变幅循环加卸载下硫酸盐侵蚀混凝土力学与变形性能

薛维培，徐 威，刘晓媛，3，张瀚文

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 3.国网山东省电力公司 聊城市茌平区供电公司，山东 聊城 252100)

1 研究背景

近年来，盐渍土地区公路桥梁以及海水中跨海隧道等混凝土结构在服役过程中受到盐害离子侵蚀影响日益突出[1]。混凝土作为主要建筑材料，由于浇筑振捣等原因存在初始微裂纹以及微孔隙，盐害离子则通过上述初始缺陷进入混凝土内部，与水泥胶体反应后生成物膨胀极易造成混凝土开裂等现象发生，从而使得结构承载能力降低；加上服役期间来往车辆以及海浪反复拍打等外部变幅循环荷载作用使得混凝土内部缺陷得到进一步发展，加速混凝土力学性能劣化，导致结构服役寿命缩短[2]。因此研究在盐害离子侵蚀环境下的长期服役混凝土变幅循环加卸载性能更符合实际工况，有助于提高对上述工况下混凝土工程结构的认识以及稳定性分析的准确性。

国内外学者对于混凝土在盐害离子侵蚀环境下的研究大多数集中于宏观强度指标、侵蚀演变过程以及微观机理等方面，而针对变幅循环加卸载下力学性能，特别是变形性能研究偏少。Nie等[3]研究了硫酸盐浓度和侵蚀时间对混凝土压缩强度的影响，给出了基于波速变化率的强度损伤程度分级方法；Sun等[4]研究了硫酸根离子在混凝土中的扩散规律，建立了一种新的硫酸根离子扩散模型。Liang等[5]明确了硫酸盐侵蚀环境下混凝土力学行为变化规律，得到了侵蚀之后混凝土力学参数和本构关系。李涛等[6]探讨了混凝土内部各组分浓度的变化与硫酸根离子浓度之间的关系，明确了硫酸盐在混凝土内的扩散机理。段德峰等[7]研究发现硫酸盐侵蚀后混凝土孔隙率先减小后增大，裂缝分形维数逐步增大。张萌[8]通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)试验从微观结构上揭示了硫酸盐侵蚀后混凝土力学性能劣化机理。循环加卸载试验中，石星等[9]研究了初始荷载、循环频率、循环增幅对混凝土力学行为的影响，在循环频率与增幅不变的情况下，随着初始荷载增加，混凝土强度趋于减小；王孝政等[10]通过单轴循环荷载试验发现混凝土抗压强度与回弹值的比值随着应变速率增加而增大；胡海蛟等[11]开展了不同应变速率下混凝土动态循环加卸载试验，研究表明峰值应力和弹性模量随着加载速率提高而增大；Zheng等[12]研究了循环荷载作用下混凝土不同部位力学行为，发现试件应变演化和能量耗散存在不均匀现象。但是，当前循环加卸载试验均没有考虑盐害离子侵蚀对混凝土造成的前期化学损伤影响，并且大多数开展的是等幅循环加卸载，实际工程中则以变幅为主。综上所述，由于混凝土结构在服役过程是在力学因素和环境因素双重耦合作用下进行的，因此开展变幅循环加卸载作用下盐害离子侵蚀混凝土力学及变形性能研究非常有必要，这对弄清该过程中混凝土物理力学性能以及能量演化问题十分关键。

本文通过试验模拟混凝土在硫酸盐溶液侵蚀以及变幅循环加卸载作用下的工作环境，研究了不同浓度不同侵蚀时间下混凝土受变幅循环加卸载作用时物理力学性能变化规律，并对加卸载过程中混凝土形变、动弹性模量以及耗散能变化规律进行研究，以期在工程应用分析中提供基础依据。

2 试验材料与方案

2.1 试验材料

采用海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥、粒径5～15 mm的玄武岩碎石、细度模数2.37的天然河砂以及NF-F复合外加剂[13]。按照水∶水泥∶粗骨料∶细骨料：NF-F=1∶2.20∶7.49∶4.21∶0.45的配合比浇筑150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，24 h拆模后将其放入烘干箱内，设置温度60～120 ℃，3 d后取出试件并放入温度(20±2)℃、相对湿度95%的养护箱内持续养护至龄期28 d。最后采用取芯机、切割机、打磨机进行一系列精加工获得Φ50 mm×100 mm圆柱体试件，试件两端面不平行度≤0.02 mm，再采用声波测试仪挑选出波速相近的试件放入硫酸钠溶液中，溶液浓度分别为10%、15%、20%，浸泡时间依次是5个月、7个月。

2.2 试验方案

为了掌握硫酸钠溶液侵蚀后混凝土在变幅循环加卸载作用下的性能变化，采用TAW-2000伺服压力机开展试验，变幅循环加卸载方式如图1所示，当应力加载至10 MPa时，开始进行第一次卸载，卸载时应力均降至1 MPa，此后每次加载时应力均在上一级的基础上增加6 MPa[9]。通过轴向变形控制加载，速率为0.05 mm/min；卸载则通过应力控制，速率为0.2 MPa/s。为了对比分析，同时开展了单轴压缩试验，加载过程采用轴向变形控制，速率为0.05 mm/min。

