沖擊荷載下鹽腐蝕水泥砂漿接觸損傷研究

郝贠洪，韓 燕，樊 磊，樊金承，楊曉明

(1.內蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業(yè)大學 內蒙古自治區(qū)土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051)

水泥凝膠材料作為主要的基礎工程材料，已被廣泛應用于各國鐵路、公路橋梁中。隨著我國鐵路混凝土橋梁修建數(shù)量的增加和混凝土橋梁使用時間的延長[1]，水泥凝膠材料的耐久性得到廣泛關注。由于水泥凝膠材料內部存在初始微裂紋和缺陷，當環(huán)境中存在腐蝕介質時，材料內部缺陷將進一步發(fā)展且表面的物理性能下降，加上服役過程中風沙等固體顆粒介質對混凝土道路和橋梁表面的沖擊接觸，構件表面會產生沖擊小坑和微裂紋，即可變形固體相互接觸時在接觸區(qū)發(fā)生接觸損傷。在物理和化學侵蝕循環(huán)作用下，混凝土表面損傷區(qū)擴展并合，最終導致結構失效[2]，嚴重影響基礎設施的耐久性和安全性。

隨著接觸理論的迅速發(fā)展，國內外對脆性材料接觸損傷的研究取得一定進展，沖擊球壓法作為一種新型表征材料表面損傷的檢測方法也得到廣泛關注。文獻[3]系統(tǒng)研究巖石和混凝土在固體顆粒沖擊下材料的接觸損傷機制以及微裂紋擴展導致的界面損傷。文獻[4]研究顆粒介質與玻璃涂層的接觸損傷，通過試驗與有限元模擬結合的方法對玻璃涂層表面的裂紋擴展路徑進行對比分析。文獻[5]通過碳化鎢顆粒對碳化硅圓柱形靶體的沖擊試驗，劃分材料內部應力區(qū)，并對材料不同應力區(qū)內部的斷裂模式進行全面分析。文獻[6]對球壓法在線評價脆性材料的強度特性和殘余應力進行研究。文獻[7]應用球壓法評價巖石與混凝土在顆粒沖擊下的接觸損傷特性。

目前水泥凝膠材料的損傷失效研究多集中于大能量破壞性荷載與鹽腐蝕環(huán)境雙因素耦合作用下材料的耐久性和抗凍性[8-10]，對于鹽腐蝕環(huán)境下，水泥砂漿材料受小能量顆粒介質沖擊的接觸損傷研究還鮮見報道。本文基于Hertz接觸理論，采用沖擊球壓法評價不同腐蝕環(huán)境下水泥砂漿表面的沖擊損傷程度，通過沖擊荷載-壓痕尺寸圖、表面力學性能變化和表面壓痕形貌，分析砂漿在物理、化學介質侵蝕下表面損傷失效規(guī)律、特點及損傷的疊加效應。

1 試驗概況

1.1 試驗原理

假定一個質量為m、半徑為R、彈性模量為E′、泊松比為ν′的剛性球體與一個彈性模量為E、泊松比為ν的彈性半空間體接觸，如圖1所示。

圖1 沖擊球壓模型

根據(jù)Hertz接觸理論，可將沖擊模型視為剛性球體與彈性半空間體的接觸，簡化為圖1。在沖擊荷載作用下，材料表面的接觸點法向垂直荷載最大值為

(1)

(2)

試樣表面接觸圓的半徑為

(3)

在沖擊過程中，水泥砂漿試樣的動態(tài)硬度值可體現(xiàn)不同材料抵抗變形的能力，動態(tài)硬度值Hd計算公式為

(4)

式中：r為實測壓痕值半徑；F為沖擊荷載值；ξ=ar。沖擊前球頭的所有能量為動能，沖擊結束后球頭能量主要轉化為材料的彈性變形能和塑性變形能，恢復性系數(shù)e體現(xiàn)了沖擊過程中能量的轉換，即回跳能量Ue占總能量Uk的比例

(5)

(6)

1.2 試樣制備

砂漿試樣采用強度42.5的普通硅酸鹽水泥和細度模數(shù)為3.0的天然砂。砂漿試樣尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，采用標準抗壓模具成型，試樣配合比見表1，水泥砂漿成品強度為M30，將標準養(yǎng)護28 d后的試樣作為初始試樣進行試驗，分別放入標準養(yǎng)護室、5% NaCl溶液、5% Na2SO4溶液和5% NaCl與Na2SO4混合溶液中養(yǎng)護至56 d。

