不同硫酸鈉溶液濃度對混凝土力學性能及內部結構孔隙影響研究①

徐 威, 劉來肥，許 濤

(1.安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001;2.國網安徽省電力有限公司黃山供電公司，安徽 黃山 245200)

0 引 言

現如今，現澆混凝土在鹽漬地區公路、隧道、橋梁等工程中廣泛應用，但鹽漬土地區氣候環境復雜多樣[1]，其中硫酸根離子是導致混凝土性能劣化的重要腐蝕介質之一，它滲入混凝土內部與水泥水化產物發生反應，使其產生膨脹、開裂等現象，導致混凝土使用壽命大大降低[2-3]。目前，學者們針對硫酸鈉作用下混凝土的抗壓強度、彈性模量等宏觀性能做了一系列研究，得出試驗結果發現其抗壓強度、動彈性模量、泊松比等宏觀力學性能隨著濃度的增加而逐漸降低[4-6]，但有關微觀方面的報道甚少。盡管李澤良闡述硫酸根離子對混凝土的腐蝕機理[7]，褚冰通過掃描電鏡發現硫酸鹽腐蝕之后混凝土內部會有大量鈣礬石晶體生成，而且內部大量孔隙分布呈松散體狀態[8]，但對于混凝土材料而言，作為一種由粗、細骨料及膠凝材料組成的多相復合體，當受硫酸鹽腐蝕影響后，內部結構孔隙數量、孔隙分布肯定發生巨大變化，嚴重影響混凝土宏觀力學性能，然而這一點上述學者沒有從這方面進一步揭示，因此有必要對混凝土材料在硫酸鹽腐蝕下內部孔隙變化規律進行探討，以揭示其對混凝土力學特性的影響，為實際工程中混凝土結構在受硫酸鹽腐蝕方面提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料準備

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5～10mm玄武巖，外加劑采用由礦渣、硅粉、高性能減水劑組成NF-F型早強減水劑。按照1m3/kg水泥∶石子∶砂子∶水∶NF-F為350∶1190∶669.92∶194.7∶70配合比澆筑成150×150×150mm的標準立方體試塊，在標準養護箱里養護28d后，加工成高徑2∶1(高度100mm，直徑50mm)圓柱體試件，兩端面不平行度小于0.05mm，上下端面與試樣的中心軸線垂直度偏差不超過0.25°。

1.2 試驗方案

試驗開始前，采用核磁共振儀器測其腐蝕前試件孔隙結構后，將其分別置于濃度10%、15%、20%、25%硫酸鈉溶液中浸泡7個月，觀察腐蝕過后試件形貌特征的變化，最后再次測試試件內部孔隙結構的變化特征以及電液伺服三軸試驗機進行單軸壓縮試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 硫酸鈉溶液腐蝕后試件外觀形貌

圖1 不同濃度腐蝕下試件外觀形貌

從圖1可以明顯看出，試件表面宏觀現象隨著濃度的增加損傷程度越來越明顯，濃度10%試件A由于鹽類結晶出現花斑，并且逐漸泛白現象，端部邊緣地區有微小裂紋生成，濃度15%試件B表面出現少量孔洞，并且試件端部邊緣有微小裂縫相互貫連，濃度20%試件C表面亦出現較小孔洞，端部邊緣由于膨脹而出現碎片剝落現象，至于濃度25%試件D表面孔洞密集，端部周邊產生大量裂縫，并且出現大幅度碎渣剝落現象。

2.2 單軸壓縮全應力-應變試驗結果分析

為進一步反應不同濃度因素對混凝土單軸壓縮抗壓強度影響規律，繪制出不同濃度水平下應力-應變全曲線。

圖2 全應力-應變全曲線

從圖2上可以看出，硫酸鈉溶液作用下混凝土應力-應變全曲線變化規律基本相似，可大致分為四個階段。OA段為壓密階段，曲線呈下凹型，軸向應力與應變之間無明顯線性關系且曲線斜率較小。AB段為線彈性變形階段，該階段應力隨應變的增大迅速提升，軸向應力-應變曲線趨近于一條直線呈明顯線性關系。BC段為塑性變形階段,這一階段應力增長速率逐漸變緩，曲線斜率不斷減小，混凝土變形由彈性階段的可恢復特性轉化為不可恢復性，試樣內微小裂隙不斷擴展并逐漸產生貫通裂紋。CD段為峰后階段，該階段軸向應力達到試樣強度峰值，混凝土基體裂隙大規模貫通，試樣破壞并伴隨承載能力喪失。

