高强混凝土经轴压和硫酸盐侵蚀后的力学性能
2017-10-24，，，，
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(烟台大学 土木工程学院,山东 烟台 264005)
高强混凝土经轴压和硫酸盐侵蚀后的力学性能
刘亚，逯静洲，朱孔峰，田立宗，国力
(烟台大学 土木工程学院,山东 烟台 264005)
对经历不同程度轴压荷载的高强混凝土试件(尺寸为100 mm100 mm300 mm)进行硫酸盐长期浸泡和干湿循环试验，并在180 d侵蚀后对其进行单轴压缩试验。分析不同侵蚀方式下，硫酸盐浓度大小及历史荷载水平对峰值应力、峰值应变、弹性模量、应力-应变曲线等的影响。结果表明：在相同历史荷载水平下，随着硫酸盐溶液浓度的增加，侵蚀方式是长期浸泡时，峰值应变先减小后增加，峰值应力、弹性模量则先增大后减小；而侵蚀方式是干湿循环条件时，随硫酸盐溶液浓度的增大，峰值应变持续增加，峰值应力、弹性模量则不断减小。在相同硫酸盐溶液浓度下，随着历史荷载的增大，长期浸泡及干湿循环侵蚀方式下，其峰值应变均增加，峰值应力及弹性模量均降低。引入叠加效应系数K来表征硫酸盐侵蚀与单轴历史荷载作用2个因素的联合交互作用,分析表明，荷载历史与硫酸盐腐蚀联合作用对混凝土的损伤起到相互促进的作用。
高强混凝土；硫酸盐腐蚀；轴压荷载历史；力学性能；损伤
1 研究背景
如今高强混凝土应用越来越广泛，硫酸盐侵蚀是引起混凝土材料失效破坏，导致混凝土结构性能退化和服役寿命缩短的主要因素之一[1]。实际工程中，施工不当、混凝土意外受荷载、自然灾害(如地震、台风、泥石流等)使混凝土结构前期难免会遭受不同程度的损伤[2]。我国沿海地区和西部盐湖地区的混凝土，无时不遭受干湿交替和硫酸盐、氯盐等腐蚀介质的耦合破坏作用[3]。近年来国内外学者针对硫酸盐侵蚀对混凝土力学性能的影响已做过很多研究。梁咏宁等[4]对受硫酸盐腐蚀的普通混凝土进行单轴受压和加速腐蚀试验,测定不同腐蚀时期的混凝土的应力-应变全曲线，研究表明：随腐蚀进行，混凝土的峰值应力和弹性模量均先增加后减小；峰值应变为先略微减小，后急剧增大。逯静洲等[5]通过研究历史荷载的混凝土的力学性能，发现经历受压荷载后，混凝土材料会出现损伤。Schneider等[6-7]对高性能混凝土在持续荷载与腐蚀溶液复合作用下的力学性能(抗压强度、弹性模量、长期性能)进行系统的研究，并通过试验总结应力腐蚀下混凝土的损伤预测经验模型，结果表明：混凝土材料对应力腐蚀具有很强的敏感性，应力的大小、状态及腐蚀时间，均对化学侵蚀的加速作用有不同程度的影响。
国内外学者的研究多为考虑单因素及双因素作用对普通混凝土材料性能及耐久性的影响[8-10]，而对多种因素作用下高强混凝土的力学性能尤其是应力-应变曲线关系研究甚少。本文对不同程度单轴受压历史荷载的高强混凝土试件进行硫酸盐长期浸泡和干湿循环试验，分析不同历史荷载、不同硫酸盐浓度、不同侵蚀条件作用对其力学性能的影响，并对各种因素联合作用下的叠加效应进行了分析。
2 试验概况
2.1 试件制备与养护
试验采用冀东牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其化学组成见表1，物理力学性能见表2。细骨料为细度模数为2.8、颗粒级配良好的中砂；粗骨料采用最大粒径为20 mm的碎石；溶剂采用普通自来水。配合比参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，配合比m水泥∶m砂∶m石子∶m水= 1∶1.08∶2∶0.31。试验所用棱柱体试件尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。将其在(20±5)℃室温下静置约24 h后拆模，随即放入养护室进行标准养护(温度为(20±2)℃，湿度为95%以上)至 28 d测得立方体试块的抗压强度标准值为62.14 MPa,达到试验标准。
表1 水泥化学组成质量百分比Table 1 Chemical composition of cement in terms of mass %
注：L.O.I为原料的烧失量
表2 水泥的物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement
注：细度和标准稠度用水为质量百分比
2.2 试验设备
试验加载装置和测量系统如图1所示。试验采用YAW-2000D型微机控制电液伺服压力试验机对试件进行单轴静力加载；运用非接触式位移应变视频测量仪对试验数据进行实时监测和采集。其中视频测量仪测量系统工作原理为：在试件上标定测点；利用图像散斑识别技术和二维图像处理技术，准确跟踪被指定点的位置变化，并可同时监测多个测点。
图1 加载装置和视频测量系统Fig.1 Loading equipment and video measuring system
2.3 试验方案与方法
2.3.1 荷载历史试验
单调加载制度：荷载幅值取极限抗压强度的0%，50%和70%；以0.5 MPa/s的速率加载到预定幅值荷载，停留3 min后以相同速率卸载。
