shù)-抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relation between dry and wet cycles and compressive strength

腐蝕溶液遇到混凝土產(chǎn)生水化反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石、硅酸三鈣、玻璃晶體和石膏等水化產(chǎn)物。體積隨著水化產(chǎn)物的生成而逐漸膨脹,填充混凝土內(nèi)部原有孔隙,使混凝土變密實(shí),提高其抗壓強(qiáng)度。隨著循環(huán)次數(shù)增加,混凝土試塊的強(qiáng)度逐漸下降,直至破壞。主要原因在于混凝土-硫酸鹽水化產(chǎn)物的體積膨脹超出試塊原有孔隙體積,破壞了孔隙周邊混凝土結(jié)構(gòu),產(chǎn)生些許微小裂縫,從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。長(zhǎng)時(shí)間的浸泡水化產(chǎn)物逐漸增多,細(xì)微裂縫繼續(xù)發(fā)展并貫通后,混凝土表面產(chǎn)生宏觀可見(jiàn)裂紋,嚴(yán)重區(qū)域甚至剝落。

利用多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)混凝土相對(duì)強(qiáng)度的變化進(jìn)行擬合預(yù)測(cè),由圖8可知,在干濕循環(huán)次數(shù)97次后,水灰比0.5的試塊相對(duì)強(qiáng)度為0.710。干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到90時(shí),水灰比為0.45的試塊相對(duì)抗壓強(qiáng)度為0.725。試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)至132時(shí),水灰比為0.4的試塊相對(duì)抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.755。在水灰比為0.5時(shí)的試塊,耐干濕循環(huán)次數(shù)最少,僅為90次。水灰比為0.4的試塊受干濕循環(huán)的次數(shù)最多,此數(shù)據(jù)與試樣表觀變化一致。

圖8 干濕循環(huán)-相對(duì)抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.8 Wet-dry cycle-relative compressive strength relationship

2.3.2 彈性模量

對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行了動(dòng)彈性模量的測(cè)試,如圖9所示。不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣動(dòng)彈性模量的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)干濕循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行至20次前,動(dòng)彈性模量曲線均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì),峰值提升了10%～20%。再次驗(yàn)證了硫酸鹽中的水化反應(yīng)產(chǎn)物填充了混凝土試塊的內(nèi)部原有空隙的孔隙的事實(shí),混凝土變的結(jié)構(gòu)更加密實(shí),從而提高了試樣的動(dòng)彈模量。

圖9 干濕循環(huán)-相對(duì)抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Dry-wet cycling-dynamic elastic modulus relation

根據(jù)試樣經(jīng)過(guò)0～80次干濕循環(huán)后動(dòng)彈性模量的數(shù)據(jù),擬合出試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量與干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì),如圖10所示。當(dāng)試驗(yàn)中的干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到102次、水灰比為0.45時(shí),試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量約為0.749。但當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到112次、水灰比為0.50時(shí),試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量也僅為0.767。干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到110次、水灰比為0.4時(shí),相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量值則為0.769。

圖10 干濕循環(huán)-相對(duì)動(dòng)彈性模量關(guān)系Fig.10 Wet-dry cycling-relative dynamic elastic modulus relation

2.4 水灰比對(duì)環(huán)境侵蝕變化規(guī)律預(yù)測(cè)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,充分地驗(yàn)證了混凝土在有硫酸鹽介質(zhì)的環(huán)境中原材料內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶的酸性產(chǎn)物,結(jié)晶物固化后充填到混凝土內(nèi)部孔隙。宏觀特征則表現(xiàn)為混凝土質(zhì)量的增加,強(qiáng)度逐漸提高,動(dòng)彈性模量增大。隨著硫酸鹽侵蝕的不斷進(jìn)行,長(zhǎng)期累積沉淀下來(lái)的結(jié)晶體對(duì)混凝土內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生極大的影響,使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)一些輕微的脆性變化及腐蝕破壞,逐漸使混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇減弱,動(dòng)彈性模量大幅度下降。結(jié)合兩者變化趨勢(shì),擬合出向下開(kāi)口的二次函數(shù),二次函數(shù)方程為y=Ax2+Bx+C,其中A、B、C為擬合曲線的3個(gè)未知量,根據(jù)各變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以依次求得。其中,混凝土材料在初始時(shí)刻的相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈性模量為1,故C=1?；炷敛牧峡箟簭?qiáng)度值和動(dòng)彈性模量值在呈現(xiàn)持續(xù)緩慢上升狀態(tài),在20次循環(huán)可達(dá)到峰值,故-B/2A=20,B=-40A。隨著混凝土水灰比的增加,循環(huán)次數(shù)逐漸增加,拋物線開(kāi)口逐漸減小,二次系數(shù)的絕對(duì)值方程|A|,因?yàn)锽和A之間存在線性關(guān)系,所以只需研究A隨水灰比的變化。原來(lái)的二次函數(shù)簡(jiǎn)化為y=Ax2+40Ax+1。對(duì)試樣相對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步分析,設(shè)|A|與混凝土水灰比呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系,其中|A|反映該混凝土自身力學(xué)屬性和抵御環(huán)境酸堿腐蝕的能力。當(dāng)前試驗(yàn)環(huán)境條件下的環(huán)境腐蝕防護(hù)能力指標(biāo)不變,僅表示混凝土本生態(tài)的環(huán)境屬性差異,擬合試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 水灰比對(duì)環(huán)境侵蝕的變化規(guī)律Fig.11 Change law of water cement ratio of environmental erosion

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)氧化石墨烯/微膠囊混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能進(jìn)行了深入研究,研究單一硫酸鹽侵蝕和干濕循環(huán)侵蝕兩種腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土性能的影響,得出結(jié)論如下。

(1)自修復(fù)微膠囊因乙基纖維素壁材的存在,抗硫酸鹽侵蝕性能較好。硫酸鹽侵蝕過(guò)程中,水灰比為0.45、0.5的試樣棱邊和角部均出現(xiàn)裂縫,并逐漸貫穿于表面,使上部表層脫落呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象。水灰比為0.4的試樣僅在棱角處出現(xiàn)細(xì)小裂縫,無(wú)脫落現(xiàn)象,對(duì)試塊的力學(xué)性能基本無(wú)影響。

(2)水灰比對(duì)兩種腐蝕環(huán)境中的應(yīng)對(duì)能力有著敏感變化,隨著水灰比的降低,抗硫酸鹽侵蝕能力逐步上升。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際工程,建議水灰比為0.35～0.4。

(3)在干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到20次前時(shí),微膠囊混凝土質(zhì)增加,強(qiáng)度逐漸提高,動(dòng)彈性模量增大。隨著硫酸鹽侵蝕的不斷進(jìn)行,長(zhǎng)期累積沉淀下來(lái)的結(jié)晶體對(duì)混凝土內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生極大的影響,使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)一些輕微的脆性變化及腐蝕破壞,逐漸使混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇減弱,動(dòng)彈性模量大幅度下降。