軸壓與硫酸鹽耦合作用下混凝土強度劣化機理

逯靜洲， 田立宗， 童立強， 劉 瑩， 朱孔峰

(煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264005)

硫酸鹽侵蝕是導致混凝土結構性能劣化和服役壽命縮短的主要因素之一.早期研究成果主要關注混凝土在硫酸鹽單一因素影響下的性能劣化及其機理，但任何混凝土結構在承受外荷載的同時都經歷著環境作用，因此需要考慮二者的耦合作用.在荷載與硫酸鹽耦合作用下，混凝土損傷機理更為復雜.Schneider等[1]研究了硫酸鹽侵蝕與持續壓荷載或彎曲荷載耦合作用下混凝土的力學性能.余振新等[2]采用環境掃描電鏡(ESEM)觀察了混凝土微觀結構演變過程，研究了彎曲荷載-干濕交替-硫酸鹽三因素耦合作用下的混凝土損傷劣化過程.曹健[3]研究了軸壓荷載下硫酸鹽侵蝕與干濕循環耦合作用對混凝土長期性能的劣化規律.Tan等[4]研究了混凝土在彎曲荷載與硫酸鹽耦合作用下的劣化.目前，關于硫酸鹽侵蝕與彎曲荷載耦合作用下混凝土損傷機理研究得比較完善，但關于硫酸鹽侵蝕與軸壓荷載耦合作用下混凝土的損傷機理研究還不夠充分.混凝土界面過渡區(ITZ)屬于薄弱區域，對混凝土的各種性能有關鍵性的影響[5].Qi等[6]研究發現，在硫酸鹽侵蝕與干濕循環作用下，界面過渡區存在明顯的微裂縫.Liu等[7-8]通過微觀分析發現，浸泡在硫酸鈉溶液中的混凝土，其基體中界面過渡區最先、最容易受到硫酸鹽侵蝕破壞.綜上，混凝土力學性能劣化的本質是其基體微觀結構的劣化，但目前關于荷載和環境直接耦合作用下混凝土力學性能劣化機理的理論和試驗研究還相對較少，因此有必要研究在軸壓荷載與硫酸鹽侵蝕耦合作用下混凝土強度劣化的微觀機理.

本文在考慮軸壓荷載和硫酸鹽侵蝕耦合作用的同時，也考慮荷載卸載這一重要因素，進行了混凝土抗壓強度的劣化試驗研究，并運用微觀方法分析混凝土界面過渡區微觀結構演變過程，對混凝土在荷載與硫酸鹽侵蝕直接耦合作用下力學性能劣化機理進行深入的試驗研究.

1 試驗設計

1.1 試件制作

水泥采用冀東牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用顆粒級配良好的中砂，細度模數為2.8；粗骨料采用二級配、最大粒徑為20mm的碎石，強度等級為一級；拌和水為自來水.按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》設計混凝土配合比m(水)∶m(水泥)∶m(中砂)∶m(碎石)=215∶478∶547∶1163.試件采用邊長為100mm的立方體試件，標準養護28d后，再自然放置90d，然后進行試驗.

1.2 試驗方法

軸壓加載試驗采用NELD-CS710型混凝土徐變儀及配套設備，以15d為1個侵蝕周期，其中加載12d，卸載3d.軸壓應力比取0%，15%，30%和45%，硫酸鈉溶液濃度(質量分數，下同)取0%，5%和10%.試驗共進行12個侵蝕周期，在第6個侵蝕周期(90d)和第12個侵蝕周期(180d)結束后，對試件進行單軸抗壓強度測試和微觀試驗，在抗壓強度測試前對試件進行減摩處理.

微觀試驗采用JSM-7610F型超高分辨熱場發射掃描電子顯微鏡進行SEM微觀形貌觀察和EDS能譜試驗，采用島津XRD -7000型X射線衍射儀進行組成分析.

以試件編號F15S10-90d為例說明編號含義：F15代表軸向應力比為15%，S10代表硫酸鈉溶液濃度為10%，90d代表浸泡齡期為90d，以此類推.

