干湿循环和冻融循环作用下硫酸钠腐蚀对混凝土应力应变曲线的影响

孔 骏， 韩 敏， 丁永发， 蒙建雷， 郭成功， 周晓平， 杨淑雁

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021)

我国西北地区冬季寒冷且持续时间长，夏季昼夜温、湿差大，土壤和水中富含腐蚀性硫酸根离子和氯离子.大的温度和湿度差加快了临水区服役期钢筋混凝土结构的毛细上升作用，水中所含的腐蚀性硫酸根离子和氯离子被毛细水携带至水面或者土壤表面，加之冻融循环的作用，多因素的共同作用已成为西北地区混凝土结构发生病害的主要原因.现有的文献研究结果表明，硫酸盐对混凝土的侵蚀主要分为两类：一类是硫酸根离子与水泥水化产物发生化学反应，生成钙矾石和石膏等具有膨胀特性的产物，对混凝土产生膨胀力而导致的混凝土开裂破坏；另一类是硫酸钠物理结晶体在混凝土孔隙中沉淀、积累和膨胀，最终导致混凝土孔隙的开裂直至破坏.西北地区复杂服役环境下钢筋混凝土结构破坏的调查表明[1—2]，钢筋混凝土结构在水面或土壤以上部分的破坏远远大于水面或土壤以下部分的破坏.以水面为界，上部主要发生硫酸盐物理结晶破坏，下部主要发生化学侵蚀破坏.因此，西北地区钢筋混凝土结构的研究重点应该集中于干湿循环、硫酸盐和冻融循环复合环境作用下的硫酸盐物理结晶破坏.

目前，关于硫酸钠物理结晶侵蚀下硫酸盐、干湿循环和冻融循环的研究还很少，探索硫酸钠物理结晶和冻融循环复合作用下混凝土的应力-应变规律仍具有一定的研究意义.本文采用了一种新的干湿循环制度来完成硫酸钠物理结晶侵蚀试验，在此基础上完成了冻融循环试验，来研究干湿循环和冻融循环复合作用下硫酸钠物理结晶腐蚀对混凝土应力-应变关系的影响，分析了不同冻融循环下混凝土外观特征、质量损失率和动弹性模量的变化.基于试验结果建立了峰值应力、峰值应变、弹性模量与冻融循环次数的关系计算式，为研究混凝土结构承载力和变形破坏提供重要依据.

1 试验

1.1 原材料及试件设计

原材料主要如下：水泥，采用宁夏建材集团生产的赛马牌P·O42.5普通硅酸盐水泥；细集料为中砂，采用水洗砂，细度模数为2.78；粗集料，采用5～25 mm连续粒级的碎石；水，使用洁净自来水.每立方米混凝土水泥、水、沙、碎石的用量(质量)分别为420，185，572，1 273 kg.试样采用100 mm×100 mm×300 mm混凝土棱柱体，先完成15次的硫酸钠干湿循环试验，然后再进行冻融循环试验.设计未干湿循环未冻融循环及干湿循环各15次后冻融循环0，25，50，75次的5组试件，每组制作3个试件，共计15个试件.试验设计方案见表1.

表1 混凝土设计参数

1.2 腐蚀方法

1.2.1硫酸钠干湿循环试验 为了完成硫酸钠物理结晶侵蚀，采用了一种新的干湿循环制度，即试样先在10%硫酸钠溶液中浸泡6 h，然后在60～65 ℃烘箱中烘干16 h，最后在室温下冷却2 h.一次干湿循环时间为24 h.

1.2.2冻融循环试验 冻融循环试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[11]进行.试样在完成硫酸钠干湿循环试验后，在水中浸泡4 d充分饱水，然后放入冻融循环试验机中分别进行0,25,50,75次的冻融循环.

1.3 测试方法

1.3.1动弹性模量和质量损失测试 每隔25次冻融循环用DT-20W混凝土动弹仪测定试件的横向基频，由此计算相对动弹性模量；擦干表面水分后，用电子秤测试试样的质量，由此计算试件的质量损失率.

1.3.2单轴受压试验 试验在宁夏大学土木工程结构试验室的微机控制电液伺服万能试验机上进行，试验时通过力传感器采集试件承受的压力，混凝土两侧的变形位移由HBC4020混凝土微变形测量仪测得，该仪器由两只高精度引伸计组成，测量标距为150 mm.全程采用位移控制，加载速度为0.01 mm/min，观察受压过程试件破坏情况，直至应力趋于稳定或试块完全破坏.

1.3.3扫描电镜(SEM)试验 对应每一种设计参数，另制作1个100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，与棱柱体试样同条件腐蚀.在设计龄期，将试样敲碎，取其中部直径小于5 mm的混凝土块，完成扫描电镜测试,观察其内部显微结构随冻融循环次数的变化规律.

2 结果与分析

2.1 试件腐蚀形貌

图1为不同冻融循环次数下混凝土试件的外观形貌.图1b为先完成15次硫酸钠干湿循环试验，冻融循环0次的外观形貌.从图1b可以看出，与未干湿循环的试样(图1a)相比，试件表面只有少量的微小孔洞和小部分的砂浆脱落，但未发现粗骨料外露，试件总体比较光滑.从图1c～图1e可以看到，随着冻融循环次数从0增加到25，50，75次，混凝土试块表面逐渐变得粗糙不平，掉渣掉皮，表面的气孔逐渐增大，粗细骨料逐渐显露，棱角缺失严重.

