水泥砂浆受硫酸钠侵蚀时力学特性的尺寸效应研究

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(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室, 长沙 410014; 2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059; 3.宁波大学 建筑工程与环境学院, 浙江 宁波 315211; 4.武汉地铁集团有限公司, 武汉 430070)

水泥砂浆受硫酸钠侵蚀时力学特性的尺寸效应研究

熊良宵1, 2, 3，陈聪4

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 水能资源利用关键技术湖南省重点实验室, 长沙 410014; 2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059; 3.宁波大学 建筑工程与环境学院, 浙江 宁波 315211; 4.武汉地铁集团有限公司, 武汉 430070)

为了解水泥砂浆试件经海水侵蚀时的尺寸效应，分别采用3种尺寸的正方体试件放在硫酸钠溶液中侵蚀，后每隔一定时间取出部分试件进行单轴压缩试验，分析不同尺寸试件的单轴抗压强度、峰值应变和弹性模量的差异。研究结果表明：试件经硫酸钠侵蚀时强度的尺寸效应存在一个临界值，随着试件尺寸的增加，侵蚀对强度的影响效应会呈现增加后减小的规律;不同尺寸的试件经硫酸钠侵蚀时，其峰值应变和弹性模量的差异没有强度的差异明显。

水泥砂浆；硫酸钠；尺寸效应；抗压强度；峰值应变

1 研究背景

尺寸效应是混凝土的力学特性中必须要考虑的影响因素。国内外已有很多研究者针对混凝土力学性能的尺寸效应进行了室内试验、数值分析和理论分析。

唐欣薇等[1]对不同尺寸的立方体自密实混凝土试件进行单轴压缩试验，试验结果表明，随着试件尺寸的增加，混凝土的单轴抗压强度不断减低；陈伟等[2]利用大型多功能静动力三轴仪对混凝土材料进行了不同尺寸和不同应变速率下的单轴压缩试验，分析了不同应变速率下不同试件尺寸混凝土的峰值应力、应变等变化规律；苏捷等[3]通过试验，系统研究了不同强度等级的混凝土抗压强度的尺寸效应，建立了强度等级与立方体抗压强度尺寸效应的关系；Yi等[4]通过试验，研究了试件的形状和尺寸对混凝土单轴抗压强度的影响；Sim等[5]通过试验，研究了试件的形状和尺寸对轻质混凝土的单轴抗压强度的影响；Viso等[6]通过试验，研究了试件的形状和尺寸对高强度混凝土的单轴抗压强度的影响；Dehestani等[7]通过试验，研究了试件的形状和尺寸对自密实混凝土的单轴抗压强度的影响。这些研究者通过试验均得到相同结论，即随着试件尺寸的增大，单轴抗压强度会随之减小。

混凝土在海水侵蚀下的力学性能是评价海洋环境下混凝土结构耐久性的重要指标，国内外已有很多研究者针对海水侵蚀后混凝土的力学特性开展了试验研究。梁咏宁等[8]对受硫酸盐腐蚀后的普通混凝土进行单轴受压试验，研究了硫酸盐侵蚀环境下混凝土力学性能的变化；张峰等[9]开展了混凝土在海水干湿循环作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究；熊良宵等[10]对经海水侵蚀后的水泥砂浆试件开展了单轴动态力学试验。

上述研究者在进行试验时，普遍是采用同一大小尺寸的正方体试件，先将试件放在腐蚀溶液中侵蚀，每隔一定时间进行单轴压缩试验。前面已阐述，混凝土试件的单轴抗压强度存在尺寸效应，而不同大小尺寸的混凝土试件放在腐蚀溶液中侵蚀时，比表面积不同，就会使得侵蚀损伤效应也不同，那么不同大小尺寸的试件经腐蚀溶液侵蚀后，抗压强度的差异主要包括2部分：①与未经腐蚀溶液侵蚀时一样，不同大小试件的抗压强度会存在尺寸效应；②由于侵蚀时不同比表面积所造成的侵蚀损伤效应不同，导致抗压强度的减小程度会不同。Brunetaud等[11]研究了混凝土试件受到外部硫酸盐侵蚀时的尺寸效应，但只是研究了不同尺寸的混凝土试件经硫酸盐侵蚀时质量、长度和动态弹性模量的变化规律的差异，并没有研究混凝土试件的抗压强度等力学性能的变化规律的差异，而试件也只包括3种：① 4 cm× 8 cm的圆柱体试件；② 11 cm× 22 cm的圆柱体试件；③ 4 cm×4 cm×16 cm的长方体试件。因此，目前有关尺寸对混凝土试件经海水侵蚀时的力学特性的影响还有待于深入开展研究，可为海洋工程结构的设计提供理论基础。