表1 砂漿配合比

1.3 試驗方法及設備

試樣養(yǎng)護至56 d后，放入45 ℃烘箱烘干24 h后進行沖擊試驗，沖擊試驗和荷載值讀取均通過自動球壓沖擊儀完成，如圖2所示。試樣表面損傷區(qū)壓痕值的測量和形貌損傷觀察采用LESTOLS4100型激光共聚焦顯微鏡進行掃描，如圖3所示。試驗共分為4組，每組共12個試樣，其中，6個為力學性能測量試樣，其余6個為沖擊試驗試樣。每個試樣的6個沖擊表面分別對應不同的沖擊高度，每個沖擊表面布置4個測點測量壓痕直徑，并取其平均值作為力學計算依據(jù)。

圖2 自動球壓沖擊儀

圖3 LESTOLS4100型激光共聚焦顯微鏡

沖擊儀器框架為門式結構，工作性能穩(wěn)定，沖擊采用自動升降方式；沖擊球頭為碳化鎢小球；采用輪輻式?jīng)_擊荷載傳感器，荷載值控制在0.5～10 kN，最大沖擊高度可達20 cm，每厘米沖擊力為0.2 kN，試樣沖擊點位置通過手輪控制；數(shù)據(jù)采集由計算機軟件控制，可實時記錄沖擊荷載值，也可通過該軟件進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

2 試驗結果分析

2.1 鹽浸試樣損傷劣化分析

2.1.1 鹽浸試樣表觀形貌

試樣在標準養(yǎng)護條件和不同鹽腐蝕溶液中養(yǎng)護至56 d后，砂漿試樣表面宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知，與標準養(yǎng)護的砂漿試樣相比，單鹽和混合溶液中的砂漿試樣表面有不同程度的泛白區(qū)域，但總體各組試件破壞較緩慢。在不同條件下養(yǎng)護56 d后，由圖4(a)可知，NaCl溶液中的砂漿試樣與標準養(yǎng)護試樣相比，表面雖有小范圍的泛白，但無明顯的破壞損傷，腐蝕程度較輕；圖4(b)Na2SO4溶液中砂漿試樣的表面腐蝕在4組試樣中最嚴重，表面泛白區(qū)域最大，且分布著較多不規(guī)則微裂紋，棱角部位因強度低存在少量細碎剝落，表皮小孔及縫隙中有少量鹽分堆積；混合溶液中的砂漿試樣表面泛白區(qū)域小于Na2SO4溶液中砂漿試樣，腐蝕程度介于NaCl溶液和Na2SO4溶液之間。

(a)標準養(yǎng)護試樣和5% NaCl溶液中試樣

(b)5% Na2SO4溶液中試樣和5%混合溶液中試樣圖4 砂漿試樣表面宏觀形貌

2.1.2 鹽浸試樣微觀結構

(a)5% NaCl溶液中砂漿試樣

(b)5% Na2SO4溶液中砂漿試樣

(c)5%混合溶液中砂漿試樣圖5 鹽腐蝕砂漿試樣微觀形貌

圖6 砂漿試樣X射線衍射圖

2.2 沖擊荷載-壓痕尺寸關系

(a)標準養(yǎng)護砂漿試樣

(b)5% NaCl溶液中砂漿試樣

(c)5% Na2SO4溶液中砂漿試樣

(d)5%混合溶液中砂漿試樣圖7 試樣沖擊荷載-壓痕尺寸關系

2.3 試樣表面力學性能

表2為56 d期齡砂漿試樣抗壓強度及劈裂抗拉強度值。由表2可知，應用傳統(tǒng)方法測量砂漿試樣力學性能時，4種試件強度變化不大，且抗壓強度和劈裂抗拉強度不能用于評價試樣表面的力學性能，所以表面腐蝕程度仍難以確定。水化反應的進行使混凝土的宏觀力學性能有小幅度上升，但是由于腐蝕和沖擊損傷僅發(fā)生在試樣表面，也不能將抗壓強度和劈裂抗拉強度作為評價混凝土腐蝕表面力學性能的指標。因此，在一定條件下，可應用沖擊球壓理論計算動態(tài)硬度值和恢復性系數(shù)，動態(tài)硬度和恢復性系數(shù)雖不是材料固有屬性，但這兩個系數(shù)隨材料服役環(huán)境條件的改變而變化，可對同種材料受不同鹽溶液微小腐蝕作用后表面力學性能的變化進行對比分析。

