干湿循环作用下沙漠砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究*

秦东阳 刘海峰 朱立晨 车佳玲 杨维武

(宁夏大学土木与水利工程学院, 银川 750021)

0 引 言

我国盐渍土分布较为广泛,西部地区是我国盐渍土分布面积最广、最集中的地域,面积约占全国盐渍土面积的69%[1],这些地区存在大量硫酸根离子[2]。硫酸根离子通过孔隙进入混凝土结构内部,使其结构耐久性受到严重威胁。混凝土结构遭受硫酸盐侵蚀的同时受到干湿循环作用加剧损伤,混凝土性能退化加快[3]。

我国西北地区建筑用砂资源相对匮乏,蕴藏着丰富的沙漠砂资源[4],应用沙漠砂制备适合工程应用的沙漠砂混凝土可以节约资源、保护环境[5]。目前,国内外学者对沙漠砂混凝土工程特性、力学性能及耐久性进行了一些研究。Seif研究表明沙漠砂混凝土强度与沙漠砂掺量成反比[6];李志强等分析了沙漠砂替代率对混凝土轴心抗压强度及应力-应变曲线影响[7];刘海峰等研究了冻融环境下沙漠砂对混凝土轴心抗压强度影响规律[8];董瑞鑫等从微观层面揭示了干湿循环作用下风积砂掺量40%混凝土抗硫酸盐侵蚀机理[9];Yuan等采用X-CT射线研究了干湿循环作用下硫酸盐侵蚀混凝土后宏观性能和孔隙微观变化,利用灰色入射理论分析了两者之间的相关性[10];姜磊等进行了干湿循环作用下硫酸盐溶液侵蚀混凝土单轴受压试验,分析了硫酸盐溶液种类对混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量及应力-应变全曲线的影响[11];Zhang等从微观和宏观尺度上研究了再生骨料混凝土在两种环境(全浸泡和干湿循环)下抗硫酸盐侵蚀性能[12],但针对干湿循环作用下硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土力学性能研究尚有不足。

基于现有硫酸盐-干湿循环作用下混凝土力学性能研究成果,本文进行干湿循环作用下沙漠砂混凝土抗硫酸盐侵蚀力学性能试验,研究质量损失率、抗压耐蚀系数、相对动弹性模量变化规律,研究成果可为沙漠砂混凝土在西北硫酸盐地区工程应用提供技术支撑。

1 试验研究

1.1 试验原材料

胶凝材料:P·O 42.5R水泥,其性能指标见表1;粗集料:宁夏镇北堡生产机械碎石,由粒径为10～20 mm和5～10 mm粗骨料按照7∶3的质量比混合而成;细集料:中砂采用当地人工水洗砂,沙漠砂取自宁夏盐池县毛乌素沙地,性能指标见表2和图1;粉煤灰:宁夏银川市金凤区热电厂生产的I级粉煤灰;减水剂:减水率为25%以上粉末状聚羧酸高性能减水剂;水:普通自来水。

表1 P·O 42.5R水泥性能

表2 细集料性能指标

1.2 试验方案

基于课题组前期研究成果[4,8],沙漠砂取代率确定为40%。混凝土强度等级为C35,水胶比为0.50,砂率为35%,具体配合比见表3。

表3 混凝土配合比

采用室温下自然浸泡和电热鼓风干燥箱干燥来模拟干湿循环过程。试件达到28 d龄期后在硫酸钠溶液中浸泡16 h,取出擦干表面水分,自然风干1 h,然后在电热鼓风干燥箱中以60 ℃烘干6 h,放置室内冷却1 h,以此为1个循环,循环周期为(24±2 )h。根据规范[13]和宁夏地区盐碱化调研结果,选取3%、5%、7%硫酸钠溶液作为侵蚀溶液,干湿循环次数为30,60,90,120,150次。达到设计循环周期后,测定其在不同硫酸盐-干湿循环作用下质量损失、抗压强度、动弹性模量和应力-应变曲线。