3 试验结果与分析

3.1 物理力学性能分析

图2是硫酸钠溶液侵蚀5个月及7个月后混凝土应力-应变曲线及破坏形态。同浓度下随着硫酸钠浸泡时间的增加，试件加载直至破坏时所完成的变幅循环次数不断地减少，峰值强度不断降低；相同浸泡时间下随着溶液浓度提高，峰值强度同样表现出降低趋势，但溶液浓度提高对峰值强度影响比浸泡时间对峰值强度影响更大，破坏时试件更加松散，例如浓度20%硫酸钠溶液侵蚀7个月下的试件。

当应力加载至预定值后开始卸载，发现卸载后曲线轨迹并未沿着加载曲线轨迹原路返回，而是略低于加载曲线，说明加载过程产生了一定量的不可恢复塑性变形。继续下一级加载时，加载曲线和卸载曲线相交，形成“柳叶状”滞回环。随着循环次数的增加，滞回环不断向前移动，塑性变形增大、损伤逐级累加[10]。由于卸载过程中原先被压密的微裂纹大部分变形得到恢复，再次加载时微裂纹重新被压密并且新一轮加载应力提高将促使新裂纹产生，由此造成滞回环出现卸载上凹、加载上凸的现象[11]。

由图2试验曲线提取出变幅循环加卸载与单轴压缩两种不同加载方式下混凝土应力应变数据，整理后如表1所示，组别命名方式为Xm-Y%，Xm表示混凝土受硫酸钠侵蚀月数，Y%表示硫酸钠溶液浓度。

表1 两种加载方式下混凝土性能指标

由表1可知，变幅循环加卸载和单轴压缩两种加载方式下混凝土峰值强度随硫酸钠溶液浓度提高呈下降趋势，峰值应变随溶液浓度提高逐步增大。相同溶液浓度下变幅循环加卸载试件峰值强度均低于单轴压缩试件峰值强度，而变幅循环加卸载下试件峰值应变均高于单轴压缩下试件峰值应变。硫酸钠溶液侵蚀5个月时，随着溶液浓度增加，变幅循环加卸载下试件峰值应力相对单轴压缩峰值应力依次降低5.60%、7.68%、17.59%，说明随着硫酸钠溶液浓度提高，通过初始缺陷(微裂纹、微孔隙)进入混凝土内部的硫酸根离子数量增多，对水泥胶体造成的化学侵蚀影响剧烈，再加上变幅循环加卸载对混凝土造成疲劳损伤，易使得内部微裂纹和微孔隙不断扩展与贯通，从而导致了试件强度明显降低[14-15]。随着侵蚀时间增加，混凝土受硫酸钠溶液侵蚀劣化程度加重，故本试验中不同溶液浓度不同侵蚀时间下试件破坏时所完成的循环次数各异。

3.2 变形性能及耗散能分析

为了从变形和能量的角度对变幅循环加卸载作用下硫酸盐溶液侵蚀混凝土开展分析，如图3所示，定义加载应变εAi为从初始载荷原点到第i个最大载荷时所引起的应变；加载应变差ΔεAi为第i次和第(i+1)次循环时最大载荷之间的载荷应变差；累积残余应变εBi为从初始加载原点到第i次卸载至最小卸载时所引起的应变；累积残余应变差ΔεBi为第i次和第(i+1)次循环时最小卸载之间的卸载应变差；塑性变形率ζ为累积残余应变与峰值应变之比；动弹性模量Edi为滞回环中最大应力差值与最大应变差值之比；耗散能Wi为滞回环面积[16]。

3.2.1 加载应变与累积残余应变关系

由图4可知，变幅循环加卸载下硫酸钠侵蚀混凝土累积残余应变随着加载应变增大呈上升趋势，并且上升速率逐步加快。这是因为累积残余应变越大，试件发生的塑性变形越多，所处的损伤劣化程度越高，越接近试件破坏时的临界状态。因此，随着变幅循环加卸载的持续，每级加载水平不断提高，裂纹开始萌生、扩展、贯通，从而使得塑性变形占总变形的比例不断增加，累积残余应变增大[16]。通过对加载应变和累积残余应变的关系曲线进行拟合，发现一元二次方程可以用于预测两者的发展趋势，拟合度达0.997。此外，由于7m-20%组试件在硫酸钠溶液中浸泡时间最长且溶液浓度最高，受盐害离子侵蚀影响十分严重，具体表现在试件外表面有明显裂纹、局部有碎块掉落、存在明显孔洞分布，因此在变幅循环加载时应力曲线时升时降，不好控制卸载点，故只进行3次变幅循环加卸载。

3.2.2 加载应变差、累积残余应变差与循环次数的关系

由图5可知循环加卸载下加载应变差始终大于累积残余应变差，并且随着循环次数增加，两者差距逐步缩小。由于试件前期受硫酸盐侵蚀影响，与普通试件相比内部微裂纹、微孔洞分布更多，骨架结构较为松散。故在变幅加载前期应力水平较低时主要以微裂纹、微孔洞被压密实而发生的这部分塑性变形为主；当变幅加载应力水平增大直至试件发生屈服进入塑性阶段，此时则以骨架发生的塑性变形为主[16]，加载应变不断接近峰值应变，又由于弹性应变已全部发生，故可供试件发生的剩余塑性变形不断减少，因而出现随着循环次数增加加载应变差与累积残余应变差逐渐接近的现象[17]。