2 抗壓強度劣化分析

不同應力比、不同硫酸鈉溶液濃度作用下，混凝土抗壓強度隨侵蝕齡期的演變規律如表1所示.由表1可知，高應力比與硫酸鹽侵蝕耦合作用對試件抗壓強度的劣化促進作用較明顯.當應力比為45%時，硫酸鈉溶液濃度無論是5%還是10%，試件抗壓強度均隨侵蝕齡期延長呈現逐漸降低的趨勢.例如，在45%的應力比下，與侵蝕0d時相比，侵蝕180d時，試件抗壓強度分別降低了3.41MPa(F45S5-180d)和4.46MPa(F45S10-180d).當應力比較高時，硫酸鈉溶液濃度的影響居于應力比的影響之后，但仍可看出高濃度硫酸鈉溶液比低濃度硫酸鈉溶液對混凝土抗壓強度劣化具有更明顯的促進作用.原因是在高應力比的軸壓荷載作用下，試件處于塑性變形階段，內部產生大量的微裂縫，此時外部硫酸根離子更容易侵入試件內部使其產生損傷，即高應力比的軸壓荷載可加速硫酸鹽對混凝土抗壓強度的劣化.

表1 不同侵蝕齡期混凝土的抗壓強度Table 1 Compressive strength of concretes at different erosion ages MPa

由表1還可見：在低應力比(0%，15%，30%)作用下，在5%的硫酸鈉溶液中，試件抗壓強度隨著侵蝕齡期的延長呈現逐漸增加的趨勢；在10%的硫酸鈉溶液中，試件抗壓強度隨著侵蝕齡期的延長則呈現先增加后降低的趨勢.侵蝕180d時，試件抗壓強度仍較大，這可能是因為混凝土存在損傷閾值，當軸壓荷載未達到某限值時，硫酸鹽侵蝕的生成物對混凝土微裂縫有填充密實作用，因此試件抗壓強度未出現降低.受硫酸鹽侵蝕作用的試件，隨著侵蝕齡期的增加，由于侵蝕產物的填充密實作用，抗壓強度呈現緩慢增加的趨勢.硫酸鹽侵蝕與軸壓荷載耦合作用下，當應力比為15%時，硫酸鹽侵蝕產物與軸壓共同作用使試件更加密實，抗壓強度快速增加；當應力比為30%時，軸壓荷載使混凝土處于極密實狀態，抑制了硫酸根的侵入，減少了侵蝕產物的產生，從而侵蝕產物對試件內部的填充密實作用減小，表現為抗壓強度增加較慢.應力比為30%的軸壓荷載與5%硫酸鈉溶液耦合作用對混凝土抗壓強度劣化的抑制作用更明顯，宏觀表現為試件抗壓強度增長變慢.應力比為30%時，試件處于彈性受壓階段，混凝土被壓實且未產生塑性微裂縫，抑制了硫酸根離子向其內部的傳輸，從而抑制了硫酸鹽侵蝕造成的強度損傷；受硫酸鹽侵蝕的試件，硫酸根離子由表及里逐漸侵入，侵蝕產物使試件內部逐漸變密實，抗壓強度逐漸增加.而當硫酸鈉溶液濃度為10%時，侵蝕產物對試件內部的孔洞、微裂縫有填充作用，表現為試件抗壓強度增加.隨著侵蝕齡期的延長，侵蝕產物的膨脹應力會使混凝土內部孔結構遭到破壞、微裂縫擴展，導致其抗壓強度逐漸降低.

3 微觀劣化機理分析

3.1 混凝土初始微觀形貌

混凝土試件F0S0-0d微觀結構的SEM形貌特征和界面過渡區的能譜圖分別示于圖1(a)和圖2(a).由圖1(a)可知，粗骨料表面凹凸不平且存在初始缺陷，界面過渡區存在明顯的帶狀凹槽，骨料與水泥漿體的黏合性較好，界面過渡區無初始微裂縫.通過圖2(a)和混凝土試件F0S0-0d的XRD圖譜(圖3(a))可知，未受硫酸鈉溶液侵蝕的混凝土試件界面過渡區的主要成分是石英、氫氧化鈣和碳酸鈣等.圖2(a)中出現鉑元素是因為試件采用離子濺射鉑金作為導電鍍層.

3.2 軸壓應力比對微觀結構的影響

為研究軸壓荷載對混凝土微觀結構的損傷劣化影響，對相同侵蝕時間、相同濃度硫酸鈉溶液，不同應力比作用下的混凝土微觀結構的劣化發展進行分析，各試件的SEM照片見圖1.

