混合侵蚀和冻融循环条件下混凝土力学机制试验研究

吴松波,万旭升,杨婷婷,颜梦宇,刘 力,钟昌茂

(西南石油大学 土木工程与建筑学院,四川 成都 610500)

混凝土是当代建筑用量最多、用途最广泛的建筑材料,其结构主要是由粗骨料、砂浆、水泥、孔隙等组成,是一种多相复合材料,其内部结构复杂,具有独特的物理力学性质[1]。随着“十三五计划”的提出,西部地区的工程建设也越来越广泛,而盐蚀和冻融循环引发基础破坏一直是西部地区基础工程面临的重要问题,因此研究盐蚀和冻融循环条件下混凝土的力学性能与破坏机理非常重要。

关于冻融、盐蚀作用下的混凝土破坏,国内外专家、学者取得了丰硕的成果。Powers[2]提出了静水压假说和渗透压假说,可以较好地解释混凝土一般冻融破坏和盐冻破坏机理。美国混凝土协会认为在盐蚀作用下混凝土的冻融破坏是物理盐结晶破坏[3,4]。Petersson[5]认为,盐将降低溶液的冻结温度,从而将增加过冷液体量,产生更大的静水压,但因盐浓度愈高其产生的过冷液体量愈多,一旦溶液结冰将产生更大的结冰压,导致混凝土严重破坏。杨全兵等[6,7]对混凝土在不同浓度的NaCl溶液中的冻融试验,得出了质量分数在2%-6%NaCl溶液中将产生最大的结冰压,混凝土受盐冻情况最严重。李隽等[8]利用自然浸泡和干湿循环试验方法研究了不同浓度氯盐浸泡的混凝土在干湿循环后的盐胀破坏特征。石立安等[9]通过复配粉煤灰、膨胀剂以及聚丙烯纤维等材料研究了混凝土在酸雨条件下的力学性能以及微观结构。陈四利等[10]研究了硫酸盐和冻融双重作用对混凝土力学性能的影响,表明混凝土受盐冻破坏作用是表面腐蚀和内部损伤的双重作用,侵蚀机理是硫酸盐和混凝土反应产生膨胀类物质,使内部体积膨胀,将进一步加速硫酸盐腐蚀。郑晓宁等[11]通过XRD衍射与SEM电镜扫描研究了混凝土在混合侵蚀与冻融循环条件下混凝土的破坏机理,其结果表明在混合侵蚀与冻融循环条件下,混凝土的破坏是由化学侵蚀与物理反应共同决定的,随着冻融循环次数的增加,化学反应的产物越多,产生的膨胀压力越大,越容易使混凝土破坏。

半浸泡混凝土的破坏机理是由混凝土内部盐溶液中离子传输过程决定的[12],与全浸泡混凝土的破坏机理有所不同。Scherer[13]认为溶液通过毛细吸水作用进入混凝土内部,并进入混凝土水分蒸发区(混凝土溶液以上的部分),在下部形成水膜区。溶液在水分蒸发区蒸发,当毛细吸水速率大于溶液蒸发速率时,形成干湿界面,盐在干湿界面结晶,不会对混凝土产生较大的破坏,当蒸发速率大于毛细吸水速率时,盐在干湿界面结晶膨胀,产生膨胀压力,使混凝土破坏[14,15]。空气湿度越小,盐溶液浓度越大时,水分蒸发速率越大[16,17]。刘赞群等[12,18]表明在半浸泡的情况下,混凝土的溶液传输不符合灯芯效应,混凝土蒸发区的蒸发速率随着时间的增长、浓度的增加而减小,孔隙也随之减小,是化学侵蚀生成钙矾石占据了主要的作用,化学侵蚀是半埋件混凝土主要的破坏方式。

我国西部地区硫酸盐渍土分布广泛[19];河西走廊一带含有大量含氯化钠的硫酸盐渍土,单一离子不能很好地作为西部地区混凝土腐蚀性离子研究。然而,目前对混凝土硫酸钠-氯化钠和冻融耦合作用下的研究比较缺乏,并且西部地区冬季气温常达零下二十几度,硫酸钠和氯化钠的混合侵蚀已经严重影响了寒区混凝土的力学性能,因此通过开展硫酸钠和氯化钠混合盐蚀-冻融条件下混凝土的力学机制研究,为西部寒旱地区基础工程建设提供理论依据。