本文将不同尺寸的水泥砂浆试件放在硫酸钠溶液中侵蚀，通过对经侵蚀后的试件进行单轴压缩变形试验，研究不同尺寸的水泥砂浆经硫酸钠溶液侵蚀后的力学特性变化规律的差异。

2 试件制备及试验方法

2.1 材 料

试验中所用水泥为中国建筑材料科学研究院生产的基准水泥，该水泥的强度等级为42.5。砂采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂，粒径范围为0.5～1.0 mm，为中级标准砂。

2.2 水泥砂浆试件的制作

在浇筑时水泥砂浆试件的尺寸分为3种，分别为边长70.7,100,150 mm的正方体。

水泥砂浆试件的胶砂比为1∶2，水灰比为0.65。试件的配合比见表1。

表1 每立方米水泥砂浆试件的配合比Table 1 Mix proportion of cement mortar specimen

2.3 试验仪器

单轴压缩试验在万能压缩试验机(WAW-1000C)上进行。该仪器最大位移速率为60 mm/min，最大加载能力为1 000 kN。

2.4 试验方法

试件经标准养护28 d后，将其放在质量分数为8%的硫酸钠溶液中侵蚀。当侵蚀时间为0，20，40，60，80，110，150，190 d时，便拿出部分试件进行单轴压缩变形试验，并采用应变控制式的加载方式，应变率为10-5s-1。

3 试验结果与分析

3.1 应力-应变关系曲线

不同尺寸试件的应力-应变曲线随侵蚀时间的变化规律如图1所示。

图1 试件的应力-应变曲线随侵蚀时间的变化规律Fig.1 Evolution of stress-strain curves of specimens with erosion time

3种不同尺寸的试件经硫酸钠侵蚀后，应力-应变曲线均主要包括压密阶段、弹性变形阶段、裂纹扩展阶段和峰后软化阶段。

未经侵蚀时(0 d)3种不同尺寸的试件的应力-应变关系曲线见图2，经过190 d侵蚀后的应力-应变关系曲线见图3。

图2 未侵蚀时不同尺寸试件的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of specimens of different sizes not yet immersed in solution

图3 侵蚀190 d时不同尺寸试件的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of specimens of different sizes at the 190th day of immersion

由图2、图3可知，0 d和190 d时，3种不同尺寸试件的应力-应变曲线的形状基本相似，但边长为70.7 mm的试件的峰后曲线的斜率比边长为100，150 mm的试件的峰后曲线的斜率小，说明小尺寸试件的延性大于大尺寸试件的延性。190 d时各种尺寸试件的峰后曲线的斜率均大于0 d时峰后曲线的斜率，说明经过硫酸钠侵蚀190 d后，水泥砂浆试件的脆性反而增加了。

图4 极限抗压强度随侵蚀时间的变化规律Fig.4 Evolution of compressive strengths of specimens with erosion time

3.2 抗压强度的变化

经不同侵蚀时间后试件的抗压强度的变化规律见图4。由图4可知，当侵蚀时间为0 d时，边长为70.7 mm的试件的单轴抗压强度最大，边长为100 mm的试件的单轴抗压强度其次，边长为150 mm的试件的单轴抗压强度最小，这符合普遍得到的结论。

随着侵蚀时间的增加，各种尺寸试件的单轴抗压强度呈先增加后减小的规律。边长为70.7 mm的试件的单轴抗压强度在80 d时达到最大值，为41.45 MPa；边长为100 mm的试件的单轴抗压强度在110 d时达到最大值，为41.69 MPa；边长为150 mm的试件的单轴抗压强度在110 d时达到最大值，为37.33 MPa。

当侵蚀时间为20 d时，这3种尺寸试件的抗压强度的大小比较关系与0 d时仍一致；40 d和60 d时，边长为100 mm的试件的单轴抗压强度最大，边长为70.7 mm的试件的单轴抗压强度其次，边长为150 mm的试件的单轴抗压强度最小；80，110，150，190 d时，边长为70.7 mm的试件的单轴抗压强度与边长为100 mm的试件的单轴抗压强度的大小比较结果并不稳定，但相对边长为150 mm的试件而言，边长为70.7 mm的试件的单轴抗压强度与边长为100 mm的试件的单轴抗压强度相对比较接近，而边长为150 mm的试件的单轴抗压强度一直为最小。

