历经荷载后受硫酸盐侵蚀的混凝土力学性能

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(烟台大学 土木工程学院, 山东 烟台 264005)

历经荷载后受硫酸盐侵蚀的混凝土力学性能

朱孔峰，逯静洲，刘亚，国力

(烟台大学 土木工程学院, 山东 烟台 264005)

通过对历经荷载后受硫酸盐侵蚀的混凝土进行单轴压缩试验，研究了荷载水平和溶液浓度对混凝土力学性能变化规律及侵蚀机理的影响，并与历经荷载后受硫酸盐侵蚀高强混凝土的力学性能进行了对比分析。分析结果表明：随荷载水平的增大，未侵蚀试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有减小趋势，而受浓度为5%和10%侵蚀试件的峰值应力和弹性模量均减小，峰值应变增大；相同荷载水平时，随溶液浓度的增大，混凝土的峰值应力和弹性模量减小，峰值应变增大；随着荷载水平和溶液浓度的增大，普通混凝土和高强混凝土的应力-应变曲线均有变饱满的趋势，普通混凝土的主要力学指标比高强混凝土变化更显著。研究结果可为在硫酸盐侵蚀环境下的受损伤混凝土结构设计提供一定的参考依据。

普通混凝土；高强混凝土；力学性能;荷载；硫酸盐侵蚀

1 研究背景

硫酸盐侵蚀是导致混凝土材料损伤破坏的主要因素之一，混凝土结构受硫酸盐侵蚀后力学性能会有不同程度的退化。国内外学者已经开展了硫酸盐对混凝土腐蚀的大量研究:Schneider等[1-3]对普通和高性能混凝土在腐蚀溶液介质与持续荷载复合作用下的力学性能和长期性能进行了系统研究，总结了应力腐蚀作用下混凝土的损伤经验模型；Jason等[4]以各向同性损伤模型和硬化屈服塑性面为基础，提出了一种弹塑性损伤理论并且通过试验进行了验证；陈朝晖等[5]对受腐蚀作用的混凝土试块进行单轴受压试验，应用损伤力学理论和概率统计方法建立了腐蚀混凝土单轴受压本构关系模型；Bassuoni等[6]开展了弯曲荷载和硫酸盐干湿循环作用下自密实混凝土的耐久性试验，研究表明弯曲荷载和干湿循环的联合作用引起水泥基体开裂，有利于硫酸根离子的扩散，从而加剧了损伤；Gao等[7]研究表明与单一硫酸盐侵蚀相比，弯曲荷载和干湿循环都加剧了混凝土在硫酸盐溶液中的损伤程度；陈达等[8]研究了硫酸盐干湿循环腐蚀对水泥基材料力学性能的影响，并建立了硫酸盐侵蚀水泥基材料的弹塑性-化学损伤本构模型。以上研究均是针对未带初始损伤的混凝土，然而大多混凝土结构服役期间会经历一定荷载作用，历经荷载后的混凝土材料会有不同程度损伤[9-10]，并且海工或水工结构还会不可避免地经受干湿循环和硫酸盐侵蚀等联合作用，侵蚀因素及机理非常复杂。鉴于多因素硫酸盐侵蚀作用下混凝土损伤的研究较少，本文对历经荷载后受硫酸盐侵蚀试件进行单轴压缩试验，研究不同荷载水平和不同溶液浓度对混凝土力学性能的影响，并与历经荷载后受硫酸盐侵蚀高强混凝土力学性能进行对比分析。

2 试验材料和方法

2.1 试件制备

试验用冀东牌42.5R普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1，物理力学性能见表2。

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition of cement %

注：L.O.I为原料的烧失量

表2 水泥的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

注：细度和标准稠度用水量为质量百分比

粗骨料为最大粒径20 mm的连续级配碎石；细集料为细度模数为2.8的天然河砂；试验用水为饮用自来水。

配合比为水泥∶砂∶粗骨料∶水=1∶1.88∶3.34∶0.55。混凝土试件分9组，每组3个试件，共计27个，几何尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件，将浇筑的试件置于标准养护条件下(温度为20 ℃±3 ℃，湿度为95%以上)养护至28 d，其后在自然条件下养护。

2.2 试验装置与过程

试验采用YAW-2000D型微机控制电液伺服压力试验机加载，该系统支持用户自己编制的各种标准方法的应用程序。运用Imetrum公司生产的非接触式位移/应变视频测量仪采集试验数据。试验过程分3个步骤完成：①利用编制的加载程序对养护好的试件施加规定压应力，荷载水平分别为0% ，25%和50%极限抗压强度，停留3 min后卸载;②进行硫酸盐侵蚀试验,硫酸盐溶液浓度设为5%和10%(质量百分数)，进行干湿循环，即室温浸泡16 h，空气晾干1 h，然后放入80 ℃烘箱中恒温烘干6 h，空气冷却1 h，即为一次循环，共循环90次;③对受侵蚀试件进行混凝土单轴压缩试验。

