干湿循环与持续轴压荷载对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响

王 帅,胡少伟,李文昊,李景浩

(重庆大学 土木工程学院,重庆 400045)

水泥基材料广泛用于水工结构,但由于所处环境恶劣,大量水工结构常年遭受硫酸盐侵蚀,腐蚀会导致水泥基材料膨胀、开裂和破坏[1]。在海岸等水位频繁变化的地区,水工结构面临干湿循环、温度变化等更为复杂的环境条件,且实际结构在外荷载作用下工作,硫酸盐侵蚀过程更加复杂。对水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能开展研究对水工结构设计、耐久性和安全性评价具有重要意义。

目前,越来越多学者关注水泥基材料受硫酸盐侵蚀的劣化规律和机理,但硫酸盐侵蚀是一种复杂的物理-化学作用,其侵蚀机理尚未形成定论。Yu等[2]研究了干湿循环作用下硫酸盐溶液对砂浆性能的影响,并采用二项式公式描述劣化砂浆抗压强度和透水系数的变化。Jiang等[3-4]探讨了干湿循环作用下溶液浓度和硫酸盐类型对混凝土劣化过程的影响并分析了其损伤过程。然而荷载作用会直接影响砂浆的微观结构和渗透性能[5],进而影响其耐硫酸盐侵蚀性能,因此必须考虑荷载作用才更加符合实际。Liu等[6]针对弯曲疲劳荷载与干湿循环作用,对混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力进行试验,结果表明弯曲疲劳载荷和干湿循环可加速混凝土内部硫酸根离子的迁移和混凝土的劣化。逯静洲等[7]研究了轴压荷载作用对混凝土相对动弹性模量的劣化影响,结果表明轴压荷载对劣化有显著促进作用。曹健[8]研究了荷载、干湿循环对混凝土长期性能的影响,发现各因素选择的水平不同,对混凝土的复合作用会产生或减缓或加剧的效应。

微观层面的研究[9-12]表明,硫酸盐会破坏水泥基材料内部组分和微观结构,随侵蚀的进行微观结构逐渐损伤劣化,荷载的作用则会加剧损伤的发生,最终缺陷的累积导致宏观性能随龄期的劣化和破坏。可见,对水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀能力研究主要围绕混凝土开展,所施加的荷载也多为弯曲荷载或短期轴压荷载,针对持续轴压荷载作用下水泥砂浆的耐硫酸盐侵蚀性能和微观侵蚀机理的研究尚待补充。

本文开展了持续轴压荷载作用下硫酸盐侵蚀对水泥砂浆性能影响的试验研究,通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)进行微观结构形貌和劣化产物分析,探究干湿循环和持续轴压荷载作用下水泥砂浆受硫酸盐侵蚀的劣化规律和机理,有利于指导水工结构物的耐久性设计。

2.1 试验原材料

本试验用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其化学组成见表1;细骨料为河砂,细度模数2.7;拌合水为自来水;减水剂为聚羧酸减水剂;水泥砂浆配合比见表2,28 d抗压强度为54.23 MPa;侵蚀溶液为硫酸钠溶液。

表1 水泥化学成分Table 1 Chemical composition of cement %

表2 水泥砂浆配合比设计Table 2 Mix proportion of cement mortar

2.2 腐蚀环境

浇筑边长70.7 mm的立方体试件用于测试砂浆的抗压强度,尺寸40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件用于测试砂浆的质量和线膨胀量,ACS-1和ACS-2的测试均使用立方体试块。浇筑成型后,标准养护28 d。将试件分成4组,分别暴露在4种工况下,详见表3。荷载大小(%)指持续轴压荷载的大小与砂浆28 d抗压强度的百分比。最长侵蚀时间达360 d,硫酸钠溶液每2个月更换1次。

表3 试验工况Table 3 Test conditions

浸泡在溶液箱进行,干湿循环制度为:室温浸泡48 h,取出自然晾干2 h,烘箱((60±3)℃)烘干20 h,冷却2 h后放回溶液箱,完成1次循环。

2.3 持续轴压荷载施加装置

持续轴压荷载侵蚀试验采用自主设计的持续轴压荷载与硫酸盐实时耦合侵蚀装置,如图1所示,试件长期浸没于溶液盒中。监测得到该装置的荷载损失率≤5%,持荷效果良好,荷载施加后不再调整,直至试验结束卸载后取出试块,未对硫酸盐侵蚀后期导致的砂浆受力状态的改变进行长期监测。