1 结晶理论

在溶液体系中,溶液中的分子在做不规则的运动,当温度降低时,分子间的引力增大,当引力增大到分子不能分离的程度后,结合成线晶,线晶结合成面晶,面晶再结合成有一定规律的晶体[20];溶液在饱和浓度下达到动态平衡,当溶解度降低时,溶液将达到过饱和状态,此时溶液将处于亚稳定状态,在该状态下,溶质结晶生长[21]。而NaCl溶液在-20 ℃以上,且质量分数不高于20%的情况下处于Ⅱ区(固液平衡区),不会结晶析出[22]。图1(a)为硫酸钠结晶相图,图1(b)为Na2SO4在不同浓度的NaCl和不同温度下的饱和浓度曲线[23]。由图1可知,当温度低于32.4 ℃时,且溶液浓度大于饱和溶液浓度时,硫酸钠会以芒硝(Na2SO4·10H2O)的形式析出[24];NaCl的增加和温度的降低使Na2SO4的饱和浓度降低,产生过饱和溶液,硫酸钠会结晶析出。

对于多孔介质中的孔隙溶液,在温度、水分或压力等达到一定的条件时,溶液中的溶质会析出或孔隙水冻结而形成结晶体,并随着结晶体的不断生长,受到孔壁的约束而对多孔介质骨架产生结晶作用力[25]。

当温度降低时,硫酸钠溶液的饱和浓度降低,期间处于过饱和状态,Na2SO4在混合溶液中结晶,结晶压力可由式(1)计算[26]。由式(1)可知,结晶压力与溶液的过饱和比相关,过饱和比越大,结晶压力越大,过饱和溶液产生的结晶压力是导致混凝土破坏的力学机理[27]。在氯化钠和不同温度下硫酸钠溶液的过饱和比如表1所示[21,23]。

表1 过饱和比表(数据来源文献[23])

(1)

式中:p为结晶压力;R为理想气体常数;T为绝对温度;V为晶体摩尔体积;c和c0分别为当前溶液的摩尔质量浓度以及饱和摩尔质量浓度。

2 试样制作与试验方法

2.1 试样制作

试验中粗骨料为5～31.5 mm的级配碎石,砂子最大粒径为不大于5 mm的河砂,细度模数为2.3,试验用水是普通自来水,水泥为成都新都产的PC32.5R硅酸盐水泥,水胶比为0.45,砂率为35%,配合比如表2所示。人工拌合,试模采用10 cm×10 cm的胶模,装模后人工插捣、振实台振实,24 h拆模,放入标准养护箱养护28 d,养护温度为(20±2)℃,湿度≥95%;之后自然养护30 d,养护温度为室温,湿度为50%～70%。28 d抗压强度为38.4 MPa,58 d抗压强度为44 MPa。混凝土的配比过程见附录。

表2 混凝土配合比表

2.2 试验仪器

冻融循环试验采用HD-100型可程式恒温恒湿试验机,内部尺寸40 cm×50 cm×50 cm;温度范围:-40～150 ℃;湿度控制:20%RH～98%RH;仪器精度:±0.5 ℃;±2.5%RH。抗压强度试验采用微机控制电液伺服万能试验机,主机外形尺寸:1 020×670×2 600 mm;最大试验力:1 000 kN;试验机级别:0.5级;试验力测量范围:1%-100% FS;试验力测量精度:±0.5%;位移测量分辨力:0.013 mm;位移测量精度:±0.5%;变形测量精度:±0.5%;另外还有精度为0.1 g的天平等。X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)采用DX-2700型X射线衍射仪,X射线管:金属体陶瓷绝缘;Cu靶;焦点:1.0×10 mm2;连续扫描步速度:0.0012～70°/min;准确度:≤0.001°。