2.2 质量损失率

冻融后试件减少的质量与原试件质量的比值称为质量损失率，其计算公式为

(1)

式中：ΔMn为n次冻融循环后混凝土试块的质量损失率(%)；M0为冻融循环试验前混凝土试块的质量(g)；Mn为n次冻融循环后混凝土试块的质量(g).

图1 不同冻融循环次数下试件外观形貌

图2为随着冻融循环次数的增大，试样质量损失率的变化规律.由图2可知，随着冻融循环次数的增加，试样的质量损失率逐渐增大，从未冻融到冻融循环25次的质量损失率最大，达到2.5%.可能的原因为随冻融循环次数的增多，试件表面、棱角处的水泥砂浆剥落，同时粗、细骨料暴露出来，甚至脱落，导致了试件质量的减少.

图2 质量损失率与冻融循环次数的关系

2.3 相对动弹性模量

相对动弹性模量可按下式计算：

(2)

图3为随着冻融循环次数的增大，混凝土试件的相对动弹性模量的变化规律.由图3可见，试件在经过15次的硫酸盐干湿循环后，随着冻融循环次数的增加，混凝土试块的相对动弹性模量逐渐下降，这表明混凝土内部损伤逐渐增大.

2.4 应力-应变关系曲线

将试件的实测荷载换算成应力σ，并乘以0.95换算成标准棱柱体应力.把纵向位移除以引伸计的标距150 mm，换算成应变ε，得到不同冻融循环次数后试件单轴受压应力-应变曲线，见图4.从图4可以看出，10%硫酸钠溶液干湿循环15次后，冻融循环25次的试样峰值应力降低了45.5%，由此可见，冻融循环作用对混凝土结构的不利影响非常大.从图4还可以看出，随着冻融循环次数的增加，应力-应变曲线的上升段斜率逐渐减小，混凝土峰值应变逐渐增大，弹性模量呈线性下降趋势.

图3 相对动弹性模量与冻融循环次数的关系

图4 不同冻融循环后混凝土单轴受压应力-应变曲线

2.5 扫描电镜(SEM)结果

硫酸盐干湿循环15次后，不同冻融循环次数的混凝土SEM图见图5.由图5a可以看出，未冻融试件较为密实，微观缺陷和损伤较小，可观察到大量絮团状C-S-H凝胶体和Ca(OH)2片状晶体.由图5b和5c可知，冻融循环造成了较大的空洞和内部碎块聚集，混凝土结构越松散；经历50次冻融循环后(图5d)，混凝土内部孔洞变大，并出现了较大的内裂缝；经历75次冻融循环后(图5e)，由于混凝土中的孔隙水反复冻结和融化，使得混凝土内部裂缝不断延伸、扩展、内部碎块聚集，进而造成裂缝相互贯通.可见，随着冻融循环次数的增加，试件内部逐渐变得疏松多孔，界面黏结力减弱，宏观表现为抗压强度下降.

图5 不同冻融循环次数试样的SEM图

3 讨论

通过对试样外观形貌的观察及质量损失率和SEM微观结构的分析得到，试样在干湿循环后产生硫酸钠物理结晶体沉淀并在孔壁中积累，使得孔隙体积减小.冻融循环后，水渗透进入孔隙中并结冰，使孔壁迅速膨胀开裂，导致混凝土的强度损失.持续的孔壁开裂导致混凝土表层脱落，造成较大的混凝土质量损失，随着冻融循环次数的不断增大，混凝土内部开裂不断积累，孔隙不断增大，最终造成极限应力的大幅度下降.通过对冻融循环后混凝土应力-应变曲线下降段的分析发现，冻融后的试样均平缓，变形能力也变大，说明冻融循环对混凝土的应变强度是有利的.

抽取各试验应力-应变曲线中的峰值应力σc，绘制σc随冻融循环次数n的变化规律(图6).由图6可知，随着冻融循环次数的增加，σc不断减小.通过拟合发现，两者有较好的线性递减关系，得到的线性拟合公式为：

σc=-0.211 12n+22.852，R2=0.876 98.

(3)

抽取各试样峰值应力所对应的应变εc，绘制其与冻融循环次数N的变化规律(图7).由图7可知，随着冻融循环次数的增大，峰值应力点所对应的应变不断增大.通过拟合发现，两者有较好的线性递增关系，得到的线性拟合公式为

εc=0.011 76n+3.689，R2=0.996 27.

(4)

图6 峰值应力与冻融循环次数的关系

图7 峰值应变与冻融循环次数的关系

冻融循环次数与弹性模量的变化规律见图8.由图8可知，随着冻融循环次数的增大，弹性模量逐渐降低.通过拟合得到二者的线性拟合公式为

Ec=-0.070 4n+6.59，R2=0.858 06.

(5)

4 结论

1)混凝土试件在经过硫酸盐干湿循环后，随着冻融循环次数的增加，混凝土表面剥蚀严重，混凝土质量损失逐渐增加，相对动弹性模量逐渐降低.

2)硫酸盐物理结晶和冻融循环对混凝土试件的弹性模量、峰值应力及对应的应变均有较大的影响.试件在经过硫酸盐干湿循环后，峰值应力、弹性模量随着冻融循环次数的增加逐渐降低，峰值应变随冻融循环次数的增加逐渐增大.

3)通过回归分析发现，相对峰值应力和相对弹性模量随冻融循环次数线性递减，而相对峰值应力所对应的应变随冻融循环次数线性递增.文中分别给出了相应的线性拟合关系.

图8 弹性模量与冻融循环次数的关系