硫酸鹽侵蝕下混凝土單軸壓縮力學(xué)行為模擬及孔隙特征研究

范紅君，徐 威，申 磊，王 旭，胡秀月，高 聰，張瀚文

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001)

0 引 言

混凝土材料因具有良好的可塑性和優(yōu)越的力學(xué)性能成為了世界上最重要的建筑材料之一[1-2]。但由于混凝土結(jié)構(gòu)自身存在微孔隙和微裂縫等不均勻缺陷，往往會(huì)加速混凝土在服役過程中損傷劣化[3]，導(dǎo)致混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命就出現(xiàn)膨脹、開裂、剝落及強(qiáng)度下降等性能劣化現(xiàn)象[4]。文獻(xiàn)[5-7]表明硫酸鹽對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕尤為嚴(yán)重，如西部鹽漬土地區(qū)的混凝土柱和橋墩出現(xiàn)大量爛根現(xiàn)象，沿海潮汐區(qū)混凝土保護(hù)層大量脫落現(xiàn)象等。因此，全面深入展開硫酸鹽環(huán)境下混凝土力學(xué)性能退化規(guī)律和侵蝕機(jī)理研究顯得至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外對(duì)硫酸鹽侵蝕后混凝土的基本力學(xué)性能、沖擊性能、微觀變化特征研究較多。劉生緯等[8]研究了硫酸鹽浸泡時(shí)間、水膠比及粉煤灰三種因素對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響并提出硫酸鹽浸泡作用下混凝土抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律的預(yù)測(cè)模型。朱從進(jìn)等[9]采用SHPB試驗(yàn)研究了硫酸鹽侵蝕后混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并結(jié)合SEM分析了其性能弱化機(jī)理。Wang等[10]研究了硫酸鹽干濕循環(huán)對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)特征的影響，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕下混凝土孔體積顯著減小，侵入體減少主要發(fā)生在50～200 nm的孔隙中。張萌[11]使用掃描電鏡探究了經(jīng)過不同次數(shù)硫酸鹽侵蝕后混凝土試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化特征，闡明了混凝土侵蝕損傷的微觀機(jī)理。由上述可知，針對(duì)硫酸鹽侵蝕后混凝土的研究主要集中在宏觀力學(xué)性能和微觀形貌兩個(gè)方面，但對(duì)內(nèi)部孔隙變化及裂縫擴(kuò)展演化機(jī)制研究不夠深入。因此，本文基于PFC2D模擬軟件中顆粒流分析程序，對(duì)硫酸鹽侵蝕后的混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)仿真模擬，并借助具有無損傷、高效率特點(diǎn)的核磁共振儀器來分析不同硫酸鈉濃度侵蝕后混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)變化特征，為混凝土結(jié)構(gòu)服役于硫酸鹽環(huán)境提供理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6的淮濱河砂，粗骨料選用粒徑為5～10 mm的玄武巖顆粒，外加劑采用NF-F型混凝土早強(qiáng)減水劑，水采用普通自來水。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 測(cè)試方法

按照表1配合比澆筑成150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱里養(yǎng)護(hù)28 d后，將試塊加工成高度為100 mm，直徑為50 mm的圓柱體試件，與此同時(shí)采用超聲波測(cè)試儀選取波速相近的試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，首先將制成的試件置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、10%、15%和20%的硫酸鈉溶液中，浸泡時(shí)間為210 d。其中20%硫酸鈉溶液因容易過飽和常常在配置時(shí)結(jié)晶析出，故本試驗(yàn)自主研發(fā)了一種恒溫裝置可將溫度保持在30 ℃，保證配置20%硫酸鈉溶液時(shí)無晶體析出。待浸泡結(jié)束后取出，清除試件表面結(jié)晶物質(zhì)并擦干表面溶液，隨后置于飽水機(jī)充分飽水48 h，采用核磁共振儀(見圖1)測(cè)其內(nèi)部孔隙分布情況。待測(cè)試完成后，采用伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)(見圖2)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，其加載速率為0.05 mm/min。每種濃度下制備3個(gè)混凝土試件(見圖3)。

圖1 核磁共振儀

圖2 三軸試驗(yàn)機(jī)

圖3 混凝土試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 單軸壓縮PFC2D模擬分析

為了更好地分析混凝土單軸受壓作用的破壞過程和內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展行為及變形響應(yīng)，本文利用顆粒流離散元軟件PFC2D進(jìn)行模擬，選擇平行黏結(jié)模型作為接觸本構(gòu)模型，并且以實(shí)際單軸壓縮試驗(yàn)獲取的力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，將數(shù)值模型尺寸設(shè)置為直徑50 mm、高100 mm，采用wall命令模擬構(gòu)建模型邊界及其受力環(huán)境，用上、下墻來模擬軸向加卸載功能。上、下墻體相向緩慢移動(dòng)加載試樣，加載速率為0.05 mm/min[12]。結(jié)合材料特性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過“試錯(cuò)法”不斷調(diào)整模型參數(shù)(見表2)模擬出硫酸鹽侵蝕作用后混凝土單軸壓縮試驗(yàn)。

