硫酸盐侵蚀下水泥砂浆应力应变曲线及性能劣化研究

沈亦云, 殷光吉, 温小栋, 汤玉娟, 骆鑫鑫

（1. 宁波工程学院 建筑与交通工程学院, 浙江 宁波 315211; 2. 扬州市职业大学 土木工程学院, 江苏 扬州 225009）

0 引言

对于长期服役于滨海、盐湖环境下的混凝土结构，硫酸盐侵蚀是导致其耐久性退化、力学性能降低的重要原因[1-2]。 环境中硫酸根离子扩散进入混凝土内，与水泥水化产物发生化学反应，生成膨胀性侵蚀产物；这种化学侵蚀行为不仅会引起混凝土微结构损伤，还会导致其产生软化、膨胀及开裂剥落等宏观破坏现象，降低混凝土力学性能，严重影响结构的服役寿命[3-4]。 因此，有必要开展硫酸盐侵蚀下混凝土力学性能演变规律研究，建立其损伤程度的定量表征方法。

混凝土的单压应力-应变关系包含了弹性模量、抗压强度等各种力学性能信息，故国内外学者开展了大量的混凝土应力-应变曲线测试研究；结果表明，普通压力试验机可轻松获得曲线的上升段，但是很难测量到曲线的下降段。 这是由于试验机在加载过程中自身的变形储存了较大弹性应变能，当试件损伤引起承载力下降时，试验机因受力减小而恢复变形，将试件急速压坏[5-6]。 为避免试件的突然脆性破坏，目前主要有两种防护方式，即采用电液伺服阀控制的刚性试验机和在普通压力试验机上增设刚性辅助元件[7]。 其中，前者的测试精度取决于试验机闭环回路控制系统的反应速度，而测试精度越高意味着经济负担越大。 本文采用增设刚性辅助元件的方法，设计一种经济简便的测试系统，测试硫酸盐腐蚀下水泥砂浆应力应变全曲线；通过试件微结构形貌观察及孔隙率测试，分析其力学性能劣化的原因；利用最小二乘法，拟合腐蚀砂浆抗压强度、弹性模量与溶液浓度、浸泡时间之间的定量关系，以预测硫酸盐侵蚀过程中水泥砂浆的力学性能损伤程度。

1 试验条件及方法

1.1 材料及试件

为缩短试验周期，本文选取小尺寸的水泥砂浆试件作为研究对象。 试件制备用水泥为江南-小野田水泥厂生产的52.5 级普通硅酸盐水泥（P.O. 52.5），其主要化学物质和矿物组分如表1 所示；细骨料为中国ISO 标准砂，其细观模数为2.44；腐蚀溶液为2.5% (Sa)和5.0% (Sb)的Na2SO4溶液。 根据国家标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019，制备了尺寸Ø23 mm×46 mm、水灰比0.45和砂灰比2.75 的水泥砂浆试件。 当试件养护28 d 后，利用环氧树脂密封试件的上下端面，仅留试件侧面暴露于腐蚀溶液中，以保证试件不同高度处的截面内部腐蚀程度一致。 同时，考虑到水泥二次水化对试件力学性能的影响[8]，设置了浸泡在水溶液(0% Na2SO4溶液，W)中的砂浆试样作为对照组。

表1 普通硅酸盐水泥的主要化学物质和矿物组分的含量

1.2 应力-应变曲线测试装置

万能试验机只能获得应力－应变曲线的上升段，无法测得下降段应力、应变的有效信息。 为了获得完整的水泥砂浆应力－应变曲线，本文采用添加刚性辅助元件的方法，研制了一种经济实用的测试装置；除刚性元件外，测试装置主要由压力传感器、激光位移传感器、高度调节装置和数据采集仪器等构成，如图1 所示。 该装置综合考虑了腐蚀试件表观缺陷、万能试验机量程限制和刚性辅助元件稳定性等问题，对传统测试装置作了三大改进：

图1 腐蚀水泥砂浆全应力-应变曲线测试装置

1）刚性元件由高强度弹簧钢制成，具有较大的弹性极限变形，且其刚度与腐蚀砂浆试件较为接近，可保证腐蚀试件压碎前刚性元件仍处于弹性状态；

2）采用非接触式激光位移传感器，测量加载过程中腐蚀试件的压缩变形，能克服试件表面腐蚀缺陷问题，且该传感器比应变计、引伸计具有更高的精度和更好的适用性；

3)在腐蚀试件的加载夹具上安装螺旋高度调节装置，以确保试样和刚性元件同时加载，从而形成“试件－刚性元件”整体加载系统。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变全曲线