图1 持续轴压荷载加载装置Fig.1 Continuous axial loading device

2.4 抗压强度测试

每30 d取3个试件用于单轴压缩试验。测试当天,从溶液中取出试件,清洗试样表面,在60 ℃下干燥至质量恒定,并在测试前冷却至室温。本试验采用YAW-2000D型微机控制恒加载压力试验机,规格2 000 kN,加载速度1.5 kN/s。

2.5 扫描电镜分析试验

通过SEM评估劣化砂浆的微观结构,样品来自破坏的试件,各工况样品均取自腐蚀后砂浆表层5 mm左右位置。均在60 ℃下干燥后使用。本试验采用TESCAN MIRA4扫描电子显微镜,放大倍率为2～105,加速电压为200～30 000 eV。砂浆不导电,微观形貌观察需要喷金。采用室温真空喷金,喷金电流5 mA,喷金时间3 min,采用铂金靶材。EDS采用Xplore型能谱仪。

2.6 评价指标

水泥基材料受硫酸盐侵蚀的典型表现是膨胀、表层剥落和性能劣化等[13],本文以表观现象、质量损失率、线膨胀率和抗压强度损失率作为硫酸盐侵蚀后的评价指标,各指标计算与说明见表4。线膨胀率在试件中部固定位置的标记点进行测量,测试方向垂直于受荷方向。

表4 评价指标Table 4 Evaluation indicators

3.1 侵蚀后表观现象

不同工况下砂浆受硫酸盐侵蚀360 d后的表观现象见图2。DWS工况下砂浆各表面边角处裂缝交错分布,数量远多于GS工况的砂浆,这表明干湿循环作用明显加快硫酸盐侵蚀的速度和程度。GS工况下的砂浆表面均较光洁平整,而ACS工况下砂浆表面出现剥落现象,试件边角部普遍破坏,或成块脱落,或散碎掉落,试件中部存在起壳脱落现象。脱落界面可见白色盐结晶或侵蚀产物,该试验现象与文献[14]类似,推测是其产生的膨胀应力导致外层砂浆的损伤脱落,这表明较高的持续轴压荷载会显著加剧硫酸盐侵蚀速度。ACS-1工况下砂浆在270 d开始出现剥落现象,但较ACS-2工况下砂浆轻微。根据砂浆表层脱落程度和裂纹扩展深度,可初步推断不同工况下的砂浆受硫酸盐侵蚀360 d后的损伤度(h)满足hACS>hDWS>hGS,且应力比大的持续轴压荷载影响最大。此处的损伤度(h)是对总体损伤情况的定性判断。

图2 表观现象与裂缝分布(360 d)Fig.2 Apparent phenomenon and crack distribution (360 d)

3.2 质量变化率

由图3可见砂浆质量在硫酸盐侵蚀下均呈前期增长后期下降的趋势,砂浆试件质量增长率曲线拐点出现时间次序为DWS(180 d)

C3A+3(CaSO4·2H2O)+2Ca((OH)2+24H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 。

(2)