图1 受10%浓度硫酸盐干湿循环侵蚀后混凝土的表观形貌变化Fig.1 Morphology changes of concrete subjected to dry- wet cycles in sulfate solutions of 10% concentration

3 试验结果及分析

3.1 受硫酸盐侵蚀后的混凝土表面特征

受硫酸盐侵蚀后的混凝土表面颜色泛白，而且有盐析现象，表面出现沙化现象，棱角明显剥落，已经变为圆角，而且随着硫酸盐溶液浓度的增加，试件表面破损更加严重。图1给出了受10%浓度硫酸盐干湿循环侵蚀后混凝土的表观形貌变化。

3.2 混凝土单轴压缩试验结果

历经荷载后受侵蚀混凝土压缩试验的主要结果如表3所示，其中峰值应变εp取峰值应力fc处对应的应变，弹性模量值E取混凝土应力-应变曲线上升段峰值应力40%处的割线模量。

表3 混凝土压缩试验结果Table 3 Test results of concrete under uniaxialcompression

从表3可以看出：未历经荷载的试件，随着荷载水平的增大，受浓度为5%和10%溶液侵蚀的试件峰值应力和弹性模量均减小，峰值应变增大，而未侵蚀试件,随着荷载水平增大，试件峰值应力、弹性模量和峰值应变均有减小趋势；随着溶液浓度的增大，混凝土的峰值应力和弹性模量均减小，峰值应变增大。硫酸盐溶液浓度(5%和10%)对混凝土力学性能的影响比荷载水平(25%和50%)更显著，尤其是受浓度为10%硫酸盐溶液侵蚀的试件，相比未侵蚀情况，强度降低56%～65%，弹性模量降低70%以上。

3.3 历经荷载后混凝土侵蚀机理

荷载历史和硫酸盐侵蚀均影响混凝土力学性能。硫酸盐侵蚀作用下，混凝土内部生成钙矾石或石膏；干湿循环的作用一方面可以加速硫酸根离子的渗透和扩散，另一方面导致硫酸盐晶体的析出。随着腐蚀产物的持续生成，膨胀压力不断增大，当膨胀压力值超过混凝土的抗拉强度时，便产生膨胀裂缝。在硫酸盐浓度为5%和10%的溶液中，由于腐蚀产物较多，引起混凝土微裂缝的扩展，导致混凝土强度和弹性模量的降低，峰值应变增大。荷载历史导致混凝土试件内部的初始缺陷产生和发展，其次对于受硫酸盐侵蚀的试件，荷载历史产生的微裂缝可以加速硫酸盐的侵蚀，造成混凝土力学性能的退化。然而当荷载水平较小时，对混凝土产生的力学损伤并不明显，因此试验中硫酸盐浓度(5%和10%)对混凝土力学性能的影响比荷载水平(25%和50%)更显著。

4 历经荷载后受硫酸盐侵蚀普通混凝土与高强混凝土力学性能比较

为了研究历经荷载后受硫酸盐侵蚀普通混凝土和高强混凝土力学性能的区别，本课题组还制作了尺寸与普通试件相同的高强混凝土试件，其28 d标准立方体抗压强度为63.2 MPa。高强混凝土试件经历了荷载和120次硫酸盐干湿循环侵蚀，荷载水平为50%，硫酸盐干湿循环侵蚀试验步骤与普通混凝土的相同[11]。

4.1 受压应力-应变曲线

以ε/εp为横坐标,σ/fc为纵坐标，将试验实测的应力-应变曲线进行无量纲化处理，历经荷载后受硫酸盐侵蚀普通混凝土和高强混凝土应力-应变曲线如图2所示。

图2 历经荷载后受侵蚀普通混凝土和高强混凝土应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of sulfate-corroded ordinary concrete and high strength concrete subjected to loading

由图2可知，当荷载水平和溶液浓度均相同的情况下，普通混凝土和高强混凝土的应力-应变曲线有所区别，前者比后者饱满，即ε/εp相同的情况下前者曲线的σ/fc值大于后者，这与文献[12]中的研究结论是一致的。荷载水平和溶液浓度对2种混凝土应力-应变曲线形状的影响不是很明显，尽管如此，仍可以从图2(a)和图2(b)看出相同硫酸盐浓度下2种混凝土应力-应变曲线随着荷载水平的增大有变饱满的趋势，从图2(c)和图2(d) 看出相同荷载水平下2种混凝土应力-应变曲线随着溶液浓度的增大亦有变饱满的趋势。

