高、低濃度硫酸鹽侵蝕下不同水灰比混凝土抗剪性能的受損劣化規(guī)律

陶 琦

(中鐵十九局集團(tuán) 第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028)

在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是處于水環(huán)境的墩臺、樁基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)，普遍存在鹽類侵蝕病害[1-3]現(xiàn)象，而硫酸鹽侵蝕最為普遍.硫酸鹽侵蝕會降低混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、降低工作的服役壽命、加大后期加固維護(hù)成本.硫酸鹽侵蝕混凝土，其性能退化主要造成抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度及彈性模量等不同程度的損失[4-5].而對于橋梁下部結(jié)構(gòu)，最常見的破壞形式之一為剪切破壞，因此，研究硫酸鹽侵蝕對混凝土抗剪性能退化的影響規(guī)律及機制顯得尤為重要.

目前，既有文獻(xiàn)涉及硫酸鹽侵蝕對橋梁混凝土性能的影響，主要聚焦在拉伸特性、壓縮特性、彎曲特性、彈性模量以及不同力學(xué)約束條件下性能退化行為等方面.Yu等[6]研究了不同類型硫酸鹽對混凝土性能(抗壓強度，彈性模量，滲透系數(shù)，膨脹特性)得到影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土性能指標(biāo)隨侵蝕時間呈先增后減的變化規(guī)律.牛荻濤等[7]通過干濕交替硫酸鹽侵蝕試驗研究普通混凝土和噴射混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能差異，結(jié)果表明噴射混凝土基本性能損傷速率低于普通混凝土.Haufe等[8]研究了硫酸鹽侵蝕下混凝土抗拉強度的折減退化情況，并發(fā)現(xiàn)強度折減量受混凝土膠凝組分含量的影響，其中，鋁酸三鈣占比高時侵蝕后混凝土強度退化最顯著.文獻(xiàn)[9]通過室內(nèi)模型試驗研究了混凝土力學(xué)特性在雙向受壓狀態(tài)下受一定濃度硫酸鹽侵蝕的影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明雙向力學(xué)約束限制了硫酸鹽侵蝕對混凝土性能的退化效應(yīng).Chen等[10]研究了混凝土處于三向受壓狀態(tài)下硫酸鹽侵蝕對其力學(xué)性能的衰減影響，結(jié)果表明：在三向約束條件下混凝土粘聚力指標(biāo)隨侵蝕時間呈先增大后減小的變化趨勢，這一規(guī)律在以往相關(guān)研究中大量出現(xiàn).然而，有關(guān)不同濃度硫酸鹽侵蝕對混凝土抗剪性能退化的研究還比較少見.

由此本文通過開展室內(nèi)混凝土硫酸鹽侵蝕試驗和混凝土直剪試驗，研究了混凝土試件抗剪性能受高、低濃度硫酸鹽侵蝕的折減退化特性，旨在為工程設(shè)計中在不同濃度硫酸鹽侵蝕下混凝土受剪破壞及應(yīng)采取的防護(hù)措施提供試驗支撐.

1 試驗概況

1.1 試件及材料配合比

試驗用水泥采用大慶德昌偉業(yè)化工有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組分見表1：細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)3.0的河沙；粗骨料采用當(dāng)?shù)亓蠄錾a(chǎn)級配碎石，密度為2 660 kg/m3.作為一種水泥分散劑，減水劑采用高性能聚羧酸減水劑，減水率20%.試驗方案設(shè)置3組不同水灰比混凝土開展試驗，即0.4，0.45，0.5，對應(yīng)的試驗組別代號為PC40，PC45，PC50.各組混凝土材料配合比設(shè)計詳見表2.

表1 試驗用水泥化學(xué)組分表Tab.1 Chemical composition of cement for test

表2 每立方米混凝土試件配合比表Tab.2 Mix proportion of concrete specimen per cubic meter

1.2 試驗方法及步驟

硫酸鹽侵蝕試驗的試驗材料主要包括混凝土試件和硫酸鈉溶液.混凝土試件采用體積為150 mm3的標(biāo)準(zhǔn)立方體，硫酸鈉溶液選用2種濃度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和15%，為下文便于分析，5%專指低濃度，15%專指高濃度，試驗工況一覽表見表3.試驗重點研究高、低濃度水平硫酸鈉溶液對混凝土試件抗剪特性和破壞模式、機制的影響.試驗時將整個試塊浸泡在硫酸鈉溶液中，溫度維持在20℃左右.為了確保硫酸鈉溶液中硫酸根離子的濃度保持恒定，溶液每兩周更換一次.同時，選定4個特定時點(浸泡前、浸泡3個月、6個月及9個月)對混凝土試件進(jìn)行抗剪性能試驗，測得抗剪強度指標(biāo).

