硫酸鹽侵蝕下混凝土單軸壓縮力學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

(安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001)

0 引 言

混凝土材料因具有良好的可塑性和優越的力學性能成為了世界上最重要的建筑材料之一[1-2]。但由于混凝土結構自身存在微孔隙和微裂縫等不均勻缺陷，往往會加速混凝土在服役過程中損傷劣化[3]，導致混凝土未達到設計使用壽命就出現膨脹、開裂、剝落及強度下降等性能劣化現象[4]。文獻[5-7]表明硫酸鹽對混凝土結構侵蝕尤為嚴重，如西部鹽漬土地區的混凝土柱和橋墩出現大量爛根現象，沿海潮汐區混凝土保護層大量脫落現象等。因此，全面深入展開硫酸鹽環境下混凝土力學性能退化規律和侵蝕機理研究顯得至關重要。

目前國內外對硫酸鹽侵蝕后混凝土的基本力學性能、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間、水膠比及粉煤灰三種因素對混凝土強度的影響并提出硫酸鹽浸泡作用下混凝土抗壓強度衰減規律的預測模型。朱從進等[9]采用SHPB試驗研究了硫酸鹽侵蝕后混凝土的動態力學性能，并結合SEM分析了其性能弱化機理。Wang等[10]研究了硫酸鹽干濕循環對混凝土孔結構特征的影響，發現硫酸鹽侵蝕下混凝土孔體積顯著減小，侵入體減少主要發生在50～200 nm的孔隙中。張萌[11]使用掃描電鏡探究了經過不同次數硫酸鹽侵蝕后混凝土試件內部微觀結構變化特征，闡明了混凝土侵蝕損傷的微觀機理。由上述可知，針對硫酸鹽侵蝕后混凝土的研究主要集中在宏觀力學性能和微觀形貌兩個方面，但對內部孔隙變化及裂縫擴展演化機制研究不夠深入。因此，本文基于PFC2D模擬軟件中顆粒流分析程序，對硫酸鹽侵蝕后的混凝土進行單軸壓縮試驗仿真模擬，并借助具有無損傷、高效率特點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構變化特征，為混凝土結構服役于硫酸鹽環境提供理論基礎及工程應用參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料與配合比

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料選用細度模數為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 測試方法

按照表1配合比澆筑成150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊，在標準養護箱里養護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，與此同時采用超聲波測試儀選取波速相近的試件進行試驗。試驗開始前，首先將制成的試件置于質量分數分別為0%、10%、15%和20%的硫酸鈉溶液中，浸泡時間為210 d。其中20%硫酸鈉溶液因容易過飽和常常在配置時結晶析出，故本試驗自主研發了一種恒溫裝置可將溫度保持在30 ℃，保證配置20%硫酸鈉溶液時無晶體析出。待浸泡結束后取出，清除試件表面結晶物質并擦干表面溶液，隨后置于飽水機充分飽水48 h，采用核磁共振儀(見圖1)測其內部孔隙分布情況。待測試完成后，采用伺服巖石三軸試驗機(見圖2)進行單軸壓縮試驗，其加載速率為0.05 mm/min。每種濃度下制備3個混凝土試件(見圖3)。

圖1 核磁共振儀

圖2 三軸試驗機

圖3 混凝土試樣

2 結果與討論

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部微裂縫的擴展行為及變形響應，本文利用顆粒流離散元軟件PFC2D進行模擬，選擇平行黏結模型作為接觸本構模型，并且以實際單軸壓縮試驗獲取的力學參數為依據，將數值模型尺寸設置為直徑50 mm、高100 mm，采用wall命令模擬構建模型邊界及其受力環境，用上、下墻來模擬軸向加卸載功能。上、下墻體相向緩慢移動加載試樣，加載速率為0.05 mm/min[12]。結合材料特性及試驗數據，通過“試錯法”不斷調整模型參數(見表2)模擬出硫酸鹽侵蝕作用后混凝土單軸壓縮試驗。