2.3 试验方法

表3 离子含量分布

为了模拟西北复杂多变的气温变化,结合西部地区极端温度[28,29],选取40 ℃作为最高温度,模拟夏季最高温度,选取-20 ℃模拟冬季最低温度,为了让水分充分冻结与融化,在最高温度与最低温度处恒温2 h,具体室内降温方式如图2所示。降温速率为0.5 ℃/min,冻融循环次数为0、10、20、30、40、50次,共6组,每组3个试样,共18个试样。将冻融完成后的试件从溶液中移除后,用小刀或软毛刷将试件表面的白色晶体取下,对取下的白色晶体和掉落的混凝土砂浆碾碎烘干,做XRD(X射线衍射)试验。以及对试样烘干称重,然后再进行抗压强度试验。混凝土的质量损失率可按式(2)进行计算。

(2)

式中:ω为质量损失率;m0为混凝土的初始质量;m为冻融完成后混凝土的质量。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土冻融劣化表象分析

冻融循环前后混凝土表观结构如图3所示。随着冻融循环的进行,混凝土表观结构劣化越严重;当冻融循环达到20次时,混凝土水下部分出现部分剥落,粗骨料露出,细裂纹开始生长,水面以上部分出现大量的盐晶体,晶体下面的砂浆表面变得粗糙;随着冻融次数的增加,剥落现象愈发严重,50次循环时,混凝土裂纹扩张,表面砂浆大块脱落,结构变得疏松,水下部分出现结晶盐,混凝土骨料外露。

其原由是混凝土通过毛细吸水作用吸水,当水面以上混凝土的蒸发速率大于混凝土的吸水速率时,混凝土上部的蒸发区将产生过饱和溶液[13]。过饱和溶液在冻融的环境下结晶产生十水硫酸钠晶体,干湿循环条件下时,结合硫酸钠饱和曲线,当温度低于32.4 ℃时,硫酸钠结晶成芒硝,其界面处晶体形态如图4(a)所示;当温度高于32.4 ℃时,芒硝将脱水生成无水芒硝,反应式如式(3)所示,其界面处晶体形态如图4(b)所示。从芒硝变成无水芒硝的过程中将产生较大的结晶压力,是导致混凝土脱落、破坏的主要原因,如图5所示。当结晶压力大于混凝土的极限抗拉强度时,混凝剥落、破坏[30],质量损失增大。以及NaCl对混凝土的不利作用,氯化钠溶液中试件表面层饱和程度比水中时高,氯化钠溶液冻结后的冰块塑性较低,处于低温条件时,表层混凝土中的水凝结成冰,毛细作用又将试块内部混凝土孔隙中没凝结的水汇集过来,从而导致面层混凝土材料的严重剥蚀[11,31]。在冻融循环过程中,导致溶液浓度增大,引发过饱和比增大,当过饱和比达到3时,由式(1)计算,结晶压力可达到48.6 MPa,大于混凝土的强度,引发混凝土破坏。硫酸钠的结晶压力和NaCl的作用共同导致了混凝土的剥落。

Na2SO4+10H2O↔Na2SO4·10H2O

(3)

芒硝和无水芒硝晶体之间转化产生的结晶压力差使混凝土内部裂纹生长,混凝土损伤加重,最终导致混凝土破坏。根据式(1)和文献[23]中的数据,不同晶体结晶压力和过饱和比的关系可由图5表示。

3.2 力学特性

从试验得知,混凝土的应力应变趋势变化类似,随着冻融循环次数的增加,混凝土的峰值应力逐渐减小,如图6所示。图7为冻融循环次数与混凝土抗压强度和弹性模量的关系。冻融前混凝土单轴抗压强度为43.2 MPa,比未在溶液中浸泡的混凝土下降了0.8 MPa;当达到50次冻融循环时,试样的峰值应力为28.4 MPa,比未冻融的混凝土降低了34.3%;其峰值应变随着冻融循环次数的增加呈现先减小后增加的趋势,冻融前期的峰值应变略为减小。弹性模量随着冻融次数的增加先增加后减小,初始状态时,弹性模量为2.4×104MPa,当达到20次循环时,弹性模量增加了9%,50次循环后,弹性模量下降了60%。

