三轴应力作用下化学侵蚀对砂浆力学性能的影响

韩铁林，陈蕴生，师俊平，马文涛

（1.西安理工大学 土木建筑工程学院；岩土工程研究所，西安 710048；2.宁夏大学 数学计算机学院，银川 750021）

人们在大兴土木的同时面临着严重的环境污染问题。由于广大地区的雨水、地下水等中带有各种侵蚀性离子，使得混凝土材料在服役期间，不仅受到外荷载的作用，还长期受到环境中复杂的化学腐蚀作用，这严重影响混凝土材料耐久性，再加上重建和维修所需要的费用巨大，从而引起了工程界人士的高度重视。因此，开展水化学作用下类砂岩材料物理力学特性的研究具有十分重要的意义。

近年来关于水化学溶液对混凝土的物理力学性质影响的研究已受到了研究者的重视，并取得许多成 果［1－11］。 如 Fattuhi等［1］、Kong 等［2］、Chandra［3］和Attiogbe等［4］使用不同配比的砂浆、混凝土和水泥浆体，将试样浸泡在不同浓度的酸性溶液中，利用EDAX（扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）上用的一种附属分析设备——能谱仪）、扫描电镜和SEM等微观检测技术，对受腐蚀的砂浆、混凝土和水泥浆体的物质成分、结构及抗压强度的变化进行了详细分析，根据化学反应物成分的不同，提出了不同的反应模型，发现受酸腐蚀的过程是复杂的。郑楠［5］开展了不同化学溶液、不同浓度、不同pH值的水化学环境对砂浆试样力学性能的试验研究，主要研究了不同水化学溶液腐蚀后砂浆试样的抗压强度和应力应变曲线的变化规律，并在实验结果的基础上，提出了水泥砂浆受盐酸腐蚀的强度计算模型。然而，有关化学作用对砂浆试样三轴试验力学特征的影响效应方面却鲜见。

笔者开展溶液pH值、浓度及化学成分对砂浆试样力学特性的试验研究，分析了化学腐蚀作用对砂浆微细观结构的影响效应，并对化学腐蚀机理进行了探讨。同时，基于孔隙率建立了损伤变量来定量描述砂浆试样的物理力学参数在化学腐蚀过程中的演化过程。

1 试验材料与方法

1.1 试验仪器及试样制备

试验仪器采用西安理工大学岩土所与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的WDT－1500多功能材料试验机，该试验机由轴向加载系统、围压加载系统、横向剪切系统、声波检测系统（采用中国科学院武汉岩土所RSM－SY5声波检测仪，包括声波检测分析仪、声波换能器）、计算机控制与量测系统5部分组成。最大轴向力为1500kN，最大围压80MPa，轴向和径向变形测量范围分别为0～10mm和0～5mm。

1.2 试样制备

试验采用灰∶砂∶水＝1∶2∶0.5的砂浆试样，水泥选用陕西秦岭P.O 32.5，砂料选用西安浐河砂，并对其水洗干净烘干处理，同时对砂粒粒径级配进行了严格的控制，目的是为了保证砂浆试件所用骨料的均匀性。所用砂粒骨料粒径级配重量比为φ1（0.16～0.315mm）：φ2（0.315～0.63mm）：φ3（0.63～1.25mm）：φ4（1.25～2.50mm）＝ 5%：30%：40%：25%，铸模一次成形，加工成φ50mm×100mm圆柱状，养护24h脱模，然后在养护箱内（20℃，湿度90%）养护28d后，取出自然风干。试验前，采用中国科学院武汉岩土所RSM－SY5声波检测仪对试件进行声波波速测试，剔除差异比较大的试件，并依据纵波波速对砂浆试件进行分组，即9组，每组12个试件，总计108个试件。试验前将试件放在105℃烘箱内烘24h，然后测定每块试件的原始重量及纵波速度，其密度介于2.02～2.08g／cm3之间，纵波速度变幅在3602～3781m／s，孔隙率范围为8.07%～9.59%，这说明试验所用的砂浆试样物理性质相对均匀。