3.3 线膨胀率

砂浆的线膨胀率如图4所示。长期浸泡和干湿循环工况下砂浆受硫酸盐侵蚀后持续膨胀,线膨胀率前期增长快,180 d后增长减缓;未出现衰减拐点,侵蚀产物持续累积、膨胀,360 d时,DWS线膨胀率达0.48%,GS线膨胀率达0.16%。但这2项膨胀率分别小于文献[2]的膨胀率1.44%和0.81%,原因可能是砂浆配比不同、试件尺寸不同、干湿循环制度和测量方式不同导致的膨胀率差异。DWS砂浆的线膨胀率与质量变化率的规律有所不同,DWS砂浆试块在侵蚀后期棱角出现局部剥落,造成砂浆质量损失。但砂浆试块棱角的剥落对于砂浆膨胀率的整体测量影响较小,同时后期出现了膨胀裂缝,因此DWS砂浆的线膨胀率一直增加,未出现拐点。试验结果表明,线膨胀率可以很好地评价硫酸盐化学侵蚀下的砂浆性能变化,但其对表面剥落不敏感。ACS-1工况砂浆前期线膨胀率较小,中期有一个较为缓慢的平台期,后期线膨胀率增加迅速,峰值线膨胀率达0.46%;线膨胀率大的原因:一是砂浆受压产生横向膨胀,二是受硫酸盐侵蚀所致。较高轴压荷载使侵蚀程度加剧和横向膨胀增加,前期线膨胀率增长快,峰值线膨胀率达0.67%,但300 d后脱落严重,线膨胀率最大衰减达0.72%,此时可认为砂浆表层已经破坏。线膨胀率出现明显拐点即说明砂浆因腐蚀产物过多而开始劣化破坏,宏观上侵蚀产物累积量开始小于砂浆基质被消耗和损伤脱落的质量,此时硫酸盐侵蚀已经十分严重。

3.4 抗压强度

试验结果表明,抗压强度随龄期的发展规律可分为两类:一类是GS、DWS和ACS-1的砂浆抗压强度先增大后逐渐减小。150 d前干湿循环工况砂浆抗压强度高于长期浸泡工况砂浆,150 d后干湿循环工况的砂浆抗压强度开始衰减,抗压强度开始低于长期浸泡的砂浆,其峰值点比长期浸泡工况砂浆更早出现;较低荷载作用下峰值点最早出现(90 d)。另一类是较高持续轴压荷载工况的砂浆抗压强度呈现不断减小且前期衰减缓慢后期衰减迅速的趋势,受较高持续轴压荷载作用的砂浆抗压强度始终低于同一龄期的受较低持续轴压荷载作用的砂浆。侵蚀360 d,GS砂浆抗压强度始终高于28 d抗压强度;DWS砂浆在200 d后抗压强度衰减到28 d抗压强度以下;ACS-1砂浆约在270 d后抗压强度衰减到28 d抗压强度以下;持续轴压荷载作用下,受硫酸盐侵蚀360 d后的砂浆抗压强度最大衰减率分别达29.63%(应力比0.2)和40.72%(应力比0.4)。

基于上述结果,提出一个二项式函数来描述4种条件下的抗压强度和硫酸盐侵蚀时间之间的关系,如式(3)所示。

ft/f0=at2+bt+1 。

(3)

式中;ft和f0分别是在每种暴露条件下龄期为t和0时的砂浆单轴抗压强度;a、b均为拟合参数。

暴露条件对应的拟合参数见表5。图5表明,提出的经验公式拟合效果优良。结合拟合曲线,不难发现,干湿循环的劣化影响大于普通化学硫酸盐侵蚀,应力比0.2的持续轴压荷载对硫酸盐侵蚀下砂浆的抗压强度劣化影响较小,应力比0.4的持续轴压荷载会显著加速砂浆抗压强度的劣化速度。

图5 各侵蚀环境下砂浆抗压强度变化及其拟合结果Fig.5 Variation and fitting results of mortar’s compressive strength under different erosion conditions

表5 抗压强度经验公式的拟合参数和R2Table 5 Fitting parameters and R2 of empirical formula for compressive strength

对方程(3)求导可知,2at+b对抗压强度随侵蚀时间的劣化速率起控制作用,且参数a在抗压强度退化过程中起主要作用。对比GS、ACS-1、ACS-2三种工况下a和b的取值,可以发现随着持续轴压荷载应力比的增大,b值按比例减少,而a值在低应力比时几乎不变,当应力比超过某个值后才会出现数值的折减。可以认为,b值的大小体现了荷载施加时的损伤影响,而a值则体现了持续荷载作用下的持续损伤劣化影响。

上述参数是基于本研究的结果,为说明二项式函数的适用性,表6列举了其他研究[2、8、18-20]中的一些拟合参数,并绘制对应的拟合曲线如图6所示,可见采用二项式函数拟合的效果较好,本文提出的经验方程可以推广到实际应用中,具有较高的参考价值。