由圖1可知，隨著應力比的增大，侵蝕齡期為90d時，界面過渡區已出現微裂縫，且微裂縫呈不同劣化的趨勢；侵蝕齡期為180d時，界面過渡區微裂縫逐漸發展為沿界面過渡區分布的多條相互貫通的微裂縫.由圖1還可以看出，界面過渡區的劣化程度呈現先減小后增大的趨勢，在應力比為30%時界面過渡區劣化程度最輕，當應力比為15%時界面過渡區的損傷稍大于應力比為30%時，而當應力比為45%時界面過渡區的損傷劣化最為嚴重.如侵蝕180d后，試件F15S10-180d和F30S10-180d界面過渡區的微裂縫寬度分別為2.0，1.5μm，試件F45S10-180d界面過渡區則形成寬5.0μm左右的貫通微裂縫.

這很好地解釋了在不同應力比與10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件抗壓強度隨侵蝕齡期的演化規律.由表1可知，試件F15S10-180d和F30S10-180d的抗壓強度分別為35.51,34.85MPa，二者比較接近，這是因為二者界面過渡區的劣化情況較為相近.在整個侵蝕齡期中，界面過渡區在低應力比(15%，30%)作用下的劣化程度較輕，應力比對混凝土的性能影響不明顯；非界面過渡區的侵蝕產物在侵蝕前期對微觀結構有填充密實作用，所以試件的抗壓強度呈現先增后降的趨勢.而在高應力比(45%)與10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件的抗壓強度呈現出顯著劣化.這是因為在45%應力比和10%硫酸鈉溶液耦合作用下試件界面過渡區顯著劣化，因此對混凝土性能影響顯著，如試件F45S10-180d的抗壓強度相比試件F45S10-0d降低了4.46MPa.

圖1 試件SEM照片Fig.1 SEM images of specimens

從圖1(c)，(f)，(g)，(i)中可以看到，混凝土微觀結構表面、界面過渡區的外邊緣及內部均生成1層白色產物，呈纖維狀和簇狀分布.通過XRD和EDS能譜儀對該白色產物進行分析，結果分別見圖2(b)和圖3(b)，(c)，(e).結合晶體的形貌特征，可確定該白色產物為鈣礬石.同時由圖3(b)可知，試件F30S10-90d的小孔洞和微裂縫中生成了少量的鈣礬石.由圖2(b)和圖3(c)可知，試件F30S10-180d的小孔洞和微裂縫中有較多的鈣礬石生成，同時有新物質石膏產生.由圖1(i)和圖3(e)可知，試件F45S10-180d的小孔洞和微裂縫中已有大量的鈣礬石和石膏同時出現.

研究結果表明，界面過渡區劣化的原因主要有微區泌水效應，軸壓荷載作用，微裂縫端部的應力集中作用，以及鈣礬石、石膏等產物的膨脹作用.在試件澆筑過程中，由于混凝土各組分的密度不同，在重力作用下會出現內分層現象，粗骨料表面的下方更容易形成水囊泡，成為微泌水區，在軸壓作用下更容易形成界面微裂縫.混凝土中的粗骨料與漿體的剛度不同，在軸壓荷載作用下容易產生變形差，從而形成微裂縫；粗骨料與漿體的黏結力顯著小于漿體及粗骨料的抗拉強度，因此在軸壓荷載作用下界面過渡區容易產生微裂縫；同時，界面過渡區生成大量具有膨脹性的鈣礬石和石膏物質致使其微裂縫進一步劣化.

圖2 試件EDS譜Fig.2 EDS spectrum of specimens

圖3 試件XRD譜Fig.3 XRD patterns of specimens

3.3 硫酸鈉溶液濃度對微觀結構的影響

當侵蝕齡期、軸壓荷載的應力比相同時，硫酸鈉溶液濃度對混凝土微觀結構的劣化影響規律如圖1(e)，(f)，(h),(i)所示.對比可以看出，在相同侵蝕齡期、相同應力比下，隨著硫酸鈉溶液濃度的增加，界面過渡區微裂縫寬度逐漸增大，微裂縫逐漸發展為沿界面過渡區分布的多條相互貫通的裂縫.例如：試件F15S5-180d和F15S10-180d的界面過渡區微裂縫寬度分別為1.5～2.0，2.0μm；試件F45S5-180d 界面過渡區形成寬度為4.0μm左右的貫通微裂縫；試件F45S10-180d界面過渡區形成5.0μm左右的交叉貫通微裂縫；試件F45S5-180d界面過渡區還生成了板狀和短柱狀的晶體物質.對比分析可知，硫酸鈉溶液濃度為10%時對試件界面過渡區劣化發展的促進作用更為顯著.

