硫酸盐侵蚀作用下水泥砂浆水力劈裂特性

李 凌，徐力群，吴 琼，杜 坤，林 文

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

本文选取不同pH值的硫酸盐溶液浸泡侵蚀试样，开展不同侵蚀时间下水泥砂浆力学性能和抗水力劈裂能力的试验研究，探讨硫酸盐溶液侵蚀作用下水泥砂浆试样的水力劈裂破坏机理。

1 试验材料与方法

1.1 试样制备

采用水泥砂浆开展试验，水泥选用南京龙潭镇P·O 42.5普通硅酸盐水泥，砂选用天然河砂(中砂)，对其进行干燥、筛分处理，以保证砂浆试件所用骨料的均匀性，试验水为桶装蒸馏水。采用灰、砂、水比例为1∶3∶0.5的配合比(质量比)制备两种不同尺寸的试样。力学性能试验采用边长为70.7 mm的实心立方体试件，水力劈裂试验采用中央含有穿透性预制裂缝的试样，其尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，初始预制裂缝长度为50 mm，缝宽为2 mm。

1.2 试验装置

机械加载系统包括电液伺服万能试验机和TestSoftV1.1采集分析软件。水压由该系统控制的电动施压泵提供，最大可施加水压力为3 MPa。耐高压弯管用于连接电动施压泵与水密封装置。水密封装置由上下工字钢密封层和硅胶垫组成(图1)。上下工字钢架通过螺杆、螺母上下连接而成，钢架中部螺纹孔上下分别与特制进水接口、密封帽连接。防水硅胶垫长120 mm、宽20 mm、厚2 mm，在其中心位置用高强度环氧树脂胶粘贴黑色硅胶块，嵌入在工字钢内侧凹槽，并在环氧树脂胶与黑色硅胶块两者中心预制小孔，具有良好的密封效果。试验时，将粘有应变片的试样置于水密封装置中，将预制裂缝对准工字钢架中央小孔。待加载水流进入预制裂缝并从底部螺纹孔流出后，用密封帽密封底部螺纹孔，确保试样内部高水压力。

图1 水密封装置

动态数据采集系统由应变适调器、东华动态采集分析仪和DHDAS采集分析软件组成。采集分析仪可记录并显示多种物理量，如压力、位移、应变等。采用台湾衡欣高精度水质pH计测量pH值，该pH计精度为0.01，量程为0.00～14.00。在测量浸泡溶液的pH值时，选取3个不同区域进行测量，取平均值作为最后结果。

1.3 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 化学侵蚀作用对水泥砂浆抗压强度的影响

在宏观上化学侵蚀作用的主要表现为砂浆试样力学参数的劣化，取不同溶液及不同侵蚀时间t的砂浆试样进行抗压强度试验，得到不同溶液下水泥砂浆抗压强度变化曲线如图2(a)所示。初始状态下试样的抗压强度为31 MPa。

由图2(a)可以得出，在蒸馏水环境中，水泥砂浆试样的抗压强度随侵蚀时间增加而增大，侵蚀180 d达到37.51MPa后趋于稳定，为初始状态下抗压强度的1.21倍。图2(b)为溶液pH值随侵蚀时间的变化，可以看出，即使在中性蒸馏水环境下，试样仍会发生溶出性侵蚀(Ca2+和OH-析出)，溶液变为碱性，同时生成水化产物C-S-H凝胶和C-H晶体，这对砂浆结构仍有一定的影响。

图2 水泥砂浆试样抗压强度和溶液pH值变化曲线

在pH值为3的Na2SO4溶液环境中，砂浆试样在侵蚀时间5 d时抗压强度相较初始状态减小1.91%。由于侵蚀初期阶段溶液为酸性环境，其中的H+极易与砂浆的水化产物反应，使得砂浆棱角剥落，导致砂浆试样因缺陷产生应力集中，整体抗压强度降低。随着侵蚀时间的增加，H+浓度降低，溶液逐渐由酸性变为碱性，进入了硫酸盐侵蚀阶段。

在pH值为1的Na2SO4溶液环境中，由于H+浓度很大，溶液的pH值随侵蚀时间的延长有所增加，但砂浆试样仍一直处于酸性侵蚀阶段。砂浆强度的劣化程度较其他3种溶液环境下明显大得多，在侵蚀时间240 d时，砂浆抗压强度仅为16.60 MPa，较初始状态下抗压强度降低了46.45%。