图6 其他研究中的拟合曲线Fig.6 Fitting curves in other studies

表6 参考文献中抗压强度经验公式的拟合参数[2,8,18-20]Table 6 Fitting parameters of the empirical formulae of compressive strength in references[2, 8, 18-20]

3.5 微观劣化机理分析

图7为砂浆受硫酸盐侵蚀前的微观形貌,其微观结构完整密实,可见大量絮状水化硅酸钙凝胶,但内部存在初始缺陷,有少许微裂纹和孔洞。

图7 硫酸盐侵蚀前水泥砂浆SEM微观形貌Fig.7 SEM morphology of cement mortar before erosion

图8为不同工况砂浆受硫酸盐侵蚀360 d后的SEM微观形貌图像。受硫酸盐长期浸泡侵蚀的砂浆试样中观察到了大量针棒状钙矾石和少量的纤维状石膏,受硫酸盐干湿循环侵蚀的砂浆中观察到了大量的硫酸钠晶体,且在微裂缝和孔洞附近更多,证实了干湿循环中同时存在盐类结晶和膨胀产物生成2个过程,且前者以化学侵蚀为主,后者以物理侵蚀为主。由图8(c)和图8(d)可知持续轴压荷载作用下砂浆受侵蚀机理与长期浸泡相似,主要劣化机理均为生成大量短棒状钙矾石和纤维状石膏,但持续轴压荷载作用显著改变了劣化进程。较高持续荷载作用下的砂浆内部微裂纹更多,孔洞周围十分密集,损伤尤为严重。应力比0.2和0.4持续轴压荷载作用下砂浆受侵蚀360 d后的膨胀产物产量接近,但较高荷载作用下损伤更为严重且产物更多。对比4种侵蚀条件下砂浆试样受侵蚀1 a后的微观形貌,侵蚀损伤程度为:ACS-2>ACS-1>DWS>GS,与宏观损伤劣化结果一致。

图8 硫酸盐侵蚀360 d后砂浆的SEM图像Fig.8 SEM images of cementitious mortar after 360 days of sulfate corrosion

(1)无荷载作用工况:砂浆受硫酸盐侵蚀后的性能劣化规律一致,但干湿循环作用明显加速损伤,使砂浆更早达到性能峰值。长期浸泡的砂浆质量变化率持续增长,最高达0.55%;干湿循环的砂浆质量持续增长至峰值(1.87%)后持续衰减,最大衰减量为1.61%。砂浆的线膨胀率始终增长,最高增长0.43%,抗压强度增长至峰值(16.93%)后开始衰减, 360 d的衰减率为12.89%。

(2)持续轴压荷载作用工况:砂浆边角部破坏剥落、裂缝交错,表面存在起壳脱落现象。较高持续轴压荷载能显著增加砂浆的劣化速度,且其影响远大于干湿循环;较低持续轴压荷载早期增强砂浆抗硫酸盐侵蚀能力,但侵蚀后期加剧硫酸盐侵蚀。应力比为0.2和0.4的持续轴压荷载工况下受硫酸盐侵蚀360 d后的砂浆,质量增长率分别达4.10%和6.12%,最大衰减量分别达0.62%和3.99%,线膨胀率分别达0.46%和0.67%,衰减量分别达0.17%和0.72%,抗压强度损失率分别达29.63%和40.72%。

(3)长期浸泡与干湿循环的侵蚀机制不同,前者以化学侵蚀为主,后者以结晶盐物理侵蚀为主。化学侵蚀产物主要为钙矾石和石膏等膨胀产物,累积聚集后导致砂浆内部缺陷增多和性能劣化;物理侵蚀产物主要是硫酸盐结晶,干湿循环会加剧物理侵蚀。持续轴压荷载不影响侵蚀机制,但显著影响侵蚀进程。持续轴压荷载使砂浆产生更多微观裂缝,严重损伤砂浆的微观结构,加快了化学侵蚀,导致宏观性能的快速劣化。

(4)二项式函数能够很好地描述受硫酸盐侵蚀砂浆的抗压强度劣化规律,但经验公式的参数取值受很多因素的影响,取值应根据实际情况而定。

本研究成果可以为水工结构的耐久性评价与结构的保护层设计提供指导和支撑。此外,配合比、循环制度、荷载形式等因素也值得开展研究。

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