1.3 试验方法

1.3.1动弹性模量测定

动弹性模量测定采用天津港源DT-20型动弹仪,频率灵敏度1 Hz,干湿循环作用下沙漠砂混凝土动弹性模量按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[13]进行测量,如图2所示。

图2 动弹性模量测量示意

相对动弹性模量是沙漠砂混凝土硫酸盐侵蚀后动弹性模量与未侵蚀动弹性模量的比值,可以分析沙漠砂混凝土受侵蚀损伤的劣化程度。沙漠砂混凝土相对动弹性模量计算如下:

(1)

式中:Er为沙漠砂混凝土相对动弹性模量;En为干湿循环n次后沙漠砂混凝土动弹性模量,GPa;E0为未进行干湿循环沙漠砂混凝土动弹性模量,GPa。

1.3.2轴心抗压强度试验

硫酸盐侵蚀-干湿循环作用后轴心抗压强度试验在MTS微机控制电液伺服万能试验机上进行,加载方式为应力控制,加载速率为0.5 MPa/s,应变数据利用东华测试技术股份有限公司生产的DH3820高速静态应变采集仪采集,位移计记录变形,试验布置如图3所示。

图3 轴心抗压试验布置 mm

2 试验结果分析

2.1 表观特征

硫酸盐侵蚀及干湿循环作用下沙漠砂混凝土表观特征如图4和图5所示。干湿循环60次时,试件表面开始出现微小裂纹。随着硫酸盐溶液浓度增加,微裂纹数量逐渐增多且覆盖面积增大,这主要是由于硫酸盐溶液浓度越高,硫酸根离子越容易侵入混凝土内部,当侵蚀产物积累过多,结晶物质在混凝土孔隙内部开始膨胀,产生的膨胀压力导致试件表面开裂,形成更多微裂纹[14];干湿循环120次时,混凝土表观特征变化明显,试件从棱角处开始破坏,边角四周处浆体和骨料开始部分剥落,中间部位相对来说较为完整。硫酸盐溶度为7%时试件棱角处出现的细长贯穿式裂纹比硫酸盐溶度3%和5%时要多。与普通混凝土相比,取代率40%沙漠砂混凝土损伤较轻。

a—3%硫酸钠,60次循环; b—5%硫酸钠,60次循环; c—7%硫酸钠,60次循环; d—3%硫酸钠,120次循环; e—5%硫酸钠,120次循环; f—7%硫酸钠,120次循环。

a—3%硫酸钠,60次循环; b—5%硫酸钠,60次循环; c—7%硫酸钠,60次循环; d—3%硫酸钠,120次循环; e—5%硫酸钠,120次循环; f—7%硫酸钠,120次循环。

2.2 质量损失率

干湿循环作用下硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土质量损失率变化如图6所示。干湿循环0～60次时,混凝土质量损失率呈减小趋势,质量略有增加,当循环次数达到60次时质量累积达到最大值。这是由于初始阶段水泥进一步水化、硫酸盐参与反应生成石膏和钙矾石(Aft)以及干湿循环水分蒸发硫酸盐结晶所导致[15]。干湿循环60～150次时,两组混凝土质量损失率都呈增大趋势。随着干湿循环次数增加,硫酸盐反应产物石膏和钙矶石不断增加,产生的膨胀应力使试件内部裂缝数量和宽度不断增加,混凝土表面浆体、骨料剥落。掺入40%沙漠砂后混凝土内部结构更为致密,减缓了硫酸根离子进入。硫酸盐溶液浓度越高,提供的硫酸根离子越多,生成的水化产物越多[10]。同一浓度硫酸盐溶液下,取代率40%沙漠砂混凝土质量损失率小于普通混凝土。

