短期化學腐蝕作用下混凝土表面物理性能的變化

王長榮

(1 酒泉職業技術學院建筑工程系，甘肅 酒泉 735000)

在研究混凝土表層物理性能的方法中，回彈法和表層滲透性能測定法已得到了廣泛的應用，但是這些應用都有一定的缺陷：回彈法只能應用于普通強度等級的混凝土，并且由于誤差太大，只能對混凝土進行定性的判定；表層滲透法容易受混凝土密實程度、環境溫度濕度的影響，其應用都有一定的局限。在評判材料表面物理性能的研究方法中，沖擊球壓法以便于操作、解析理論精確等特點備受重視，目前已成功應用于脆性材料及金屬材料的彈塑性變性特征等領域[3-5]，但是在混凝土工程中的應用屈指可數：文獻[6]利用沖擊球壓方法和恢復系數的物理意義研究了噴射混凝土的噴射成功概率；文獻[7]利用沖擊球壓方法，結合等效沖擊[8]的概念研究了混凝土材料在小能量沖擊作用下的損傷破壞現象；文獻[9]研究了混凝土在顆粒沖擊作用下局部損傷的機制，但是利用沖擊球壓技術評價混凝土受腐蝕破壞的研究尚未見報道。本文利用沖擊球壓方法研究了短期化學腐蝕下混凝土表面的物理性能及變化特征，擬建立一種可快速、敏銳評價混凝土表面受短期腐蝕作用而變化的測試方法。

1 理論背景

假設一個質量為m、彈性模量與泊松比分別為E1 和v1的小球垂直地沖向彈性模量和泊松比分別為E 和v的平面上，接觸瞬間小球相對于平面的臨界速度為vin，材料受到的最大荷載F 與產生的最大損傷半徑a 表示為[10]：

對于任何材料而言理論半徑a 永遠小于實測半徑r，因此符合式(3)關系的情況是不存在的，在實際研究中，往往采用打磨拋光等措施降低二者之間的誤差；此外，由于沖擊過程中壓痕損傷區的復雜變化，r 值在一般情況下略微偏大。假設沖擊結束后材料彈性變形完全恢復，殘余的損傷區相當于沖擊最終產生的損傷。在對材料進行迅速、敏銳地檢測時這種假設是可行的。因此損傷區的體積可表示為：

由能量守恒的原理可知，球頭接觸平面時的動能Uk 在沖擊中轉化為使材料發生彈塑性變化的變形能UE、UP 和彈性波的振動擴散以及極少量的熱能[11]，根據Hutchings[12]的研究，彈性波振動擴散的能量大概占總能量的1%～4%，可以將其忽略不計，因此沖擊過程中各組分的能量遵循[13]：

沖擊結束后彈性變形能使球頭發生速度為vout的回跳[14]，即：

結合式(1-7)，得到動態硬度和恢復系數的表達為

由式(8-9)可知，動態硬度和恢復系數分別定義了一定能量下材料抵抗塑性變形和發生彈性恢復的能力，反映了材料表面彈塑性力學特征。上述公式中出現的物理量除半徑r需要測量之外，其他物理量均為已知、或可由傳感器讀出，因此只要對r 進行精確的測量，就可以方便地評價巖石材料表面的彈塑性力學特征。

2 試驗材料與方法

混凝土強度等級為C80，28 天抗壓強度為86.2MPa，配合比見表1，采用100mm×100mm×100mm的模具成型。為了保證混凝土強度的順利發展，拆模后將混凝土置于標準養護室養護56 天，之后分為兩組，一組置于標準養護室繼續養護，另外一組置于HNO3和5%質量分數的(NH4)2SO4混合溶液中(pH=2.54)，以浸泡3 天105℃干燥1 天為1個循環，3個循環構成1個周期。每個循環結束后測量溶液pH 值并利用HNO3重新將溶液酸度調整至2.54，每個周期結束后對其進行抗壓強度和沖擊球壓試驗。

表1 混凝土配合比

沖擊球壓裝置為自己設計，設備原理見圖1。其中，球頭材料為碳化鎢，彈性模量和泊松比分別為600GPa 和0.15，為了降低樣品邊緣和測點間距所帶來的測試影響，對測點位置進行了規范的布置（圖2）：測點距樣品邊緣＞1cm，測點間距＞2cm。沖擊過程中的荷載通過傳感器精確測定；試驗結束后，利用日產VHX-600E 型超景深顯微鏡對損傷半徑進行測量。

圖1 沖擊球壓裝置

圖2 測點布置

3 試驗結果與討論

3.1 腐蝕時間對沖擊荷載—時間關系的影響

圖3 給出了不同腐蝕周期下混凝土在一次沖擊荷載作用下沖擊荷載與沖擊時間的變化曲線。從圖中可以看出，隨著腐蝕行為的進行，短期內混凝土沖擊荷載—時間曲線輪廓沒有什么變化，這說明短期的腐蝕不會對混凝土表層以下的結構產生明顯的破壞。注意到卸載結束時此關系的變化，可以發現球頭并非以0 荷載的形式離開混凝土表面，而是伴隨有不同程度的振蕩，這種振蕩特性隨著腐蝕時間的不同而不同；另外，觀察荷載峰值也可以發現類似的不同。為了清晰地觀察這一現象，現將兩區域放大后的曲線關系列于圖4、圖5。