图2 给出了浸泡于水溶液、2.5%和5%Na2SO4溶液中的水泥砂浆试件在单压荷载作用下的应力－应变全曲线。 由图可知，不同腐蚀浓度和浸泡时间下，腐蚀砂浆试件的单轴受压应力－应变全曲线形状相似，但峰值应力及其对应的应变、下降段斜率等关键参数各不相同。 结合腐蚀试件的轴压破坏现象，其应力－应变全曲线可分为5 个阶段，如图3 所示：

图2 水泥砂浆试件应力-应变全曲线: (a)0%; (b)2.5%; (c)5.0%

图3 单轴受压过程中硫酸盐腐蚀混凝土破坏过程

1) 弹性阶段(OA)：从开始加载到应力达到弹性比例极限，水泥砂浆的应力与应变近似呈正比关系；该阶段，可认为砂浆内微裂纹未扩展延伸。

2) 硬化阶段(AB)：当应力超过弹性比例极限后，曲线斜率不断降低，最终应力达到峰值；此阶段，试件表面无肉眼可见裂缝。

3) 裂纹萌生阶段(BC)：应力-应变曲线进入下降段不久，试件表面首次出现了可见的细短裂缝，且该裂纹平行于受力方向。

4) 裂缝发展阶段(CD)：试件表面首次出现可见裂缝后，裂缝数目迅速增多，裂纹短、细且不连贯；随后，细裂缝不断扩展，最终形成纵向贯穿主裂缝；此阶段，应力下降迅速。

5) 碎裂阶段(DE)：在轴压作用下，试件纵向裂缝继续扩展延伸，形成了明显碎裂区。

2.2 力学性能演变

由图2 的结果可获得浸泡于水溶液、2.5%和5.0% Na2SO4溶液中水泥砂浆试件的抗压强度随腐蚀时间的变化规律，其结果如图4 所示。 由图4 可知，暴露于水溶液中的砂浆试件抗压强度随腐蚀时间而增大，在初始浸泡阶段（0～240 d）抗压强度增长迅速，但在浸泡240 d 后其增长速率明显下降。 这可能是由于试件内未完全水化的水泥发生二次水化作用，使得试件致密化，从而提高了其力学性能[9]；随着水泥水化程度趋于最大化，试件力学性能的提升速率逐渐减缓。 然而，浸泡于Na2SO4溶液中的试件其抗压强度时变规律与浸泡于水溶液中的情况存在明显差异。 在Na2SO4溶液初始浸泡的0～180 d，试件抗压强度随腐蚀时间而增大，其增长速率略大于暴露在水溶液中的情况；但在浸泡180 d 后，抗压强度开始下降。 导致上述现象的原因是，除水泥二次水化作用外，硫酸盐侵蚀生成的化学产物填充孔隙，使得水泥浆体致密化，改善了浸泡初期试件的力学性能[10]；当孔隙填充到一定程度后，侵蚀产物持续生成，挤压水泥浆体，导致浆体局部膨胀、微裂纹扩展，加速了试件性能的劣化[11]。

图4 水泥砂浆抗压强的时变规律

图5 为浸泡在水溶液、2.5%和5.0% Na2SO4溶液中的砂浆试件时变弹性模量。由图可见，浸泡于水溶液中的试件弹性模量变化不大，这与相关文献[12]的测试结果规律一致。 而浸泡于2.5%和5.0% Na2SO4溶液中的砂浆弹性模量随腐蚀时间先增大，当浸泡150～220 d 后，弹性模量达到最大值，随后开始降低。

图5 水泥砂浆弹性模量的时变规律

2.3 微结构演变观察

图6 给出了5.0% Na2SO4溶液中浸泡180 d 和360 d 后水泥砂浆试件腐蚀表层的微结构形貌。 由图可见，在腐蚀180 d 后，试件表层可观察到较多氢氧化钙晶体及絮状C-S-H 凝胶等水泥水化产物的存在，且其孔隙和初始裂纹内填充了不少钙矾石、石膏等侵蚀产物。 而在腐蚀360 d 后，水泥砂浆内形成了贯通的微裂纹，且微裂纹中大量针棒状钙矾石交错生长，而氢氧化钙晶体存在较少。 这是由于随着硫酸盐化学反应的进行，氢氧化钙不断消耗而生成石膏、钙矾石等膨胀性产物，挤压水泥浆体，导致浆体受拉开裂、微裂纹扩展贯通[13]；这就是浸泡180 d 后水泥砂浆力学性能降低的直接原因。