表2 PFC2D模擬參數(shù)

圖4為數(shù)值模擬和試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比以及微裂縫數(shù)目隨應(yīng)變變化曲線。從圖4數(shù)值模擬和試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比可以看出，由于混凝土材料在澆筑與養(yǎng)護(hù)的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的孔隙，試驗(yàn)加載初期，試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)非線性階段，但PFC2D模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線無法體現(xiàn)出孔隙被壓密階段，因此試驗(yàn)所得出的峰值應(yīng)變始終大于數(shù)值模擬的曲線。表3為不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土數(shù)值模擬和試驗(yàn)力學(xué)特征。從表3中可以看出模擬混凝土峰值應(yīng)力、彈性模量的試驗(yàn)誤差在4%以內(nèi)，表明模擬效果較好。此外，隨著硫酸鹽濃度的增加，混凝土峰值應(yīng)力逐漸降低，表面出現(xiàn)大量密集孔洞，為硫酸根離子滲透到內(nèi)部提供快速通道，進(jìn)而導(dǎo)致侵蝕生成物堆積膨脹使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，故宏觀上混凝土峰值應(yīng)力、彈性模量降低，而且這種現(xiàn)象伴隨濃度的增加變得更加明顯。

圖4 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土試驗(yàn)與模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線和模擬微裂縫數(shù)量-應(yīng)變曲線

表3 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土模擬和試驗(yàn)力學(xué)特征

圖4中正方形圖標(biāo)連成的曲線為微裂縫數(shù)目隨應(yīng)變變化曲線，各對(duì)應(yīng)濃度試件模擬峰值應(yīng)力值為σp。微裂縫增長(zhǎng)曲線主要分為3個(gè)階段：第一階段稱為微裂縫萌生期(o→a)，應(yīng)力上限值在0.6σp左右，即彈性階段之前；第二階段為微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展期(a→b)，當(dāng)應(yīng)力從0.6σp增長(zhǎng)到峰值應(yīng)力σp，微裂縫在a點(diǎn)萌生后緩慢上升到b點(diǎn)；第三階段稱為微裂縫快速增長(zhǎng)期(b→c)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)之后，微裂縫增長(zhǎng)速度隨應(yīng)變近似呈指數(shù)關(guān)系增加，試件進(jìn)入全面破壞。此外，從微裂縫增長(zhǎng)曲線也明顯發(fā)現(xiàn)，隨硫酸鈉濃度增加，微裂縫總數(shù)目呈上升趨勢(shì)，其中相比于0%組試件，當(dāng)侵蝕濃度從10%增加至20%時(shí)，微裂縫總數(shù)目分別增加了1.24、1.36和1.69倍。PFC2D可以很好地模擬出單軸壓縮破壞形態(tài)，如上圖4所示，混凝土試樣均呈剪切破壞形態(tài)，有一條斜向裂縫貫穿整個(gè)試件，隨著侵蝕濃度的增加，壓碎程度越來越嚴(yán)重，這一宏觀現(xiàn)象在上圖微裂縫數(shù)目演化曲線中能夠很好地表現(xiàn)出來。

2.2 微裂縫演化特征分析

應(yīng)力場(chǎng)對(duì)于分析混凝土材料的裂縫演化機(jī)理至關(guān)重要，因此，需要通過設(shè)置應(yīng)力圓來監(jiān)測(cè)混凝土試樣在加載過程中應(yīng)力場(chǎng)變化，并將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin軟件生成應(yīng)力熱點(diǎn)圖[13]。以10%濃度為例，取其加載過程中微裂縫萌生期、微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展期、微裂縫快速增長(zhǎng)期(破壞階段)作為監(jiān)測(cè)區(qū)域，繪制應(yīng)力演化示意圖和裂縫演化示意圖(見圖5)，應(yīng)力熱點(diǎn)圖中，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。圖5(a)為微裂縫萌生期，除了軸壓加載板附近出現(xiàn)小面積的受壓區(qū)域，試件整體處于受拉階段，在拉主應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)第一條裂縫，可判斷此時(shí)的裂縫屬于由拉應(yīng)力導(dǎo)致的張拉裂縫。隨著軸向荷載的增加，可以看出應(yīng)力圖中拉應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，表明試件中張拉應(yīng)力整體分布現(xiàn)象逐漸得到釋放。從圖5(b)可以看出，軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力，裂隙進(jìn)入穩(wěn)定且快速發(fā)育階段，萌生的初始裂縫隨著拉應(yīng)力集中分布區(qū)域不斷擴(kuò)展發(fā)育，并生成兩處聚積裂縫，裂縫數(shù)量達(dá)到10多條，由應(yīng)力熱點(diǎn)圖可知，聚積裂縫均出現(xiàn)在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力集中的區(qū)域，這兩處裂縫屬于張拉與剪切復(fù)合裂縫。隨著荷載繼續(xù)增長(zhǎng)直至混凝土試樣破壞，此時(shí)應(yīng)力圖中除了幾處大面積拉應(yīng)力集中區(qū)域，拉應(yīng)力近乎達(dá)到20 MPa，整體處于壓壞階段。圖5(c)為完全破壞階段，可以看出破壞時(shí)剪切裂縫沿對(duì)角線擴(kuò)展形成一條貫通裂縫，其破壞形態(tài)符合單軸壓縮剪切破壞的特征，且由應(yīng)力演化示意圖可知拉應(yīng)力在裂縫擴(kuò)展路徑上不斷得到消散，壓縮應(yīng)力場(chǎng)得到重新分配[14]。