a—3%硫酸钠; b—5%硫酸钠; c—7%硫酸钠。

2.3 抗压耐蚀系数

干湿循环作用下硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土抗压耐蚀系数如图7所示,耐蚀系数为冻融后抗压强度与冻融前抗压强度之比。两组混凝土抗压耐蚀系数呈先升高后降低趋势。干湿循环0～60次时,各试件抗压耐蚀系数提高,60次时达到峰值。浓度3%、5%和7%硫酸盐溶液下取代率40%沙漠砂混凝土比普通混凝土抗压耐蚀系数分别提高了1.14%、1.22%和1.36%,这主要是由于硫酸盐侵蚀下混凝土中硫酸钠结合水分子形成十水硫酸钠(Na2SO4·10H2O)晶体,在混凝土内部聚集,填充混凝土内部孔隙结构[16]。掺入40%沙漠砂后混凝土内部更加致密,孔结构分布得以优化,致使取代率40%沙漠砂混凝土抗压耐蚀系数高于普通混凝土。干湿循环60～150次时,各组混凝土抗压耐蚀系数降低,其中干湿循环60～90次时下降幅度较大,90～150次时下降幅度相对较小。由于沙漠砂混凝土在干湿循环后期外表层受侵蚀厚度增加,混凝土孔隙孔洞在结晶压力和膨胀应力作用下迅速发展形成微裂缝,混凝土受侵蚀层内部逐渐开裂导致抗压强度迅速降低[17],掺入40%沙漠砂可缩短砂浆与粗骨料、浆体与砂之间厚度,增强界面过渡区显微硬度[18]。同一干湿循环次数下,取代率40%沙漠砂混凝土抗压耐蚀系数高于普通混凝土。随着硫酸钠溶液浓度增加,抗压耐蚀系数逐渐增大。

a—3%硫酸钠; b—5%硫酸钠; c—7%硫酸钠。

2.4 相对动弹性模量

干湿循环作用下硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土相对动弹性模量如图8所示。两组混凝土相对动弹性模量呈先升高后降低趋势。干湿循环0～60次时,随着干湿循环次数增加,相对动弹性模量逐渐增大,60次时达到最大值,浓度3%、5%和7%硫酸盐溶液下取代率40%沙漠砂混凝土比普通混凝土相对动弹性模量分别增加了1.31%、2.58%和3.26%。这是由于硫酸盐溶液浓度越高,提供更多硫酸根离子,反应生成更多钙矾石、石膏等填充于混凝土原始缺陷内,增加了试件密实度[19]。掺入40%沙漠砂后密实度增加,导致沙漠砂混凝土相对动弹性模量比普通混凝土高。干湿循环60～150次时,随着干湿循环次数增加,相对动弹性模量逐渐降低。干湿循环150次时,在浓度为3%、5%和7%硫酸盐溶液下,未掺沙漠砂混凝土相对动弹性模量分别为0.887、0.832和0.786,掺入40%沙漠砂后混凝土相对动弹性模量分别为0.903、0.858和0.812。干湿循环后期,侵蚀产物在混凝土内部体积不断增大,产生的膨胀应力导致微孔洞和界面过渡区(ITZ)区域产生裂缝[20],原来的小孔逐渐扩展成中孔甚至大孔,混凝土表面可以观察到松散浆体颗粒。

a—3%硫酸钠; b—5%硫酸钠; c—7%硫酸钠。

3 硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土损伤度

3.1 损伤度定义

干湿循环作用下硫酸盐侵蚀沙漠砂混凝土破坏过程较复杂,引入损伤度评价沙漠砂混凝土性能劣化[21-22]。损伤度D定义为动弹性模量变化值与初始值比值,计算公式如下:

D=1-En/E0

(2)

