干湿循环与持续轴压荷载对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项重点项目()重庆市自然科学基金创新群体科学基金项目()作者简介:王 帅()男贵州六盘水人硕士研究生主要从事水工结构材料耐久性研究:.通信作者:胡少伟()男河南杞县人教授博士主要从事工程新结构与新材料和混凝土损伤断裂与结构安全评价相关研究:.:./.():干湿循环与持续轴压荷载对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响王 帅胡少伟李文昊李景浩(重庆大学 土木工程学院重庆)摘 要:为分析持续轴压荷载和干湿循环对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响通过宏微观试验对比不同工况下砂浆的表观现象、质量、膨胀率、强度的劣化特性并探究其侵蚀机理 结果表明:持续轴压荷载和干湿循环均显著加剧砂浆劣化且应力越大影响越大应力比.工况的砂浆线膨胀率最高增长.其抗压强度最大损失.干湿循环工况的砂浆线膨胀率最高增长.其抗压强度最大损失.较低持续轴压荷载前期减缓硫酸盐侵蚀而后期加剧较高持续轴压荷载直接增多砂浆内部缺陷加剧化学侵蚀导致宏观性能大幅下降干湿循环作用下硫酸盐结晶与钙矾石、石膏等腐蚀产物共同导致砂浆微观结构劣化和缺陷扩展持续轴压荷载不改变硫酸盐的侵蚀机理但显著影响侵蚀进程二项式函数能够较好的描述砂浆硫酸盐抗压强度的劣化规律 研究成果可以为水工结构的耐久性评价与保护层设计提供指导和支撑关键词:水泥砂浆硫酸盐侵蚀持续轴压荷载干湿循环耐久性中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():():.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景水泥基材料广泛用于水工结构但由于所处环境恶劣大量水工结构常年遭受硫酸盐侵蚀腐蚀会导致水泥基材料膨胀、开裂和破坏 在海岸等水位频繁变化的地区水工结构面临干湿循环、温度变化等更为复杂的环境条件且实际结构在外荷载作用下工作硫酸盐侵蚀过程更加复杂 对水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能开展研究对水工结构设计、耐久性和安全性评价具有重要意义目前越来越多学者关注水泥基材料受硫酸盐侵蚀的劣化规律和机理但硫酸盐侵蚀是一种复杂的物理化学作用其侵蚀机理尚未形成定论 等研究了干湿循环作用下硫酸盐溶液对砂浆性能的影响并采用二项式公式描述劣化砂浆抗压强度和透水系数的变化 等探讨了干湿循环作用下溶液浓度和硫酸盐类型对混凝土劣化过程的影响并分析了其损伤过程 然而荷载作用会直接影响砂浆的微观结构和渗透性能进而影响其耐硫酸盐侵蚀性能因此必须考虑荷载作用才更加符合实际 等针对弯曲疲劳荷载与干湿循环作用对混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力进行试验结果表明弯曲疲劳载荷和干湿循环可加速混凝土内部硫酸根离子的迁移和混凝土的劣化 逯静洲等研究了轴压荷载作用对混凝土相对动弹性模量的劣化影响结果表明轴压荷载对劣化有显著促进作用 曹健研究了荷载、干湿循环对混凝土长期性能的影响发现各因素选择的水平不同对混凝土的复合作用会产生或减缓或加剧的效应微观层面的研究表明硫酸盐会破坏水泥基材料内部组分和微观结构随侵蚀的进行微观结构逐渐损伤劣化荷载的作用则会加剧损伤的发生最终缺陷的累积导致宏观性能随龄期的劣化和破坏 