2.2 化学侵蚀作用对水泥砂浆临界水压力特性的影响

进行砂浆试样水力劈裂特性试验时，当试样所受水压达到临界水压力Pc时，电动施压泵的电调压力会陡降至0附近，同时试样预制裂缝会扩展贯通整个试件，从而发生劈裂破坏。

以pH值为7的Na2SO4溶液浸泡5 d的第一个试样A-1-1为例(图3)，可以看出，砂浆试样的水压力由148 s的1.927 MPa升至149 s的1.948 MPa，随后在150 s迅速跌落至0.887 MPa，并继续下降至0附近。由此可以认为试样A-1-1在149 s发生水力劈裂破坏，水力劈裂临界水压力为1.948 MPa。

图3 试样A-1-1水压加载过程变化曲线

每组工况选取3个试样的平均值作为最终的水力劈裂临界水压力，不同溶液中砂浆试样水力劈裂临界水压力变化如图4所示。初始状态(未侵蚀)试样的水力劈裂临界水压为1.69 MPa。

图4 砂浆试样水力劈裂临界水压力变化曲线

从图4可以得出，不同溶液侵蚀环境中砂浆试样水力劈裂临界水压力Pc较初始状态下均发生变化。在蒸馏水环境中，砂浆试样的Pc随侵蚀时间的增加而增大，在180 d后变化幅度较小，Pc值在2.13～2.23 MPa之间，趋于稳定。在pH值为7的中性环境和pH值为3的弱酸性环境中，砂浆试样的Pc都随侵蚀时间的延长先增大后减小，并在180 d时达到峰值，相较初始状态下分别增加65.68%和60.36%；180 d后砂浆试样的水力劈裂临界水压力急剧减小，240 d时较初始状态下分别减小27.22%和33.73%。值得指出的是，在pH值为3的弱酸性环境中，砂浆试样的Pc变化规律与抗压强度变化规律存在一定差异，在侵蚀时间0～10 d期间，砂浆试样的Pc并没有出现先减小后增大的现象，这是因为试样的中心预制裂缝与溶液的接触面积较小，H+对砂浆结构的劣化作用不明显。在pH值为1的强酸性环境中，砂浆试样的Pc随侵蚀时间的延长不断减小，劣化程度最大，240 d时水力劈裂临界水压力仅为0.27 MPa，较初始状态下减小84.02%。

为定量研究中央有预制裂缝的砂浆试样水力劈裂临界水压力变化特性，定义损伤变量K以反映砂浆试样在不同溶液侵蚀下抗劈裂能力的劣化程度：

(1)

式中：Pc0为初始状态下中央含有穿透性预制裂缝的砂浆试样水力劈裂临界水压力，MPa；Pct为t时刻中央含有穿透性预制裂缝的砂浆试样水力劈裂临界水压力，MPa。

根据式(1)分别计算不同溶液中不同侵蚀时间下的损伤变量K变化过程，结果如图5所示。从图5可以看出，在蒸馏水环境中，砂浆试样的损伤变量K和侵蚀时间t在0～180 d时存在较为明显的线性关系，可表达为K=1.62×10-3t+1.019。拟合曲线的决定系数R2=0.981 9，这也证实了一次线性函数可以较好地反映在蒸馏水环境下水泥砂浆试样的抗高水压力劈裂能力和侵蚀时间的关系。

图5 砂浆试样的损伤变量和侵蚀时间关系曲线

在Na2SO4溶液环境中，采用不同函数拟合砂浆试样的损伤变量K和侵蚀时间t之间的关系，各函数拟合的决定系数R2如表1所示。

表1 Na2SO4溶液环境下不同函数拟合结果的决定系数

从表1可以看出，二次函数在pH值为1的Na2SO4溶液环境下能基本反映损伤变量K和侵蚀时间t之间的关系，但在其他溶液环境下的拟合结果不尽人意。三次函数拟合结果的决定系数R2都在0.93以上，且较二次函数拟合结果的R2均有较大增长。当进一步提高拟合函数最高次项时，决定系数R2增长都不大。这表明三次函数已经能够较好地反映在酸性和中性Na2SO4溶液环境下水泥砂浆试样的抗高水压力劈裂能力和侵蚀时间的关系，其拟合的函数关系可以用下式表达：