3.2 应力-应变曲线分析

图9为硫酸盐侵蚀下沙漠砂混凝土应力-应变关系曲线。不同干湿循环次数下应力-应变曲线形状极为相似,干湿循环初期,峰值点相对于应力-应变曲线坐标轴上升和左移,取代率40%沙漠砂混凝土表现为峰值应力提高,峰值应变减小;随着干湿循环次数增加,峰值应力降低,峰值应变增大。

a—取代率为0%,3%硫酸盐溶液; b—取代率为0%,5%硫酸盐溶液; c—取代率为0%,7%硫酸盐溶液; d—取代率为40%,3%硫酸盐溶液; e—取代率为40%,5%硫酸盐溶液; f—取代率为40%,7%硫酸盐溶液。

由图10可知,取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土损伤度随着干湿循环次数增加呈先减小后增大趋势。干湿循环初期,混凝土材料水化反应继续进行,结构致密性得到增强。硫酸盐侵蚀混凝土生成的钙矾石进一步密实混凝土孔结构[23]。随着干湿循环次数增加,混凝土内部孔隙堆满侵蚀产物,在膨胀压力作用下混凝土内部形成裂缝产生损伤,在这个过程中微裂缝增多和变大,损伤度不断增大[24]。干湿循环后期,硫酸盐溶液浓度越高,损伤度越大[25]。

a—取代率为0%; b—取代率为40%。

3.3 相对峰值应力

干湿循环和硫酸盐侵蚀下沙漠砂混凝土和普通混凝土相对峰值应力与损伤度关系见图11。沙漠砂混凝土损伤度为负值时,其对应峰值应力升高,损伤度负值最小时沙漠砂混凝土峰值应力最大。随着损伤度增加,各硫酸盐溶液下沙漠砂混凝土相对峰值应力下降,取代率40%沙漠砂混凝土相对峰值应力与损伤度呈指数关系。在浓度3%、5%和7%硫酸盐溶液侵蚀下,取代率40%沙漠砂混凝土相对峰值应力与损伤度关系如下:

a—取代率为0%; b—取代率为40%。

浓度3%:

R2=0.931(3a)

浓度5%:

(3b)

浓度7%:

R2=0.975(3c)

3.4 相对峰值应变

干湿循环和硫酸盐侵蚀下沙漠砂混凝土相对峰值应变与损伤度关系见图12。随着损伤度增加,相对峰值应变增大,说明沙漠砂混凝土随着损伤度增加,混凝土有害孔洞逐渐增多,在试验加载过程中孔洞存在被压实过程,表现为峰值应变增大[26]。当损伤度是负值时,混凝土结构整体性得到提高,增加了混凝土结构刚度,相对峰值应变降低。掺入40%沙漠砂后混凝土峰值应变低于未掺沙漠砂混凝土,这是由于沙漠砂的细小颗粒有效填充了混凝土粗细骨料之间的间隙,混凝土坚固性得到提高,降低了沙漠砂混凝土可变形性[8]。沙漠砂混凝土相对峰值应变与损伤度呈指数关系。在浓度3%、5%和7%硫酸盐溶液侵蚀下,取代率40%沙漠砂混凝土相对峰值应变与损伤度关系式如下:

a—取代率为0%; b—取代率为40%。

浓度3%:

R2=0.974

(4a)

浓度5%:

R2=0.990

(4b)

浓度7%:

R2=0.989

(4c)

4 结束语

1)取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土质量损失率随着干湿循环次数增加呈先增后减趋势,硫酸盐溶液浓度越高质量损失率减少越快。干湿循环60次时,质量损失率达到最大值。

2)随着干湿循环次数增加,取代率40%沙漠砂混凝土和普通混凝土抗压耐蚀系数和相对动弹性模量呈先增后减趋势,取代率40%沙漠砂混凝土抗压耐蚀系数和相对动弹性模量高于普通混凝土。

3)随着硫酸盐溶液浓度升高,抗压耐蚀系数和相对动弹性模量降低幅度增大,取代率40%沙漠砂混凝土抗压耐蚀系数和相对动弹性模量比普通混凝土高。

4)建立了硫酸盐侵蚀下沙漠砂混凝土相对峰值应力、相对峰值应变随损伤度变化的拟合方程。