表3 試驗工況一覽表Tab.3 Test condition table

本文采用直剪方法對硫酸鹽侵蝕下混凝土試件抗剪特性進(jìn)行試驗，試驗時以軸向壓力水平共設(shè)置五個組，分別為0.5～10 MPa，且每個壓力組均包含3個平行試件，將其平均值作為試驗最終結(jié)果.試驗步驟為：將混凝土試件安置在試驗臺中心位置，施加軸向壓力至設(shè)計值，并維持恒定；然后以位移控制模式施加剪切力，將試件加載至發(fā)生破壞為止.試驗中重點采集剪應(yīng)力、軸向力、剪位移等數(shù)據(jù).混凝土試件直剪試驗裝置示意圖如圖1所示.

圖1 直剪裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct shear device

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗剪強度隨侵蝕時間變化規(guī)律

圖2表示不同水灰比w/c混凝土試件在低濃度硫酸鹽侵蝕不同時段下的軸向壓力σN與峰值剪應(yīng)力τf的關(guān)系曲線.從圖中可知，整體上，混凝土試件峰值剪應(yīng)力τf與軸向壓力σN呈正相關(guān)的線性關(guān)系，侵蝕后期比前期的線性關(guān)系更明顯，如線性擬合度從侵蝕初期的0.96增加至侵蝕9個月時的0.99.在圖中，采用線性摩爾庫倫理論對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時得到的截距，其物理意義表征混凝土試件的純剪強度，即軸向壓力為零時的抗剪強度.可以看出，隨侵蝕時間增長混凝土試件純剪強度表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，這是由于硫酸根離子消耗了混凝土試件內(nèi)部膠凝物質(zhì)所致.另外，不同水灰比下侵蝕后混凝土試件抗剪強度減損程度不盡相同，水灰比越小，硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致混凝土試件抗剪強度降低程度越小.這是由于水灰比越小，混凝土試件內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)致密性和結(jié)合性越好，越不容易被溶液中的硫酸根離子侵蝕，從而具有更好抗腐蝕性能及較高抗剪強度.

圖2中采用線性摩爾庫倫模型擬合試驗數(shù)據(jù)得到的直線，其斜率和截距分別表征內(nèi)摩擦角正切值和黏聚力.然而，混凝土材料并非傳統(tǒng)意義的散粒體材料，其抗剪強度由多個部分組成[11].為了采用摩爾庫倫理論來闡釋混凝土材料的抗剪特性，將圖中擬合得到的直線斜率和截距分別用名義黏聚力cn和名義內(nèi)摩擦角φn命名，則混凝土試件抗剪強度可由下式表示.

τf=cn+σNtanφn

(1)

圖2 不同侵蝕時間下混凝土試件峰值剪應(yīng)力與 軸向壓力的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線Tab.2 Experimental data and fitting curve of peak shear stress and axial pressure of concrete specimens under different erosion time

根據(jù)式(1)將高、低濃度試驗數(shù)據(jù)采用圖2的擬合方法即可得到高、低濃度硫酸鹽侵蝕下不同水灰比混凝土試件的名義黏聚力和名義內(nèi)摩擦角不同侵蝕時間點的數(shù)值.為便于分析，將抗剪強度試驗參數(shù)(名義內(nèi)摩擦角和名義黏聚力)變化率作為因變量，侵蝕時間作為自變量，其中參數(shù)變化率為無量綱值，即試驗測試值與試驗初始值的差除以初始值.

圖3表示混凝土試件抗剪強度參數(shù)變化率隨硫酸鹽侵蝕時間的關(guān)系曲線.