圖3 沖擊荷載—時間關系曲線

由圖（4-5）可知，隨著腐蝕時間的增加，混凝土的峰值變化是較為類似的，而球頭所能達到的峰值荷載卻是逐漸降低的；應用于本試驗中的數據均是在相同高度下落的條件下所記錄，因此，混凝土的峰值變化說明了表層腐蝕的存在性和腐蝕時間依賴性。對球頭脫離混凝土表面瞬間的沖擊荷載——時間曲線分析表明，隨著腐蝕行為的進行，卸荷過程中受沖擊混凝土區域反作用于球頭的沖量也逐漸降低；沖擊過程中球頭使混凝土局部區域發生彈塑性變形，由于塑性變形基本無法恢復，而彈性變形在卸載過程中基本發生完全恢復，此時產生彈性恢復的能量主要轉化為球頭離開表面時的沖量；因此腐蝕行為的進行會降低混凝土表面的彈性。

圖4 沖擊荷載—時間關系(峰值)

圖5 沖擊荷載時間關系(卸載)

為了進一步說明這個關系，將沖擊荷載—壓痕尺寸關系列于圖6。從圖6 可知，在本試驗范圍內的混凝土沖擊荷載—壓痕尺寸關系近似呈現雙線性；不論腐蝕時間多長，混凝土總是在度過某一臨界荷載后荷載不再隨著壓痕尺寸的增加而明顯增加，但是臨界荷載以內的沖擊荷載—壓痕尺寸斜率卻隨著腐蝕的進行而降低。這種現象一方面說明了短期腐蝕不會改變混凝土表層以下的物理性能，另一方面追蹤到了混凝土表層物理性能隨腐蝕的進行而逐漸劣化的現象。

圖6 沖擊荷載—壓痕尺寸關系

3.2 腐蝕時間對溶液pH 值和抗壓強度比的影響

隨著腐蝕的進行，混凝土的堿性組分不斷被溶液中的H+和NH4+所消耗，溶液pH 值遠遠大于初始值(圖7)，從圖7 中可以發現，最初的循環結束時溶液pH 值變化最為劇烈，而后的變化基本趨于平衡，這說明了H+和NH4+一開始就造成了混凝土表面組分的大量溶蝕，隨著腐蝕的進行，表面組分的溶蝕程度有所降低。

對相同齡期下受腐蝕和標準養護的混凝土抗壓強度比進行分析可知(圖8)，短期腐蝕不會對混凝土整體性能造成破壞。處于腐蝕溶液中的混凝土短期內表面會受到破壞，而溶液中大量的水份卻可以滿足混凝土內水泥水化反應的需求，在腐蝕破壞的速率低于水泥水化反應的速率時，抗壓強度比不具備精確追蹤混凝土腐蝕程度的時效性。

圖7 溶液pH 值變化

圖8 抗壓強度比

3.3 腐蝕時間對混凝土表層動態硬度和恢復系數的影響

通過上文的分析可知，宏觀物理性能不能準確地表征短期腐蝕下混凝土遭受破壞的程度，而腐蝕溶液pH 值的變化特性只能應用于實驗室的連續追蹤，在實際情況中，混凝土遭受化學腐蝕破壞并非全部以可見溶液為介質。為此，結合上文所述的公式，在相同荷載水平下得到了不同腐蝕時間下混凝土動態硬度和恢復系數的近似值(圖9)。在這里必須要說明的是，動態硬度和恢復系數不是材料固有的參數，它會隨著材料的宏觀性能、沖擊荷載等因素的變化而迅速變化，本文對混凝土動態硬度和恢復系數的定量化是建立在荷載與沖擊高度基本相同的前提下。由圖9 可知，隨著腐蝕的進行，混凝土表層的動態硬度和恢復系數均下降了，且在第二個腐蝕周期之前下降的程度最明顯，由于動態硬度和恢復系數分別代表了材料表面在動荷載作用下抵抗局部塑性變形的能力和彈性損耗的特性，因此隨著腐蝕的進行，混凝土表面不但抵抗塑性變形的能力減弱了，而且彈性特性也發生了嚴重的降低。

圖9 動態硬度和恢復系數

4 結論

通過對混凝土進行短期腐蝕的試驗，可以得到如下結論：

(1)由沖擊荷載—時間關系曲線可知，沖擊結束后球頭離開混凝土表面瞬間所儲存的能量隨著腐蝕時間的增加而減小；

(2)由沖擊荷載—壓痕尺寸關系可知，在限定高度的條件下，混凝土沖擊荷載—壓痕尺寸關系特性表現為雙線性，這一特性在短期內不會隨著腐蝕的進行而改變，但是在荷載臨界值之前曲線的斜率隨著腐蝕的進行而逐漸降低；

(3)隨著腐蝕的進行，混凝土的動態硬度、恢復系數逐漸降低，并且降低的趨勢在腐蝕前期最為劇烈，因此，研究混凝土早期的腐蝕變化對混凝土深層次的腐蝕破壞有重要意義。

(4)抗壓強度比不能對短期腐蝕條件下混凝土破壞的程度進行表征，溶液pH 值的變化無法使用于所有混凝土工程，而沖擊球壓法可以對混凝土短期內的腐蝕破壞程度進行敏感、精確的表征，因此，通過沖擊球壓法可以方便、快捷地確定出混凝土在腐蝕過程中表面物理性能的變化。

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