(2)

式中：a、b、c、d为相关参数，具体见表2。

表2 Na2SO4溶液环境下参数a、b、c、d和决定系数取值

基于损伤变量K可以定义损伤变化率L来反映砂浆试样在不同水化学溶液侵蚀下抗劈裂能力的劣化速率：

(3)

根据试验结果，分析砂浆水力劈裂损伤变量K和损伤变化率L可知，在pH值为7、3的溶液中试样在侵蚀150 d左右达到水力劈裂临界水压力最大值即变化率零点，而在pH值为1的Na2SO4溶液中侵蚀的试样不存在变化率零点，水力劈裂临界水压力一直减小。

3 化学侵蚀作用下砂浆水力劈裂机理分析

不同溶液侵蚀下砂浆试样的抗水力劈裂能力呈现出不同的变化趋势，下面从微观角度简要分析其劣化机理。

在蒸馏水溶液浸泡下试样发生溶出性侵蚀，Ca2+和OH-析出，生成水化产物C-S-H凝胶和C-H晶体，使得砂浆试样中的预制裂缝缝尖更加致密，砂浆试样的抗压强度增大。如图6所示，当进行水力劈裂试验时，试样在预制裂缝的高渗透水压作用下，缝尖会萌生许多微裂缝，这些微裂缝会随着水压力的增大而发育、贯通形成大裂缝。当缝尖损伤劣化区进一步发展，尖端的应力强度超过砂浆的断裂韧度时，试样便会整体失稳破坏。

图6 砂浆试样裂缝扩展示意图

(4)

3(CaSO4·2H2O)+3CaO·Al2O3·12H2O+

(5)

(6)

(7)

在侵蚀后期，由于石膏、钙矾石等侵蚀产物的大量堆积，这些膨胀性产物会使裂缝尖端劣化，较原始状态产生更多的微裂缝。在高渗透水压作用下，缝尖损伤劣化区会更快发展，使得砂浆试样水力劈裂临界水压力减小。

nSiO2+mH2O

(8)

(9)

(10)

式中：m、n为系数。

4 结 论

a.不同pH值的硫酸盐溶液对砂浆试样的物理力学特性侵蚀劣化作用不相同。在pH值为7的中性环境中，砂浆试样的抗压强度随侵蚀时间先增大后减小，并在侵蚀180 d时达到峰值；在pH值为3的弱酸性环境中，砂浆试样的抗压强度在侵蚀5 d时相较初始状态减小1.91%，之后随侵蚀时间先增大后减小；在pH值为1的强酸性环境中，砂浆抗压强度的劣化程度较其他两种溶液环境下明显大得多，在240 d时抗压强度较初始状态减小46.45%。

b.不同砂浆试样的水力劈裂临界水压力在不同pH值的硫酸盐溶液侵蚀下呈现明显的时间依赖性和阶段性。在pH值为7的中性和pH值为3的弱酸性环境中，砂浆试样的水力劈裂临界水压力在前150 d时为增长阶段，之后为劣化降低阶段；在pH值为1的强酸性环境中，砂浆试样宏观性能逐渐劣化，相比其他水化学溶液环境下劣化程度更大。

c.在Na2SO4溶液环境中水泥砂浆试样的损伤变量和侵蚀时间之间有较好的三次函数关系，为研究化学溶液环境下水泥砂浆的抗劈裂性能提供了思路。

d.通过分析砂浆试样在不同水化学溶液侵蚀下的水力劈裂机理可知，在pH值为7和3的Na2SO4溶液中，初期水化产物和侵蚀产物填充砂浆试样内部孔隙，提高抗水力劈裂能力；后期大量堆积膨胀的侵蚀产物使砂浆试样裂缝尖端劣化，加速水力劈裂破坏。在pH值为1的Na2SO4溶液中，酸性腐蚀一直处于主导地位，水化产物对砂浆微观结构骨架形成破坏，侵蚀产物进一步对已经破坏的微观结构扰动劣化，使得试样砂化严重，抗水力劈裂能力加速劣化。