圖3 混凝土試件抗剪強度參數(shù)隨硫酸鹽侵蝕時間的關(guān)系曲線Tab.3 Relation curve of shear strength parameters of concrete specimens with sulfate attack time

從圖中總體來看，在高、低濃度硫酸鹽下混凝土試件名義黏聚力和名義內(nèi)摩擦角隨侵蝕時間的變化規(guī)律類似，即隨時間呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但下降的幅度不同.先分析圖3(a)，混凝土試件名義黏聚力隨侵蝕時間呈近似線性降低，除了低濃度下侵蝕初始階段降低速度較慢.以低濃度試驗數(shù)據(jù)為例，三種水灰比w/c=0.4，0.45及0.5混凝土試件名義黏聚力在侵蝕9個月后對應(yīng)的降幅分別為29.8%，41.6%及47.5%.圖3(b)中混凝土試件名義內(nèi)摩擦角隨侵蝕時間呈現(xiàn)非線性降低規(guī)律，在侵蝕3個月前降速低，侵蝕3個月后降速高，同樣以低濃度試驗數(shù)據(jù)為例，三種水灰比w/c=0.4，0.45及0.5混凝土試件名義內(nèi)摩擦角在侵蝕9個月后對應(yīng)的降幅分別為23.3%，31.2%和46.7%.因此，混凝土試件水灰比w/c與名義抗剪強度參數(shù)(cn、φn)折減程度呈正相關(guān)關(guān)系.再對比高、低濃度硫酸鹽的影響，從圖中可知，對于水灰比一定的混凝土試件，高濃度硫酸鹽侵蝕下其名義抗剪強度參數(shù)的降低幅度高于低濃度的情況.以w/c=0.45為例，在高濃度硫酸鹽侵蝕下混凝土試件名義黏聚力在浸泡9個月后下降了51.3%，而低濃度的情況則下降39.8%.

2.2 抗剪強度組件隨侵蝕時間變化規(guī)律

如前文所述，混凝土材料不同于散粒體材料，其抗剪強度組成包含多個部分：粗細(xì)骨料間咬合作用；漿體—骨料黏結(jié)作用；接觸摩擦作用及剪脹作用四部分[12]，稱為抗剪強度組件.據(jù)此，結(jié)合摩爾庫倫通式，混凝土抗剪強度參數(shù)可以式(2)來表示.

τf=c+σNtan(φ+ψ)

(2)

其中，ψ為表征混凝土試件剪脹作用的剪脹角.黏結(jié)組件c由漿體—骨料黏結(jié)與骨料間咬合構(gòu)成，與2.1所述的名義黏聚力物理意義相同，表征混凝土內(nèi)部化學(xué)黏附作用.名義摩擦角則實際包含接觸面摩擦與剪脹雙重作用.剪脹作用一般采用剪脹率Rsd來刻畫，而剪脹率是通過直剪試驗的軸向位移—剪切位移實時曲線計算得來，該曲線的瞬時斜率即為剪脹率，剪脹率與剪脹角存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系.

ψ=arctanRsd

(3)

一般地，混凝土試件在受剪時剪脹率變化很小，因此，可采用平均剪脹率來表示從剪脹開始至出現(xiàn)峰值剪應(yīng)力整個過程的剪脹率.圖4為混凝土試件剪脹率隨硫酸鹽侵蝕時間的關(guān)系曲線.從圖中可見，不同濃度下不同水灰比的混凝土試件剪脹率與硫酸鹽侵蝕時間呈線性降低的變化趨勢.以低濃度工況為例，三種水灰比w/c=0.4，0.45及0.5混凝土試件殘余剪脹率(即侵蝕9個月)分別為0.24，0.21和0.18.剪脹特性的降低是由于硫酸根離子侵蝕混凝土試件導(dǎo)致其密實度損失所致.在混凝土試件侵蝕前，水灰比w/c=0.4，0.45及0.5混凝土試件初始剪脹率分別為0.3，0.29及0.28，試件水灰比與剪脹率呈反比例關(guān)系，原因在于水灰比高的試件導(dǎo)致其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)更為疏松.

再分析濃度的影響，與低濃度工況相比，高濃度硫酸鹽侵蝕下試件剪脹率降低幅度更顯著，以w/c=0.45為例，低濃度下剪脹率從未侵蝕時的0.29減小至侵蝕9個月時的0.21，降幅為29%；而高濃度工況剪脹率從未侵蝕時的0.29減小至侵蝕9個月時的0.16，降幅達(dá)到42%.分析原因可能是，高濃度下硫酸根離子與混凝土物質(zhì)組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[13]，損耗骨料間的膠凝物質(zhì)，使得骨料-漿體結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，密實度降低，從而顯著降低試件剪脹率.而低濃度硫酸根離子不足以與混凝土膠凝物質(zhì)發(fā)生明顯的化學(xué)作用，而更多是以生成結(jié)晶為主[14]，而結(jié)晶壓會導(dǎo)致混凝土試件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微小裂縫，因此相較高濃度的情況而言，其剪脹率的降低程度較小.