圖5 10%硫酸鈉侵蝕后混凝土應(yīng)力與裂縫演化模擬示意圖

2.3 核磁共振試驗(yàn)分析

2.3.1 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土核磁共振T2譜分布曲線

核磁共振T2譜測(cè)試原理是利用流體中氫原子核在外來磁場(chǎng)作用下的弛豫特征獲取混凝土試樣孔隙，其中T2譜曲線弛豫時(shí)間與孔隙尺寸有關(guān)，T2譜信號(hào)幅值與孔隙數(shù)量有關(guān)。圖6為不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土試樣T2譜分布圖，T2譜面積可以反映出其內(nèi)部孔隙尺寸及數(shù)量變化，即譜峰面積與相應(yīng)孔隙尺寸和數(shù)量正相關(guān)[15]。表4為不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土孔隙率、T2曲線峰1幅值和面積變化。

圖6 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土T2譜曲線分布

表4 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土的孔隙率、T2譜峰1幅值和面積

從圖6可以看出，硫酸鹽侵蝕后混凝土的T2譜曲線有3個(gè)波峰，從左到右分別稱為峰1、峰2、峰3，分別代表著微小孔隙、小尺寸孔隙及大尺寸孔隙，隨著濃度的增加，混凝土內(nèi)部孔隙無論尺寸大小均有所發(fā)育，但微小尺寸孔隙相比小尺寸及大尺寸孔隙受硫酸鈉濃度作用影響較大，孔隙擴(kuò)展、發(fā)育也較為迅速，表現(xiàn)為T2譜曲線峰1幅值的增長(zhǎng)幅度尤為明顯。從表4可以看出，隨著硫酸鈉濃度增加，混凝土的孔隙率、T2曲線峰1幅值和面積呈上升趨勢(shì)，意味著硫酸根離子濃度的增加使得混凝土內(nèi)部孔隙尺寸及數(shù)量逐漸增長(zhǎng)，即損傷不斷增加。引起上述孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要原因是硫酸鹽侵蝕初期，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量石膏或鈣礬石，隨試驗(yàn)侵蝕周期增加其內(nèi)部產(chǎn)物逐漸溶解并產(chǎn)生新的微小孔隙，隨濃度增加，微小孔隙不斷發(fā)育、擴(kuò)展使內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始變得疏松，孔隙數(shù)量增多，因此孔隙率、T2譜峰1幅值和面積增大，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度下降幅度加快。

2.3.2 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土孔隙結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述核磁共振T2譜計(jì)算出孔隙半徑，將混凝土試樣在不同硫酸鈉濃度作用下的孔徑劃分為微孔(<0.01 μm)、小孔(0.01 μm

圖7 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土孔徑分布及孔隙率與濃度的擬合曲線

3 結(jié) 論

(1)PFC2D模擬結(jié)果表明，硫酸鹽侵蝕后混凝土在單軸壓縮過程中微裂縫數(shù)量-應(yīng)變曲線可以分為3個(gè)階段：微裂縫萌生期，第一條張拉裂縫在拉應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生；微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展期，在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)張拉與剪切復(fù)合裂縫；微裂縫快速增長(zhǎng)期，裂縫在原有基礎(chǔ)上寬度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致模型剪切破壞。

(2)NMR試驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸鹽侵蝕后混凝土的微孔和小孔占比達(dá)到94%以上。隨著硫酸鹽濃度增加，混凝土的孔隙率、T2譜峰1幅值和面積逐漸增大，宏觀上表現(xiàn)為混凝土峰值應(yīng)力與彈性模量降低。