1.3 化学溶液的配制

陕西省煤炭资源丰富，特别是陕北煤田的发现，以煤为原料的化学工业成为陕西省当前发展的重点，其中包括焦炭、兰炭、尿素等，这些化工行业在生产过程中产生大量的SO2、NOx、COx、NH3、H2S等污染物，而这些污染物在大气中转化为MSO4、MHCO3、MNO3、MCL等，这些污染物随着降雨及地表径流直接与岩体接触，是岩石与水发生化学腐蚀的主要前体物。加之地下水实际是一种复杂的化学溶液，其成分随着时间和空间的变化而变化。大多数地下水中含有的主要阳离子有：Na＋、Ca2＋、Mg2＋、K＋等；阴离子主要有SO42－、CL－、HCO3－等，一般情况下，水中的pH＝5～8。要逐一研究或模拟这些污染物的作用，既不可能、也没有必要。综合考虑以上诸因素的影响，在模拟试验中，主要考虑Na＋、SO42－、HCO3－离子对岩石的影响，并选择了Na2SO4和NaHCO3两种溶液。又由于环境中水岩相互作用是一个长期而缓慢的过程，在试验过程中，为了在较短的时间尺度内观察到这种变化，以及排除一些因素的干扰，采用浓度较大、pH值较小或较大的化学溶液来模拟。试验所配置化学溶液如表1所示。

表1 化学溶液的配制

采用抽真空法将烘干的试样强制饱和于如表1所示的溶液中，浸泡60d，容器为15L的磨口试剂瓶（整个试验在密闭的条件下进行）。采用饱和浮力称重法测定不同时刻水泥砂浆试样的孔隙率。试验在室内条件下进行，在整个浸泡的过程中室温变化不大，因此可以忽略温度对试验的影响。每隔4d（刚开始1个月每隔4d测一次，之后随着化学溶液中H＋的减少反应越来越少，测试的间隔变为隔8d测一次）测试化学溶液的pH值、Ca2＋及Mg2＋离子浓度。

2 试验结果及分析

2.1 水溶液pH值变化规律

从试验开始计时，分不同的时间段测量水化学溶液的pH值，得到各种环境下水化学溶液的pH值随时间的变化规律，如图1所示。

图1 不同水化学溶液条件下，pH值随时间变化关系

从图1可以看出：

1）无论是哪种化学溶液，随着化学腐蚀时间的加长，其pH值均趋于碱性。这主要是由于试验所用的硅酸盐水泥在水解和水化反应的过程中生成了硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3Fe2O3）等矿物等矿物，前两者水化生成了水化硅酸钙和氢氧化钙，大量氢氧化钙的生成是水泥浆体呈现碱性的主要原因；另外水化产物水化铝酸钙等也呈碱性。

2）在水化学腐蚀的初期（前10d），各种条件下的水化学溶液pH值变化比较显著，随后溶液pH值变化幅度逐渐变小并趋于稳定。这说明在封闭的系统内水化学溶液对砂浆试样的腐蚀作用具有时间效应，随着时间的增加，水化学腐蚀作用逐渐减弱并稳定。

3）强酸性、弱酸性环境条件下，水化学溶液pH值变化幅度较大；而弱碱性环境条件下，水化学溶液pH值变化幅度较小。说明酸性环境条件下的水化学溶液对砂浆腐蚀作用较强，而碱性条件下则相对较弱。

4）在其他条件相同的情况下，不同浓度条件下化学溶液的pH变化趋势基本一致，水化学溶液浓度对砂浆的影响主要体现在水化学腐蚀的初期（前10d），浓度越大，pH值的变化幅度越大。

5）试验分别研究了弱酸性、中性条件下化学溶液离子成分的影响。从图1（c）和图1（d）可知，在其他条件相同的情况下，不同化学溶液成分条件下溶液的pH变化趋势与pH影响下及浓度影响下的趋势基本一致，化学溶液的pH值随着腐蚀时间均趋于碱性。

2.2 砂浆试样孔隙率及纵波波速变化规律

在不同水化学溶液腐蚀的过程中，砂浆试样的孔隙率和纵波波速的变化情况详见图2和图3。定义反映状态的物理量——孔隙变化率a及其波速变化率b，即：

式中：φi0、νi0和φit、νit分别为第i块试样腐蚀前后的孔隙率及其纵波波速。

图2 试样腐蚀后的孔隙率与纵波波速关系

图3 试样腐蚀后的a与b关系

试验结果表明：无论是在不同pH值、不同浓度及化学成分化学溶液条件下，砂浆试样的孔隙率变化率和纵波波速变化率均随着化学腐蚀时间的加长而增大，砂浆试样的孔隙率随着腐蚀时间的加长而增大，而其纵波波速随着化学腐蚀时间的加长而减小。