当侵蚀时间为0 d时，这3种试件的单轴抗压强度的差异完全是由尺寸效应所致，但试件经侵蚀后，这3种试件的抗压强度的差异有一部分是由于侵蚀时试件比表面积不同所致。

为了分析侵蚀对不同尺寸的试件强度影响的差异，定义强度随侵蚀时间的增长率为

(1)

式中：fcu,0为砂浆试件标准养护28 d时的单轴抗压强度(MPa)；fcu,t为砂浆试件腐蚀到t龄期的单轴抗压强度(MPa)。

图5 强度增长率与侵蚀时间的关系曲线Fig.5 Evolution of the growth rate of strength of specimen with erosion time

强度随侵蚀时间的增长率见图5。由图5可知，侵蚀时间在20～190 d时，边长为100 mm的试件的强度增长率最大，边长为150 mm的试件的强度增长率次之，边长为70.7 mm的试件的强度增长率最小。因此，可认为这3种尺寸中，侵蚀对边长为100 mm的试件强度的影响程度最大。Brunetaud等[11]的研究结论是小尺寸试件比大尺寸试件对硫酸钠侵蚀更加敏感。

本文的结果表明，试件经硫酸钠侵蚀时，尺寸效应对强度的影响会存在一个临界值，当试件的尺寸小于该临界值时，随着尺寸的增加，侵蚀对强度的影响效应会逐渐增大;大于该临界值时，随着尺寸的继续增加，侵蚀对强度的影响效应反而会逐渐减小。因此，本文所得到的结论与Brunetaud等[11]的研究结论并不相同。

3.3 水泥砂浆的峰值应变

试件的峰值应变随侵蚀时间的变化规律见图6。由图6可知，在0～190 d时，边长为150 mm的试件的峰值应变总体最大，边长为100 mm的试件的峰值应变总体最小，边长为70.7 mm的试件的峰值应变总体居于中间，这说明边长为150 mm的试件的延性最大，而边长为100 mm的试件的延性最小。

3.4 水泥砂浆的弹性模量

本文弹性模量数值取30%峰值应力对应的应变计算出的割线弹性模量。试件的弹性模量随侵蚀时间的变化规律见图7。

图6 峰值应变随侵蚀时间的变化规律Fig．6 Evolutionofstrainatpeakstresswitherosiontime

图7 弹性模量随侵蚀时间的变化规律Fig．7 Evolutionofelasticmoduluswitherosiontime

由图7可知，在0～190 d时，边长为100 mm的试件的弹性模量总体最大，边长为150 mm的试件的弹性模量总体最小，边长为70.7 mm的试件的弹性模量总体居于中间。

4 结 论

(1) 试件经硫酸钠侵蚀时，尺寸效应对强度的影响会存在一个临界值，当试件的尺寸小于该临界值时，随着尺寸的增加，侵蚀对强度的影响效应会逐渐增大;大于该临界值时，随着尺寸的继续增加，侵蚀对强度的影响效应反而会逐渐减小。

(2) 不同尺寸的试件经硫酸钠侵蚀时，其峰值应变和弹性模量的差异没有强度的差异明显。随着尺寸的增加，峰值应变和弹性模量也并非呈一直增加或减小的趋势。

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(编辑：陈 敏)

Size Effect on Mechanical Properties of Cement MortarCorroded by Sodium Sulfate Solution

XIONG Liang-xiao1, 2, 3, CHEN Cong4
(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Hydropower Development Key Technology, Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China; 2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 3.Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 4.Wuhan Metro Group Co., Ltd.,Wuhan 430070, China)

To study the size effect on the mechanical properties of cement mortar corroded by sodium sulfate solution, uniaxial compression tests were carried out on cement mortar specimens of three different sizes being corroded for a certain time in sodium sulfate solution. The differences of specimens in uniaxial compressive strength, strain at peak stress and elastic modulus were analyzed. The research result shows that the effect of erosion on the uniaxial compressive strength increased first and then decreased with the size of specimen reaching a critical value. The differences of strain at peak stress and elastic modulus were less significant than uniaxial compressive strength.

cement mortar; sodium sulfate; size effect; compressive strength; strain at peak stress

2016-05-25；

：2016-09-05

水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放研究基金项目(PKLHD201405)

熊良宵(1982-)，男，江西九江人，副教授，博士，主要从事岩石与混凝土材料力学的研究工作,(电话)028-84078874(电子信箱)xionglx1982@126.com。

10.11988/ckyyb.20160523

2017,34(9):145-149

TU502

：A

：1001-5485(2017)09-0145-05