如前文所述，混凝土名義內(nèi)摩擦角反映了接觸摩擦作用和剪脹作用，從而可以得到表征接觸摩擦作用的實際內(nèi)摩擦角.圖5為高、低濃度下不同水灰比混凝土試件內(nèi)摩擦角隨硫酸鹽侵蝕時間的關(guān)系擬合曲線.從圖中可見，硫酸鹽侵蝕下混凝土試件內(nèi)摩擦角與侵蝕時間呈非線性降低變化規(guī)律，侵蝕早期(3個月前)降速較緩，侵蝕中后期(3至9個月)降速較快.以低濃度工況為例，水灰比w/c=0.4，0.45及0.5的混凝土試件內(nèi)摩擦角最終降幅(侵蝕9個月時)分別為25.1%，33.2%和51.8%.

值得注意的是，對于高濃度工況，三種水灰比混凝土試件在侵蝕早期均出現(xiàn)了內(nèi)摩擦角輕微增大的現(xiàn)象(增長2%～ 5%，如圖5所示)，而后又迅速降低的變化趨勢，這是與低濃度工況顯著不同之處.可能的原因是：在早中期(侵蝕5個月前)，高濃度下硫酸根離子與混凝土膠凝物質(zhì)(少許)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石等具有膨脹特性的物質(zhì)[15](此時試件的密實度變化不大)，致使在混凝土微觀結(jié)構(gòu)孔隙中產(chǎn)生較大的膨脹力，當(dāng)試件受剪時膨脹力與施加的軸向壓力相疊加，從而在剪切面產(chǎn)生更大的接觸面壓力.而采用內(nèi)摩擦角表征的接觸摩擦特性受接觸面壓力大小和接觸面粗糙程度控制[16]，因此接觸面壓力增大引起內(nèi)摩擦角的增大.而到了中后期(侵蝕5個月后)，隨著化學(xué)反應(yīng)的加劇，混凝土膠凝材料耗損增大，不斷掏蝕混凝土骨架-膠凝微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著降低試件的密實度，而與之相比生成的鈣礬石等膨脹性物質(zhì)產(chǎn)生的膨脹力則影響甚微，故試件內(nèi)摩擦角在侵蝕中后期迅速降低.對低濃度的工況，硫酸根離子的濃度不足以與混凝土膠凝物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或反應(yīng)很微弱(可忽略不計)，而主要對混凝土試件誘發(fā)物理結(jié)晶為主，其結(jié)果使得試件結(jié)構(gòu)變得更疏松，因而整個侵蝕過程內(nèi)摩擦角一直降低，并未出現(xiàn)增大的現(xiàn)象.

圖5 混凝土試件內(nèi)摩擦角隨硫酸鹽侵蝕時間的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of internal friction angle of concrete specimen with sulfate attack time

3 結(jié)論

本文通過開展硫酸鹽侵蝕混凝土試驗及直剪試驗，研究了高、低濃度硫酸鹽溶液侵蝕對不同水灰比混凝土試件抗剪性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)混凝土試件抗剪性能在硫酸鹽侵蝕作用下有顯著的折損劣化現(xiàn)象.試件抗剪強度參數(shù)名義粘聚力及名義內(nèi)摩擦角隨侵蝕時間的增長均逐漸降低，且高濃度比低濃度，抗剪強度降低幅度更大；

(2)在同一濃度硫酸鹽溶液下，混凝土試件水灰比越大，其抗剪強度參數(shù)隨侵蝕時間的增長降速越大；

(3)高、低濃度硫酸鹽侵蝕下混凝土試件剪脹率與侵蝕時間均呈線性降低的變化趨勢.與低濃度工況相比，高濃度侵蝕下剪脹率降低幅度更顯著；

(4)在低濃度硫酸鹽溶液下，混凝土試件內(nèi)摩擦角隨侵蝕時間的增長呈非線性減小的變化規(guī)律，而在高濃度下，則呈現(xiàn)先短暫(侵蝕早期)增大后減小的變化趨勢.