表2 56 d砂漿試樣抗壓強度及劈裂抗拉強度

圖8為砂漿試樣在相同荷載作用下的動態(tài)硬度值和恢復性系數(shù)。砂漿試樣動態(tài)硬度值不同，體現(xiàn)了試樣表面密實度的差異，即受顆粒介質沖擊時抵抗壓入變形(抗塑性變形)能力的強弱[13]。恢復性系數(shù)反映了材料在沖擊荷載作用下的彈性恢復能力和沖擊過程中的能量轉換能力。對顆粒介質沖擊磨損的研究中，采用材料的動態(tài)變形抗力和動態(tài)變形特性分析磨損過程比通過靜態(tài)參量分析更符合實際。由圖8(a)可知，由于標準養(yǎng)護砂漿表面未被腐蝕，試樣表面塑性變形較小，所以試樣動態(tài)硬度值最大；Na2SO4溶液中試樣生成的膨脹產物(鈣礬石)充滿孔隙并產生膨脹拉應力，在沖擊荷載作用下，試樣表面變形較大，動態(tài)硬度值最小；NaCl溶液中試樣雖有水化氯鋁酸鈣(擠壓孔隙并產生膨脹應力)生成，但含量較小，膨脹性也小于鈣礬石，所以NaCl溶液中試樣塑性變形較小，動態(tài)硬度值接近標準養(yǎng)護試樣；混合溶液中試樣含有水化氯鋁酸鈣和鈣礬石兩種產物，但兩者含量均小于其單鹽溶液中試樣，所以動態(tài)硬度值介于Na2SO4溶液中試樣和NaCl溶液中試樣之間。圖8(b)為4組砂漿試樣表面恢復性系數(shù)值，試樣表面抗壓入變形能力越強，試樣表面恢復性系數(shù)越大。根據(jù)侵蝕程度的不同，砂漿試樣表面的恢復性系數(shù)從大到小依次為標準養(yǎng)護、5% NaCl溶液中試樣、5% NaCl和Na2SO4混合溶液中試樣、5% Na2SO4溶液中試樣。

(a)試樣動態(tài)硬度值

(b)試樣恢復性系數(shù)圖8 試樣動態(tài)硬度值和恢復性系數(shù)

2.4 試樣沖擊壓痕形貌分析

2.4.1 試樣表面二維壓痕形貌分析

圖9為各砂漿試樣沖擊結束后的二維壓痕形貌，由PXS9-T三目連續(xù)體視顯微鏡觀測。砂漿試樣表面受損區(qū)均為圓球形凹陷。圖9(a)標準養(yǎng)護試樣表面壓痕損傷區(qū)較完整，邊緣突出試件表面，內部產生了較多微小徑向裂紋。圖9(b)5% NaCl溶液中試樣表面損傷區(qū)邊緣較粗糙，Cl-與水泥水化生成的膨脹性物質使壓痕四周由于沖擊拉壓應力共同作用擠出了較多細小顆粒，壓痕邊緣有剝落現(xiàn)象。圖9(c)Na2SO4溶液中砂漿試樣出現(xiàn)較大面積的損傷剝落，且壓痕周圍產生較多裂紋，膨脹性產物(鈣礬石)的生成導致砂漿抗塑性變形能力降低，試樣初始微裂紋與沖擊作用下的裂紋很容易成核，當切向荷載分量受到抑制時，這些裂紋會在背離接觸區(qū)域的方向發(fā)展，使壓痕邊緣突出試樣表面向上發(fā)展，這種現(xiàn)象會隨著深度增加迅速減弱，因此處于近表面位置的混凝土發(fā)生了剝落。圖9(d) 5% NaCl和Na2SO4混合溶液中的砂漿試樣表面壓痕損傷沒有Na2SO4溶液中嚴重，壓痕邊緣損傷剝落面積小于Na2SO4溶液中試樣，且損傷區(qū)邊緣裂紋較少。將圖9(a)和其余3張圖對比可知，鹽腐蝕環(huán)境下的砂漿試樣經(jīng)過化學腐蝕后，材料表面抗變形能力因腐蝕程度不同而存在差異，經(jīng)過顆粒介質物理侵蝕后，表面損傷更加嚴重，損傷區(qū)不斷擴展并合，對工程材料的耐久性將產生嚴重影響。