3.2.3 动弹性模量、塑性变形率与循环次数的关系

如图6所示，动弹性模量用以表征试件在变幅循环载荷下的力学特性与损伤演化关系[17]，塑性变形率则用于衡量试件在每一次循环加卸载下产生的塑性变形。试件在变幅循环加卸载下动弹性模量、塑性变形率具有大致相同的变化趋势，即随着循环次数增加整体呈上升趋势，原因在于混凝土是一种非均质材料，当较小荷载等级多次循环加卸载下，试件内部裂隙与微裂隙受力逐渐闭合，并在裂隙面之间产生“呲合”作用[18]。在随后的卸载过程中，由于裂隙面之间“呲合”作用的存在，部分裂隙在卸载完成后并不能完全张开，使内部结构变得更加致密，并未对混凝土骨架造成明显的破坏，反而塑性压密作用提高了试件的刚度，使得动弹性模量增大[19]。但是，当加载应力达到一定程度时，例如7m-20%组试件，第3次循环时加载应力已达到试件峰值强度的80%以上，且由于试件极为松散，塑性压密作用几乎丧失，对试件内部结构产生明显损伤，故加载后期动弹性模量降低。在整个变幅循环加卸载过程中，塑性变形处于不断积累状态，对试件内部结构产生损伤量随着循环次数增加而增大，当达到混凝土峰值强度时，裂纹迅速扩展贯通，导致试件彻底破坏。

3.2.4 耗散能与变幅循环次数的关系

硫酸钠侵蚀混凝土在变幅循环加卸载下经历了初始微裂纹闭合、线性变形、新裂纹产生、扩展、贯通直至试件破坏的过程。从能量角度来看，压力机加载时做功即为混凝土吸收的能量，可通过加载曲线与应变轴围成的面积计算求得；而卸载过程可恢复变形产生的能量为混凝土释放的弹性势能，弹性势能以弹性能的形式存储在混凝土内，可通过卸载曲线与应变轴围成的面积计算求得。除此之外的能量统称为耗散能Wi，通过每次循环加卸载中滞回环面积求得[20]，耗散能表示由混凝土内部裂纹发展以及其他塑性变形所消耗的能量，也包括新生裂纹对应的表面能。耗散能越高表明试件受到的损伤影响越严重。因此，为了掌握变幅循环加卸载作用下混凝土能量演化规律，计算出不同硫酸钠浓度下每次循环所产生的耗散能，如表2所示，并绘制出耗散能Wi与循环次数n关系曲线，如图7所示。

表2 变幅循环加卸载下混凝土耗散能

由表2可知，不同溶液浓度不同侵蚀时间下混凝土变幅循环加卸载耗散能变化规律基本一致，即随着循环次数增加，耗散能整体呈上升趋势。耗散能变化过程大致可以分为两个阶段：在第3次循环加卸载开始之前，耗散能表现出较为平缓的增加趋势，此时混凝土尚处于稳定发展阶段，受前期硫酸钠溶液侵蚀影响，混凝土内存在大量微孔隙以及微裂纹，循环加卸载开始后微孔隙和微裂纹被挤压、摩擦，由此产生塑性变形从而消耗能量[21]；在第3次至第7次循环加卸载完成过程中耗散能呈现出快速增长的趋势，此阶段试件已被压密且内部结构相对较为均匀，从而更多的耗散能用于已有塑性变形的二次发展，以及内部新生裂纹的发育、扩展、贯通等不可逆塑性变形的急剧增长，耗散能随之突增[21]。从数值上看，以5m-15%试件为例，第一次循环加卸载耗散能为370.66 J/m3，随着循环次数增加耗散能逐级增长，最终耗散能达到初始值的12.1倍。此外，通过非线性拟合发现，一元二次函数能够较好地反映耗散能与循环次数之间的变化关系，决定系数R2>0.98，能够用于预测耗散能随变幅循环次数的发展轨迹。

4 结 论

(1)硫酸盐侵蚀后的混凝土内部微裂纹微孔洞增多，骨架结构密实度降低，溶液浓度越高，侵蚀影响越严重，变幅循环荷载等级与循环次数增加将加快混凝土物理力学性能劣化进度。

(2)变幅循环加卸载下混凝土加载应变、加载应变差、累积残余应变、累积残余应变差、动弹性模量、塑性变形率具有大致相同的变化趋势，随着循环次数的增加逐渐增大，塑性损伤程度不断提高，且随循环荷载等级增大，塑性损伤更加明显。

(3)滞回环变化规律能够很好地反映出试件内部应力与裂纹的动态演化情况，其面积代表单轴循环加卸载条件下混凝土耗散能。耗散能随着循环次数增加起初保持相对稳定的增大状态，当试件接近破坏时耗散能快速上升。