這很好地解釋了混凝土在不同應力比與不同濃度硫酸鈉溶液耦合作用下抗壓強度隨侵蝕齡期的演化規律.由表1可知：試件在低應力比(15%，30%)的軸壓荷載作用下，當硫酸鈉溶液濃度為5%時混凝土抗壓強度隨侵蝕齡期增加呈現逐漸增加的趨勢，此時界面過渡區的損傷較輕，非界面過渡區中侵蝕產物的填充密實作用對混凝土性能的影響顯著；當硫酸鈉溶液濃度為10%時混凝土抗壓強度隨侵蝕齡期增加呈現先增后降的趨勢，這是因為在侵蝕前期非界面過渡區的侵蝕產物對孔洞和微裂縫有填充密實作用，在侵蝕后期非界面過渡區的孔洞和微裂縫則因侵蝕產物的膨脹作用而逐漸劣化.在高應力比(45%)與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土抗壓強度呈現顯著劣化趨勢，且硫酸鈉溶液濃度為10%時混凝土損傷更為嚴重.這是因為侵蝕產物對非界面過渡區的填充密實作用影響較小，而界面過渡區的劣化損傷嚴重，對混凝土的性能影響顯著.

3.4 侵蝕齡期對微觀結構的影響

由圖1還可看出，當硫酸鈉溶液濃度相同、軸壓荷載的應力比也相同時，隨著侵蝕齡期的增加，侵蝕產物鈣礬石和石膏的量逐漸增加，界面過渡區微裂縫的寬度逐漸增大，微裂縫逐漸發展為沿界面過渡區分布的多條相互貫通的微裂縫，劣化呈現逐漸加重的趨勢.例如，試件F45S5-90d和F45S5-180d的界面過渡區分別形成寬度為2.5，4.0μm的貫通微裂縫.相比侵蝕齡期90d，侵蝕齡期為180d的試件微觀結構損傷更為嚴重，界面過渡區微裂縫外邊緣和內部產生的鈣礬石量更多.

綜合分析可知，在軸壓荷載與硫酸鹽溶液直接耦合作用下，隨著侵蝕齡期的增加，鈣礬石或石膏對界面過渡區微裂縫的填充密實作用不明顯，界面過渡區微裂縫呈現劣化逐漸加重的趨勢，這與文獻[9-10]中混凝土微觀劣化過程的兩階段不同.在高應力比(45%)的軸壓荷載與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土的抗壓強度隨侵蝕齡期增加而呈現逐漸降低的趨勢，這說明鈣礬石和石膏等膨脹性產物對非界面過渡區的孔洞和微裂縫有填充作用，該作用對混凝土性能影響不明顯，而界面過渡區的劣化發展對混凝土性能劣化有顯著促進作用.在低應力比(15%，30%)的軸壓荷載與硫酸鈉溶液耦合作用下，混凝土的抗壓強度在侵蝕前期呈現逐漸增大的現象，這說明低應力比的軸壓荷載對混凝土界面過渡區微裂縫前期劣化的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產物對混凝土抗壓強度的影響更為顯著，這與文獻[9-10]中混凝土的微觀劣化過程相對應.

4 結論

(1)高應力比(45%)的軸壓荷載會使混凝土產生塑性損傷，從而加速了硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用，試件抗壓強度隨著侵蝕齡期的增加而逐漸降低；30%及以下應力比的軸壓荷載使混凝土產生彈性壓縮變形，從而抑制了硫酸鈉溶液向混凝土內部的傳輸，因此對混凝土強度的劣化產生了抑制作用.

(2)在軸壓荷載與硫酸鈉溶液直接耦合作用下，高應力比(45%)的軸壓荷載對混凝土界面過渡區的劣化發展有顯著促進作用；低應力比(15%，30%)的軸壓荷載對界面過渡區劣化發展的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產物由于其對非界面過渡區孔洞和微裂縫的填充作用，因此對非界面過渡區的密實作用影響更為顯著.

(3)在高應力比軸壓荷載與硫酸鈉溶液直接耦合作用下，隨著侵蝕齡期的增加，混凝土界面過渡區的微觀結構劣化逐漸加重；低應力比軸壓荷載對混凝土界面過渡區微裂縫前期劣化的影響不明顯，而鈣礬石和石膏等膨脹性產物的填充作用對混凝土抗壓強度的影響更加明顯.

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