三軸應力作用下化學侵蝕對砂漿力學性能的影響

摘要：開展了不同水化學腐蝕下砂漿試樣的常規三軸壓縮試驗，分析了溶液pH值、濃度及水化學成分對試樣的腐蝕程度及微細觀結構的影響效應，探討了砂漿試樣的水化學腐蝕機理，并進一步對比分析了不同水化學作用對砂漿物理力學參數的影響規律。基于化學腐蝕后試樣產生的次生孔隙率，建立了新的損傷參量來定量描述試樣物理力學性質隨水化學損傷的演化過程。

關鍵詞：砂漿；水化學腐蝕；化學損傷變量；孔隙率

中圖分類號：TU502.6

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01012505

人們在大興土木的同時面臨著嚴重的環境污染問題。由于廣大地區的雨水、地下水等中帶有各種侵蝕性離子，使得混凝土材料在服役期間，不僅受到外荷載的作用，還長期受到環境中復雜的化學腐蝕作用，這嚴重影響混凝土材料耐久性，再加上重建和維修所需要的費用巨大，從而引起了工程界人士的高度重視。因此，開展水化學作用下類砂巖材料物理力學特性的研究具有十分重要的意義。

近年來關于水化學溶液對混凝土的物理力學性質影響的研究已受到了研究者的重視，并取得許多成果[111]。如Fattuhi等[1]、Kong等[2]、Chandra[3]和Attiogbe等[4]使用不同配比的砂漿、混凝土和水泥漿體，將試樣浸泡在不同濃度的酸性溶液中，利用EDAX（掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）上用的一種附屬分析設備——能譜儀）、掃描電鏡和SEM等微觀檢測技術，對受腐蝕的砂漿、混凝土和水泥漿體的物質成分、結構及抗壓強度的變化進行了詳細分析，根據化學反應物成分的不同，提出了不同的反應模型，發現受酸腐蝕的過程是復雜的。鄭楠[5]開展了不同化學溶液、不同濃度、不同pH值的水化學環境對砂漿試樣力學性能的試驗研究，主要研究了不同水化學溶液腐蝕后砂漿試樣的抗壓強度和應力應變曲線的變化規律，并在實驗結果的基礎上，提出了水泥砂漿受鹽酸腐蝕的強度計算模型。然而，有關化學作用對砂漿試樣三軸試驗力學特征的影響效應方面卻鮮見。

筆者開展溶液pH值、濃度及化學成分對砂漿試樣力學特性的試驗研究，分析了化學腐蝕作用對砂漿微細觀結構的影響效應，并對化學腐蝕機理進行了探討。同時，基于孔隙率建立了損傷變量來定量描述砂漿試樣的物理力學參數在化學腐蝕過程中的演化過程。

韓鐵林，等：三軸應力作用下化學侵蝕對砂漿力學性能的影響

1試驗材料與方法

1.1試驗儀器及試樣制備

試驗儀器采用西安理工大學巖土所與長春朝陽試驗儀器有限公司聯合研制的WDT1500多功能材料試驗機，該試驗機由軸向加載系統、圍壓加載系統、橫向剪切系統、聲波檢測系統（采用中國科學院武漢巖土所RSMSY5聲波檢測儀，包括聲波檢測分析儀、聲波換能器）、計算機控制與量測系統5部分組成。最大軸向力為1 500 kN，最大圍壓80 MPa，軸向和徑向變形測量范圍分別為0～10 mm和0～5 mm。

1.2試樣制備

試驗采用灰∶砂∶水=1∶2∶0.5的砂漿試樣，水泥選用陜西秦嶺P.O 32.5，砂料選用西安浐河砂，并對其水洗干凈烘干處理，同時對砂粒粒徑級配進行了嚴格的控制，目的是為了保證砂漿試件所用骨料的均勻性。所用砂粒骨料粒徑級配重量比為φ1（0.16～0.315 mm）：φ2（0.315～0.63 mm）：φ3（0.63～1.25 mm）：φ4（1.25～2.50 mm） = 5%：30%：40%：25%，鑄模一次成形，加工成φ50 mm ×100 mm圓柱狀，養護24 h脫模，然后在養護箱內（20℃，濕度90 %）養護28 d后，取出自然風干。試驗前，采用中國科學院武漢巖土所RSMSY5聲波檢測儀對試件進行聲波波速測試，剔除差異比較大的試件，并依據縱波波速對砂漿試件進行分組，即9組，每組12個試件，總計108個試件。試驗前將試件放在105℃烘箱內烘24 h，然后測定每塊試件的原始重量及縱波速度，其密度介于2.02～2.08 g/cm3之間，縱波速度變幅在3 602～3 781 m/s，孔隙率范圍為8.07%～9.59%，這說明試驗所用的砂漿試樣物理性質相對均勻。

1.3化學溶液的配制

陜西省煤炭資源豐富，特別是陜北煤田的發現，以煤為原料的化學工業成為陜西省當前發展的重點，其中包括焦炭、蘭炭、尿素等，這些化工行業在生產過程中產生大量的SO2、NOx、COx、NH3、H2S等污染物，而這些污染物在大氣中轉化為MSO4、MHCO3、MNO3、MCL等，這些污染物隨著降雨及地表徑流直接與巖體接觸，是巖石與水發生化學腐蝕的主要前體物。加之地下水實際是一種復雜的化學溶液，其成分隨著時間和空間的變化而變化。大多數地下水中含有的主要陽離子有：Na+、Ca2+、Mg2+、K+等；陰離子主要有SO42-、CL-、HCO3-等，一般情況下，水中的pH=5～8。要逐一研究或模擬這些污染物的作用，既不可能、也沒有必要。綜合考慮以上諸因素的影響，在模擬試驗中，主要考慮Na+、SO42-、HCO3-離子對巖石的影響，并選擇了Na2SO4和NaHCO3兩種溶液。又由于環境中水巖相互作用是一個長期而緩慢的過程，在試驗過程中，為了在較短的時間尺度內觀察到這種變化，以及排除一些因素的干擾，采用濃度較大、pH值較小或較大的化學溶液來模擬。試驗所配置化學溶液如表1所示。