(a)標準養(yǎng)護砂漿試樣

(b)5% NaCl溶液中砂漿試樣

(c)5% Na2SO4溶液中砂漿試樣

(d)5%混合溶液中砂漿試樣圖9 試樣表面二維壓痕形貌

2.4.2 試樣表面三維壓痕形貌分析

采用LEXTOLS4100型激光共聚焦掃描顯微鏡對沖擊試樣表面壓痕尺寸進行定量化采集，圖10為砂漿試樣壓痕三維形貌圖，單位為μm。該儀器的水平方向分辨率可達120 nm，豎直方向分辨率可達10 nm。

(a)2D壓痕形貌

(b)3D壓痕形貌

(c)壓痕形貌深度

(d)3D壓痕剖面圖10 試樣表面三維壓痕形貌

圖10(a)為標準養(yǎng)護中水泥砂漿試樣在5 319.1 kN臨界沖擊荷載作用下的表面壓痕形貌2D圖，圖像尺寸為4 647 μm×4 686 μm，物鏡為MPLAPONLEXT20，視域范圍為4 630 μm×4 646 μm。由圖10(a)可知試樣壓痕為球冠形小坑，不同半徑的軸向同心圓其壓痕離面位移沿徑向呈環(huán)形分布。圖10(b)為壓痕形貌3D圖，圖中x軸為試樣徑向位移坐標，可通過相同離面位移的兩點間x軸坐標值計算出壓痕兩點間寬度；z軸為試樣壓痕軸向位移坐標，不同顏色代表壓痕內各點不同的軸向位移，其中紅色表示軸向位移最大，紫色表示軸向位移最小。結合圖10(a)和圖10(b)可知，試樣壓痕邊緣有小范圍的黃色和綠色區(qū)域，該區(qū)域位移小于紅色區(qū)域，可知試樣表面有較大起伏，壓痕邊緣不完整且有顆粒剝落，即試樣受損并局限于壓痕內部，可將壓痕邊緣損傷范圍作為試樣損傷評價區(qū)域。由圖10(b)可知壓痕直徑為43 459.40 μm，與圖10(a)測得的壓痕直徑4.1 cm相比，測量更精確，測量邊界也更清晰，同時還測得壓痕體積為2.8×109μm3，表面積為3.0×107μm2。由圖10(c)可知試樣深度變化范圍為0～536.139 μm，圖10(d)壓痕3D剖面圖則可直接觀測壓痕最深處的深度值及壓痕表面位移的變化。通過二維形貌圖可觀測到試樣表面剝落、顆粒堆積和裂紋的擴展；三維形貌圖不僅提高了試樣表面壓痕尺寸測量的精確度，同時也量化了試樣表面壓痕形貌參數(shù)。對于短期腐蝕的水泥凝膠材料，將二者結合，既能增加試樣表面壓痕形貌測量參數(shù)，又可以提高壓痕尺寸的測量精度。

在相同沖擊高度荷載作用下，統(tǒng)計4組砂漿試樣表面壓痕損傷區(qū)深度、體積、表面積，列于表3。

表3 試樣表面壓痕三維形貌參數(shù)

3 結論

(1)通過沖擊荷載-壓痕尺寸曲線，可知鹽腐蝕下水泥砂漿遭受小能量沖擊時，表面損傷區(qū)壓痕尺寸增長速率隨沖擊荷載值增加呈先快速后平緩的增加趨勢，且試樣表面損傷越嚴重壓痕增長越快。

(2)在相同沖擊荷載作用下，水泥砂漿表面抗塑性變形能力從大到小依次為：標準養(yǎng)護中砂漿、5% NaCl溶液中砂漿、5% NaCl和Na2SO4混合溶液中砂漿、5% Na2SO4溶液中砂漿。

(3)在沖擊荷載作用下，短期鹽腐蝕砂漿試樣表面顆粒剝落，微裂紋不斷擴展并合，損傷區(qū)三維形貌參數(shù)均大于標準養(yǎng)護中砂漿試樣，沖擊荷載與腐蝕離子雙因素作用下砂漿試樣耐久性降低。