不同濃度硫酸鈉溶液腐蝕后試件的峰值應力、峰值應變、彈性模量及變化趨勢如表 1 所示。

表1 峰值應力、峰值應變、彈性模量

從表1可以看出，混凝土試件峰值應力、彈性模量均隨硫酸鈉濃度增加而整體呈現下降的趨勢，而峰值應變恰恰相反。濃度為10%時，混凝土峰值應力為57.38MPa，相比基準組降低了1.96MPa，峰值應變較基準組增加了1.2×10-3，說明低濃度腐蝕初期，混凝土內部水泥化合物與硫酸鈉發生化學反應，從而產生石膏或者鈣礬石將內部孔隙和微細裂縫堵住，使得密實度提高，但是由于侵蝕周期長，內部結構開始變得疏松，孔隙增多，則濃度10%硫酸鈉腐蝕作用下混凝土強度衰減不明顯。隨著濃度的進一步提升，峰值應力衰減越來越明顯，當濃度為25%時，較基準組混凝土峰值應力降低了14.07MPa，說明硫酸鹽濃度越高，混凝土試件表面孔洞逐漸密集，硫酸根離子進入混凝土試件內部數量增多，致使內部孔隙數量增多，產生了一定數量的微小縫隙，造成混凝土試件峰值應力、彈性模量大幅度下降。

2.3 不同硫酸鈉溶液濃度核磁共振T2譜分布曲線

通過核磁共振試驗測試試件微觀孔隙結構，得到不同濃度下混凝土試件的弛豫時間T2譜分布(如圖3)。

圖3 T2譜分布圖

由圖3可知，在不同的濃度腐蝕作用下，混凝土內部的孔隙結構發生明顯的變化，但變化的趨勢基本相同，且都出現三個峰，從左到右分別為峰1、峰2、峰3，峰1代表小尺寸孔隙，峰2、峰3分別代表中尺寸孔隙、大尺寸孔隙，峰1幅值在弛豫時間0.3827ms附近，并均大于峰2、峰3位置幅值，說明試件內部結構小尺寸孔隙數量最多，硫酸鈉溶液對混凝土的小尺寸孔隙最為敏感，從而使得峰1幅值明顯高于峰2、峰3幅值；對比不同濃度T2譜曲線分布，基準組峰1、峰2、峰3幅值最小，且小尺寸孔隙占的比例大，由于沒有經過硫酸鈉腐蝕，基準組試件內部結構較為致密，混凝土孔隙數量遠小于硫酸鈉作用下的試件孔隙數量。此外，峰1幅值隨著硫酸鈉濃度的增加而增大，與基準組對比，分別提高了15.8%、27.4%、42.9%、64.1%，而且峰1幅值上升的速率逐漸加快，這表明隨硫酸鈉濃度增高，小尺寸孔隙數量不斷地增加，硫酸根離子對試件的腐蝕越劇烈，效果越明顯，對混凝土內部造成的損傷越大；同時峰2、峰3峰幅值也都略有增加，其原因在于，隨著硫酸鈉濃度的加大，試件小尺寸孔隙不斷地向中尺寸、大尺寸孔隙擴展，內部存在著一個動態變化的形態，最終發展成孔隙與孔隙之間相互聯通產生微小裂縫，進一步造成混凝土試件損傷，使混凝土力學性能降低。

3 結 論

(1)經過硫酸鈉浸泡后的混凝土試件表面有晶體析出，并逐漸泛白，損傷更嚴重的，端部會出現膨脹、剝落等現象；通過全應力-應變曲線可以發現，隨著硫酸鈉濃度的增大，曲線表現出一定的右移傾向，混凝土試件峰值應力、彈性模量降低，反而峰值應變增大。

(2)通過核磁共振試驗測試馳豫時間T2譜了解到混凝土腐蝕前后內部孔隙的發育、擴展情況，并對損傷擴展的趨勢做出準確的分析和判斷。隨著硫酸鈉濃度增加，混凝土內部孔隙逐漸擴展，使得孔隙數量增多，最終孔隙相互貫通、擴展形成微裂紋，是造成混凝土應力、彈性模量降低主要原因。