从图2和图3中可以看出：随着砂浆试样的孔隙率的增大，其纵波波速随着降低；而试样孔隙率的变化率与其纵波波速变化率之间的一致性比较明显。这说明可以用试样纵波波速的变化来反映其内部孔隙率的变化，也证明了试验所得数据合理可靠。

2.3 常规三轴试验结果

在不同水化学溶液腐蚀的过程中，砂浆试样的三轴压缩试验结果详见表2。试验结果表明，在相同围压条件下，自然状态下砂浆试样的力学参数均大于任何饱水条件下的力学参数；经化学腐蚀后砂浆试样的力学参数均呈现出不同程度降低。相同条件下，试样粘聚力的降低程度大于内摩擦角。

在其他条件相同的条件下：1）考虑溶液pH值的影响，随着溶液酸性的增强，砂浆试样的力学参数降低程度越明显；2）考虑溶液浓度的影响，随着浓度的增大，水泥砂浆试样的力学参数的劣化程度越大；3）考虑溶液化学成分的影响，中性环境对水泥砂浆试样也有一定的腐蚀作用，主要表现为溶蚀作用，并且，在其他条件相同的情况下Na2SO4溶液条件下试样的力学参数降低程度较纯蒸馏水大一些。酸性条件下，Na2SO4溶液对砂浆试样的腐蚀程度比NaHCO3溶液强。

表2 不同水化学条件下砂浆试样的三轴压缩试验结果

3 化学腐蚀下的损伤变量机制分析

3.1 损伤变量

基于孔隙率的损伤变量［6－7］

式中：φi0为第i块砂浆试样腐蚀前的孔隙率；φit为第i块砂浆试样腐蚀t d后的孔隙率。

水化学腐蚀作用引起岩石微细观结构发生变化：即岩石的孔隙率增大，依孔隙率的变化为基准建立损伤变量，可以反映岩石微细观结构被水化学溶液腐蚀的程度。

3.2 水化学损伤对砂浆试样物理力学参数的影响

化学腐蚀后试样的微细观结构及其矿物组成均发生了不同程度的改变，引起试样不同程度的化学损伤，在宏观上表现为试样物理力学参数出现不同程度的劣化。对浸泡60d砂浆试样物理力学参数与损伤变量之间的关系进行研究，如图4～7所示。

图4 砂岩试样的粘聚力与D关系

图5 砂岩试样的内摩擦角与D关系

图6 砂岩试样的纵波波速与D关系

图7 砂岩试样的b与D关系

对图4～7进行回归分析后得到：

从式（3）中可以看出，砂浆试样的粘聚力、内摩擦角、腐蚀后的纵波波速都随着损伤变量的增大而呈现出减小的趋势，而纵波波速变化率随着损伤变量的增大而增大。进一步说明了水化学环境的侵蚀作用随着时间的加长，其积累效应会导致宏观上砂浆试样的物理力学参数均出现减小。

4 结论

1）无论是哪种化学溶液，随着化学腐蚀时间的加长，其pH值均趋于碱性；砂浆试样的孔隙变化率和纵波波速变化率均有所增大，并且具有明显的时间阶段性。

2）不同化学成分的化学溶液对砂浆试样的腐蚀程度各不相同。酸性条件下，Na2SO4溶液对砂浆试样的腐蚀程度要比NaHCO3溶液大；中性环境对试样也有一定的腐蚀作用。与纯净的蒸馏水相比，Na2SO4溶液对砂浆试样的腐蚀作用要强一些。

3）试样的物理化学性质与其力学参数之间有着密切的联系，即砂浆试样的孔隙率变化率或纵波波速变化率、或溶液中溶出的Ca2＋、Mg2＋离子浓度越大，其力学参数的劣化程度越大。因此，可以用化学腐蚀后砂浆试样所产生的次生孔隙率来定量的描述砂浆化学腐蚀的程度，基于其可以定义损伤参量。

4）试样腐蚀后试样的粘聚力与损伤参量呈指数关系；其内摩擦角、纵波波速与损伤参量符合线性关系；其纵波波速变化率与损伤参量符合对数函数关系。

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