图6 浸泡于Na2SO4 溶液中的水泥砂浆微结构形貌图: (a)、(b) 浸泡180 d; (c)、(d) 浸泡360 d

通过孔隙率的变化，可分析硫酸盐侵蚀产物填充孔隙的致密作用和侵蚀产物膨胀挤压砂浆的劣化作用。 图7 为3 种溶液浸泡下水泥砂浆试件孔隙率的时变规律。 由图可知，养护28 d 的水泥砂浆试件其平均孔隙率为15.5%；浸泡过程中，水溶液中试件的孔隙率随浸泡时间线性降低，在浸泡300 d 后，降低至13.0%。 浸泡于Na2SO4溶液中的试件，其孔隙率随浸泡时间先降低后增大；溶液浓度越高，浸泡前期（0～180 d）孔隙率的下降幅度、浸泡后期（180～300 d）的增长幅度越大。 对于2.5%和5.0% Na2SO4溶液，砂浆试件浸泡180 d 后孔隙率分别降低至14.0%和13.8%，而浸泡300 d 后又分别上升至15.7%和16.0%。 需要指出的是，孔隙率与密实度是两个负相关的量，而抗压强度与密实度呈正相关的关系；因此，对比图7 的砂浆试件孔隙率与图4 的抗压强度可知，两者的演变规律一致。

图7 水泥砂浆孔隙率的时变规律

2.4 化学损伤拟合

对比图4 与5 可知，在Na2SO4溶液浸泡过程中，砂浆试件弹性模量的变化程度与抗压强度的不一致。 本文引入与硫酸盐溶液浓度和浸泡时间相关的两个化学损伤参数df和dE，分别描述硫酸盐侵蚀引起的水泥砂浆抗压强度与弹性模量的劣化，如式(1)：

式中，df和dE分别反映硫酸盐侵蚀对水泥砂浆抗压强度与弹性模量的影响，E0、E、f0和f 为未腐蚀与腐蚀砂浆的弹性模量与抗压强度，c 为Na2SO4溶液浓度，t 为浸泡时间。

利用图4 和5 中的数据，采用最小二乘法拟合获得化学损伤参数df和dE的表达式[13]。 以df为例，将硫酸盐侵蚀下砂浆抗压强度的时变过程分为上升和下降两个阶段，并将两个阶段的df均视为与浸泡时间t 相关的二次多项式函数，可表示为

根据图5 中的时变抗压强度，利用最小二乘法确定参数a1、a2、a3；然后，再次采用最小二乘法，对aj(j=1,2,3)与硫酸盐浓度c 进行二次多项式拟合，该二次多项式函数可表示为

因此，将式(3)代入式(2)，可获得腐蚀砂浆试件化学损伤参数df的表达式(4)，其拟合曲线如图8 所示。

同样地，化学损伤参数dE可表示为式(5)，其拟合曲线如图8 所示。

图8 水泥砂浆抗压强度和弹性模量的拟合曲线

3 结论

本文研究了硫酸盐侵蚀下水泥砂浆应力－应变全曲线及其力学性能的演变规律，分析了其力学性能的劣化原因，拟合获得了力学性能劣化程度的数学表达式。 主要结论如下：

(1) 硫酸盐侵蚀不会改变水泥砂浆的应力－应变曲线形状；结合轴压荷载引起的破坏现象，其应力－应变曲线可分为弹性、硬化、裂纹萌生、裂纹迅速发展和碎裂等5 个阶段。

(2) 硫酸盐侵蚀初期，水泥砂浆抗压强度、弹性模量随浸泡时间有所增大，这是由于水泥二次水化和硫酸盐侵蚀产物填充使得水泥浆体致密而引起的；腐蚀180 d 后，砂浆力学性能迅速降低，这是侵蚀产物膨胀生长引起的微裂纹扩展所导致的。

(3) 以溶液浓度和腐蚀时间为变量，利用最小二乘法拟合腐蚀砂浆力学性能的试验测试数据，建立了硫酸盐侵蚀下水泥砂浆化学损伤程度的数学表达式，可定量表征硫酸盐侵蚀过程中水泥砂浆力学性能的劣化程度。