因为混凝土中的孔隙被钙矾石和结晶盐填充,孔隙率减小,密实度增加,刚度变化不明显,抗压强度略为减小,峰值应变出现减小趋势,弹性模量增加;当达到50次冻融循环时,应变增加了50%,由于冻融后期,结晶压力增加,混凝土内部的结构变得疏松,孔隙率增加,使混凝土的刚度降低,结晶物和侵蚀产物产生的正影响远远小于产生的负影响,使弹性模量明显降低。其中芒硝晶体的生长以及钙矾石和石膏的出现使混凝土内部的孔隙结构破坏,导致混凝土的力学特性降低。化学反应和物理反应一起加剧了混凝土力学性能的劣化,导致混凝土破坏[11]。

3.3 混凝土损伤分析

混凝土属于多孔介质材料,其内部存在细微的裂纹和孔隙,在盐蚀和冻融环境下,原始的裂纹和孔隙在结晶压力的作用下进一步发展,最终导致混凝土破坏。

混凝土质量损失是混凝土力学性能劣化的一个宏观的重要表现方式,冻融前期由于生成产物的填充作用使混凝土内部损伤不大,力学性能劣化不太明显;冻融后期,质量损失使混凝土的结构变得疏松,在内部结晶压力的作用下更容易脱落,内部裂纹更容易扩张,力学性能降低,混凝土损伤加剧。

根据损伤力学理论,将弹性模量作为混凝土损伤劣化的指标,定义损伤变量

(4)

式中:Dn为损伤变量;En为冻融后的弹性模量;E为初始弹性模量。

利用式(4)可计算出损伤变量的值,损伤变量与冻融循环次数的关系如图10所示,表达式为

Dn=0.000249n2+0.00143n+0.01129

(5)

式中:n为冻融次数。

从图10可以看出,损伤变量随冻融循环次数的增加而增加,在冻融30次之前,损伤变量增长缓慢,30次循环之后损伤增长较快,意味着混凝土损伤加剧;达到50次循环时,混凝土损伤变量达到0.67。这说明了混凝土在冻融和盐蚀双重作用下的破坏,开始损伤扩展缓慢,随着循环次数的加剧,内部微裂纹逐渐扩展,损伤逐渐加剧,最终破损是内部裂纹扩展和外部结构疏松的共同作用。

在混合侵蚀和冻融循环条件下,混凝土的力学性能大幅度弱化,随着过饱和比的增加,硫酸盐析出以及结晶压力增加,同时由于化学反应的作用,混凝土内部有钙矾石的生长。然而由于 XRD试验只能确定盐晶体类型,不能直接反映晶体含量变化,故在后续研究中,将针对盐晶体含量变化这方面问题开展进一步的研究。

4 结论

为了探究混合侵蚀与冻融循环条件下混凝土的劣化机制,通过对混凝土进行半浸泡补水,然后对混凝土进行冻融循环试验,抗压强度试验以及XRD试验,得出的结论如下:

(1)在半浸泡混合盐溶液侵蚀和冻融循环环境下,随冻融次数的增加,混凝土的表观形态破坏越严重,混凝土表面出现大块剥落,结构呈现疏松状态,在未浸泡端部出现了硫酸钠晶体,在底部出现了十水硫酸钠晶体。

(2)半浸泡混凝土力学性能受冻融循环影响明显,50次循环以后,其弹性模量下降了60%,损伤变量达到了0.67,立方体抗压强度降低了35.7%;混凝土的质量损失率也达到1.73%。

(3)混凝土在硫酸钠和氯化钠混合溶液和冻融循环条件下发生了化学反应(有新物质钙矾石以及石膏的生成),以及物理反应(硫酸钠的大量结晶生成芒硝)。

(4)十水硫酸钠与硫酸钠晶体之间形态的转变产生的结晶压力是导致混凝土破坏的主要原因,当结晶压力大于混凝土的抗拉强度时,造成混凝土的破坏。