可见对水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀能力研究主要围绕混凝土开展所施加的荷载也多为弯曲荷载或短期轴压荷载针对持续轴压荷载作用下水泥砂浆的耐硫酸盐侵蚀性能和微观侵蚀机理的研究尚待补充本文开展了持续轴压荷载作用下硫酸盐侵蚀对水泥砂浆性能影响的试验研究通过扫描电子显微镜()和能谱仪()进行微观结构形貌和劣化产物分析探究干湿循环和持续轴压荷载作用下水泥砂浆受硫酸盐侵蚀的劣化规律和机理有利于指导水工结构物的耐久性设计 原材料与试验方法.试验原材料本试验用水泥为.普通硅酸盐水泥其化学组成见表 细骨料为河砂细度模数.拌合水为自来水减水剂为聚羧酸减水剂水泥砂浆配合比见表 抗压强度为.侵蚀溶液为硫酸钠溶液表 水泥化学成分 烧失量.表 水泥砂浆配合比设计 水灰比材料质量/水水泥砂减水剂.腐蚀环境浇筑边长.的立方体试件用于测试砂浆的抗压强度尺寸 的棱柱体试件用于测试砂浆的质量和线膨胀量 和 的测试均使用立方体试块 浇筑成型后标准养护 将试件分成 组分别暴露在 种工况下详见表 荷载大小()指持续轴压荷载的大小与砂浆 抗压强度的百分比 最长侵蚀时间达 硫酸钠溶液每 个月更换 次表 试验工况 试验组立方体试件边长/棱柱体试件尺寸/()硫酸钠浓度/荷载大小/干湿循环微观试验.注:代表长期浸泡下的硫酸盐侵蚀 代表干湿循环下的硫酸盐侵蚀 代表持续轴压荷载作用下的硫酸盐侵蚀浸泡在溶液箱进行干湿循环制度为:室温浸泡 取出自然晾干 烘箱()烘干 冷却 后放回溶液箱完成 次循环 长江科学院院报 年.持续轴压荷载施加装置持续轴压荷载侵蚀试验采用自主设计的持续轴压荷载与硫酸盐实时耦合侵蚀装置如图 所示试件长期浸没于溶液盒中 监测得到该装置的荷载损失率持荷效果良好荷载施加后不再调整直至试验结束卸载后取出试块未对硫酸盐侵蚀后期导致的砂浆受力状态的改变进行长期监测压力传感器千斤顶内支座砂浆试件弹簧内支座外反力架溶液箱螺栓(a)装置示意图(b)实际装置图 持续轴压荷载加载装置.抗压强度测试每 取 个试件用于单轴压缩试验 测试当天从溶液中取出试件清洗试样表面在 下干燥至质量恒定并在测试前冷却至室温 本试验采用 型微机控制恒加载压力试验机规格 加载速度./.扫描电镜分析试验通过 评估劣化砂浆的微观结构样品来自破坏的试件各工况样品均取自腐蚀后砂浆表层 左右位置 均在 下干燥后使用 本试验采用 扫描电子显微镜放大倍率为加速电压为 砂浆不导电微观形貌观察需要喷金 采用室温真空喷金喷金电流 喷金时间 采用铂金靶材 采用 型能谱仪.评价指标水泥基材料受硫酸盐侵蚀的典型表现是膨胀、表层剥落和性能劣化等本文以表观现象、质量损失率、线膨胀率和抗压强度损失率作为硫酸盐侵蚀后的评价指标各指标计算与说明见表 线膨胀率在试件中部固定位置的标记点进行测量测试方向垂直于受荷方向 结果与讨论.侵蚀后表观现象不同工况下砂浆受硫酸盐侵蚀 后的表观表 评价指标 评价指标计算式字符说明质量变化率 为龄期 时的质量()为砂浆受侵蚀前质量()线膨胀率 为龄期 时的测位长度()为初始测位长度()抗压强度变化率 为龄期 的抗压强度()为 抗压强度()现象见图 工况下砂浆各表面边角处裂缝交错分布数量远多于 工况的砂浆这表明干湿循环作用明显加快硫酸盐侵蚀的速度和程度 工况下的砂浆表面均较光洁平整而 工况下砂浆表面出现剥落现象试件边角部普遍破坏或成块脱落或散碎掉落试件中部存在起壳脱落现象 脱落界面可见白色盐结晶或侵蚀产物该试验现象与文献类似推测是其产生的膨胀应力导致外层砂浆的损伤脱落这表明较高的持续轴压荷载会显著加剧硫酸盐侵蚀速度 工况下砂浆在 开始出现剥落现象但较 工况下砂浆轻微根据砂浆表层脱落程度和裂纹扩展深度可初步推断不同工况下的砂浆受硫酸盐侵蚀 后的损伤度()满足 且应力比大的持续轴压荷载影响最大 此处的损伤度()是对总体损伤情况的定性判断(a)G S(b)D WS(c)A C S图 表观现象与裂缝分布().