表2 PFC2D模擬參數

圖4為數值模擬和試驗應力-應變曲線對比以及微裂縫數目隨應變變化曲線。從圖4數值模擬和試驗應力-應變曲線對比可以看出，由于混凝土材料在澆筑與養護的過程中會產生一定的孔隙，試驗加載初期，試驗應力-應變曲線出現非線性階段，但PFC2D模擬應力-應變曲線無法體現出孔隙被壓密階段，因此試驗所得出的峰值應變始終大于數值模擬的曲線。表3為不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土數值模擬和試驗力學特征。從表3中可以看出模擬混凝土峰值應力、彈性模量的試驗誤差在4%以內，表明模擬效果較好。此外，隨著硫酸鹽濃度的增加，混凝土峰值應力逐漸降低，表面出現大量密集孔洞，為硫酸根離子滲透到內部提供快速通道，進而導致侵蝕生成物堆積膨脹使混凝土內部結構發生破壞，故宏觀上混凝土峰值應力、彈性模量降低，而且這種現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與模擬應力-應變曲線和模擬微裂縫數量-應變曲線

表3 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土模擬和試驗力學特征

圖4中正方形圖標連成的曲線為微裂縫數目隨應變變化曲線，各對應濃度試件模擬峰值應力值為σp。微裂縫增長曲線主要分為3個階段：第一階段稱為微裂縫萌生期(o→a)，應力上限值在0.6σp左右，即彈性階段之前；第二階段為微裂縫穩定擴展期(a→b)，當應力從0.6σp增長到峰值應力σp，微裂縫在a點萌生后緩慢上升到b點；第三階段稱為微裂縫快速增長期(b→c)，當應力達到峰值點之后，微裂縫增長速度隨應變近似呈指數關系增加，試件進入全面破壞。此外，從微裂縫增長曲線也明顯發現，隨硫酸鈉濃度增加，微裂縫總數目呈上升趨勢，其中相比于0%組試件，當侵蝕濃度從10%增加至20%時，微裂縫總數目分別增加了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，如上圖4所示，混凝土試樣均呈剪切破壞形態，有一條斜向裂縫貫穿整個試件，隨著侵蝕濃度的增加，壓碎程度越來越嚴重，這一宏觀現象在上圖微裂縫數目演化曲線中能夠很好地表現出來。

2.2 微裂縫演化特征分析

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

圖5 10%硫酸鈉侵蝕后混凝土應力與裂縫演化模擬示意圖

2.3 核磁共振試驗分析

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譜測試原理是利用流體中氫原子核在外來磁場作用下的弛豫特征獲取混凝土試樣孔隙，其中T2譜曲線弛豫時間與孔隙尺寸有關，T2譜信號幅值與孔隙數量有關。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部孔隙尺寸及數量變化，即譜峰面積與相應孔隙尺寸和數量正相關[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，混凝土內部孔隙無論尺寸大小均有所發育，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，孔隙擴展、發育也較為迅速，表現為T2譜曲線峰1幅值的增長幅度尤為明顯。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，意味著硫酸根離子濃度的增加使得混凝土內部孔隙尺寸及數量逐漸增長，即損傷不斷增加。引起上述孔隙結構發生變化的主要原因是硫酸鹽侵蝕初期，混凝土內部產生大量石膏或鈣礬石，隨試驗侵蝕周期增加其內部產物逐漸溶解并產生新的微小孔隙，隨濃度增加，微小孔隙不斷發育、擴展使內部結構開始變得疏松，孔隙數量增多，因此孔隙率、T2譜峰1幅值和面積增大，宏觀上表現為強度下降幅度加快。

2.3.2 不同濃度硫酸鈉侵蝕后混凝土孔隙結構

根據上述核磁共振T2譜計算出孔隙半徑，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 論

(1)PFC2D模擬結果表明，硫酸鹽侵蝕后混凝土在單軸壓縮過程中微裂縫數量-應變曲線可以分為3個階段：微裂縫萌生期，第一條張拉裂縫在拉應力集中區產生；微裂縫穩定擴展期，在壓應力與拉應力集中區出現張拉與剪切復合裂縫；微裂縫快速增長期，裂縫在原有基礎上寬度進一步增加，導致模型剪切破壞。

(2)NMR試驗結果表明，硫酸鹽侵蝕后混凝土的微孔和小孔占比達到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，宏觀上表現為混凝土峰值應力與彈性模量降低。