4.2 峰值应力

普通混凝土和高强混凝土的峰值应力与硫酸盐溶液浓度的关系如图3(a)所示，其中fc,h为未侵蚀试件历经荷载后混凝土的峰值应力,fc,h(w)为侵蚀试件历经荷载后混凝土的峰值应力。可以看出2种混凝土峰值应力随着浓度的增大均减小，普通混凝土的峰值应力降低速率明显大于高强混凝土；从未侵蚀到硫酸盐浓度为5%时，历经荷载水平为50%普通混凝土峰值应力的降低速率比未历经荷载的普通试件显著，而两者(荷载水平为0%和50%普通试件)的降低速率随着溶液浓度的增大逐渐变得一致；同溶液浓度(5%或10%)时，荷载水平对高强混凝土峰值应力的影响并没有普通混凝土的明显，这是因为虽然2种混凝土均经历了50%荷载水平，然而由于高强混凝土内部空隙少、密实度高，抗硫酸盐侵蚀性好，故荷载水平对硫酸盐侵蚀的促进效果并不明显。

图3 混凝土力学性能与浓度的关系Fig.3 Relationship between mechanical propertiesof concrete and solution concentration

4.3 弹性模量

图3(b)为历经荷载后普通混凝土和高强混凝土的弹性模量Ec,h与硫酸盐溶液浓度的关系。由图3(b)可见，2种混凝土弹性模量随着浓度的增大均减小，相同溶液浓度(5%或10%)时，历经荷载后2种混凝土弹性模量均有所降低，但普通混凝土的弹性模量变化更大。

4.4 峰值应变

历经荷载后2种混凝土峰值应变εc,h与硫酸盐溶液浓度的关系如图3(c)所示。可以看出2种混凝土峰值应变均随着浓度的增大而增大，相同溶液浓度(5%或10%)时，历经荷载后2种混凝土峰值应变均有所增大，但普通混凝土的峰值应变变化更显著；当从未侵蚀到硫酸盐浓度为5%时，普通混凝土峰值应变的增长速率明显比高强混凝土大，当硫酸盐溶液浓度从5%增加到10%时，普通混凝土峰值应变的增长速率变小，而高强混凝土峰值应变的增长速率却变大。

5 结 论

(1) 随着溶液浓度的增大，干湿循环90次后普通混凝土的峰值应力和弹性模量均减小，峰值应变增大。

(2) 随着荷载水平的增大，相比未历经荷载的试件，受浓度为5%和10%侵蚀试件的峰值应力和弹性模量均减小，峰值应变增大，而未侵蚀试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均有减小趋势。

(3) 普通混凝土和高强混凝土的应力-应变曲线均随着荷载水平和溶液浓度的增大有变饱满的趋势，普通混凝土的力学指标变化更显著。

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Mechanical Properties of Sulfate-corroded Concrete Subject to Loading

ZHU Kong-feng, LU Jing-zhou, LIU Ya, GUO Li

(School of Civil Engineering, Yantai University, Yantai 264005, China)

Through uniaxial compressive test on sulfate-corroded concrete specimens after loading, we investigated the influences of load level and sulfate solution concentration on the mechanical properties and erosion mechanism. Furthermore, we compared the mechanical properties with those of high strength concrete. Results revealed that 1) with the increase of load level, the peak stress, elastic modulus and peak strain of non-corroded specimens decreased, whereas the peak stress and elastic modulus of specimens corroded by sulfate solutions of 5% or 10% concentration decreased while peak strain increased; 2) when load level remained constant, as solution concentration increased, the peak stress and elastic modulus of specimens decreased, and the peak strain increased; 3) as load level and solution concentration increased, the stress-strain curves of ordinary concrete and high strength concrete plumped gradually, and the main mechanical indices of ordinary concrete changed more significantly than those of high strength concrete. The research results can provide certain reference basis for the design of pre-damaged concrete structures under sulfate environment.

high strength concrete; mechanical properties; loading; sulfate corrosion; ordinary concrete

2016-07-08 ；

2016-09-06

国家自然科学基金项目(51479174)

朱孔峰(1990-)，男，山东临沂人，硕士研究生，从事混凝土损伤特性研究。E-mail:zhukongfeng@126.com

逯静洲(1973-)，男，山西天镇人，教授，博士,硕士生导师，从事混凝土损伤特性研究。E-mail:lujingzhou@sina.com

10.11988/ckyyb.20160698

TU528.01

A

1001-5485(2018)01-0143-04

(编辑：刘运飞)