().质量变化率由图 可见砂浆质量在硫酸盐侵蚀下均呈前期增长后期下降的趋势砂浆试件质量增长率曲线拐点出现时间次序为()()()与宏观损伤劣化结果一致 结 论()无荷载作用工况:砂浆受硫酸盐侵蚀后的性能劣化规律一致但干湿循环作用明显加速损伤使砂浆更早达到性能峰值 长期浸泡的砂浆质量变化率持续增长最高达.干湿循环的砂浆质量持续增长至峰值(.)后持续衰减最大衰减量为.砂浆的线膨胀率始终增长最高增长.抗压强度增长至峰值(.)后开始衰减 的衰减率为.()持续轴压荷载作用工况:砂浆边角部破坏剥落、裂缝交错表面存在起壳脱落现象 较高持续轴压荷载能显著增加砂浆的劣化速度且其影响远大于干湿循环较低持续轴压荷载早期增强砂浆抗硫酸盐侵蚀能力但侵蚀后期加剧硫酸盐侵蚀 应力比为.和.的持续轴压荷载工况下受硫酸盐侵蚀 后的砂浆质量增长率分别达.和.最大衰减量分别达.和.线膨胀率分别达.和.衰减量分别达.和.抗压强度损失率分别达.和.()长期浸泡与干湿循环的侵蚀机制不同前者以化学侵蚀为主后者以结晶盐物理侵蚀为主化学侵蚀产物主要为钙矾石和石膏等膨胀产物累积聚集后导致砂浆内部缺陷增多和性能劣化物理侵蚀产物主要是硫酸盐结晶干湿循环会加剧物理侵蚀 持续轴压荷载不影响侵蚀机制但显著影响侵蚀进程 持续轴压荷载使砂浆产生更多微观裂缝严重损伤砂浆的微观结构加快了化学侵蚀导致宏观性能的快速劣化()二项式函数能够很好地描述受硫酸盐侵蚀砂浆的抗压强度劣化规律但经验公式的参数取值受很多因素的影响取值应根据实际情况而定本研究成果可以为水工结构的耐久性评价与结构的保护层设计提供指导和支撑 此外配合比、循环制度、荷载形式等因素也值得开展研究参考文献:.:.长江科学院院报 年 .:.():.:.:.():.:.逯静洲 田立宗 刘莹 等.轴压与硫酸盐实时耦合作用下混凝土耐久性试验研究.应用基础与工程科学学报 ():.曹 健.轴压荷载下干湿循环硫酸盐侵蚀耦合作用混凝土长期性能.北京:北京交通大学 .:.:.:.:.:.:.():.逯静洲 朱孔峰 田立宗 等.荷载硫酸盐侵蚀作用后高强混凝土的力学特性.工业建筑():.():.:.:.:.():.:.田立宗.轴压荷载硫酸盐侵蚀耦合作用混凝土长期性能研究.山东:烟台大学.(编辑:王 慰)(上接第 页).:.():.王思敬黄鼎成.中国工程地质世纪成就.北京:地质出版社:.南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册.北京:人民交通出版社:.李邵军 冯夏庭.库水位升降条件下边坡失稳离心模型试验研究.岩石力学与工程学报 ():.冯文凯 易小宇 孟 睿 等.三峡库区木鱼包滑坡不同库水升降速率变形响应离心模型试验研究.水利学报 ():.牟太平 张 嘎 张建民.土坡破坏过程的离心模型试验研究.清华大学学报(自然科学版)():.付小林汤明高叶润青等.不同库水消落方式下动水压力型滑坡变形与稳定性响应研究.水利水电技术(中英文)():.李松林 汤明高 许 强 等.库水位上升条件下浮托减重型滑坡离心模型试验.东北大学学报(自然科学版)():.苗发盛吴益平谢媛华等.水位升降条件下牵引式滑坡离心模型试验.岩土力学():.汤明高 李松林 许 强 等.基于离心模型试验的库岸滑坡变形特征研究.岩土力学 ():.(编辑:王 慰)第 期王 帅 等 干湿循环与持续轴压荷载对水泥砂浆耐硫酸盐侵蚀性能的影响