循环加载制度：荷载幅值取极限抗压强度的50%；以0.5 MPa/s的速率加载到预定幅值荷载,以此循环10次。
2.3.2 硫酸盐侵蚀试验
本试验设计了对比试验：试验环境4种不同浓度(0%，1%，5%，10%)的硫酸盐溶液，侵蚀方式分为长期浸泡和干湿循环。
试验采用干湿循环制度为：首先在室温条件下，将试件放置于盐溶液中浸泡16 h，然后取出至室温下晾干1 h，随即放入80 ℃烘箱中烘烤6 h后室温冷却1 h。以此形式24 h干湿交替为一个周期，并每隔1个月更换溶液。本试验对高强混凝土试件进行干湿循环的天数为180 d。最后在YAW-2000D电液伺服压力试验机上对多种因素联合作用后的高强混凝土试件进行单轴压缩试验。试件分组和编号见表3。
表3 试件分组和编号Table 3 Test numbers and corresponding conditions
注：荷载水平对应的0%,50%,70%分别表示荷载幅值取极限抗压强度的0%,50%,70%
图2 不同侵蚀条件下试件破坏形态Fig.2 Failure modes of specimens under different erosion conditions
3 试验结果与分析
3.1 破坏过程及形态
由试验可得，由于历史荷载的大小对试件破坏现象不明显，本文着重分析不同侵蚀条件及硫酸盐浓度大小对试件破坏形态的影响。图2为试件在70%单调历史荷载条件下，处于不同侵蚀环境中的破坏形态。图2(a)为置于1%浓度溶液、长期浸泡侵蚀条件下的试件破坏形态：试件破坏属于斜向劈裂破坏，劈裂断口较为整齐，断口未出现纵向及横向裂缝，裂缝开展较少。图2(b)为置于1%浓度溶液、干湿循环侵蚀条件下的试件破坏形态：随着应力的增加，试件首先在端部出现微裂缝，然后逐渐扩展形成一条主要的纵向裂缝，直至破坏。图2(c)为置于10%浓度溶液、干湿循环侵蚀条件下的试件破坏形态：试件破坏阶段首先在试件中间平行于受力方向出现一条细裂缝；随着应变的增加，在试件四周均出现多条不连续的纵向短裂缝，同时沿着破裂面碎渣掉落；最后裂缝扩展到全截面直至破坏。
3.2 峰值应力和应变
图3为不同历史荷载、不同侵蚀条件下高强混凝土180 d后峰值应力随溶液浓度变化情况。由图3(a)可知：干湿循环条件下，随着溶液浓度、历史荷载水平的增大，峰值应力均降低，但历史荷载水平对峰值应力的影响程度较小。由图3(b)可知：长期浸泡条件下，峰值应力随浓度的增大先增后降；随历史荷载的增大而降低。对比可知：干湿循环条件下，峰值应力在15～60 MPa范围内变化；长期浸泡条件下，峰值应力变化幅值为55～65 MPa。可见，干湿循环侵蚀条件下，高强混凝土损伤更明显。
图3 不同侵蚀条件下的峰值应力Fig.3 Peak stress under different erosion conditions
图4(a)和图4(b)分别为不同历史荷载下，干湿循环和长期浸泡2种浸泡方式180 d后的高强混凝土峰值应变随溶液浓度的变化曲线。由图4可知：在相同历史荷载条件下，浸泡方式为干湿循环时，180 d后的高强混凝土峰值应变随溶液浓度的增大而显著增加，而在长期浸泡条件下，呈现先减小后增加的趋势，且增加的程度较干湿循环作用条件下小；相同溶液浓度条件下，2种侵蚀方式峰值应变均随历史荷载的增大而增加，但变化程度较硫酸盐溶液浓度影响低的多。
图4 不同侵蚀条件下的峰值应变Fig.4 Peak strain under different erosion conditions
3.3 弹性模量
试验中取应力-应变曲线上升段40%极限抗压强度处的割线模量为弹性模量E。图5给出了不同历史荷载、不同侵蚀方式条件下弹性模量随溶液浓度的变化曲线。由图5可知：相同溶液浓度时，2种侵蚀方式下，弹性模量变化趋势大致为随历史荷载的增大而减小；同历史荷载水平下，干湿循环侵蚀环境中，弹性模量随浓度的增加一直陡然降低，而侵蚀方式为长期浸泡时，弹性模量表现出先增大后减小的发展趋势，且变化幅值较小。
图5 不同侵蚀条件下的弹性模量Fig.5 Elastic modulus under different erosion conditions
图6 溶液浓度对应力-应变曲线的影响Fig.6 Effect of solution concentration on stress-strain curves
4 多因素作用对高强混凝土力学性能的影响
4.1 溶液浓度对应力-应变曲线的影响
图6(a)为50%单调历史荷载下，不同溶液浓度中干湿循环180 d后的应力-应变曲线。可见：在相同历史荷载条件下，随着溶液浓度的增加，应力-应变曲线峰值应力逐渐减小，峰值应变逐渐增加，上升段斜率逐步减小；高浓度下的应力-应变曲线更加扁平，后期应力难以上升，应力峰值点不突出。这说明浓度的大小对高强混凝土力学性能的劣化影响显著。
图6(b)为50%单调历史荷载条件下，在不同溶液浓度中长期浸泡180 d后的应力-应变曲线。可见：峰值应力随着溶液浓度的变化呈现先增大后降低的趋势，峰值应变则为先减小后增大；表现为1%溶液浓度时峰值应力最高，峰值应变最小。其原因是硫酸盐长期浸泡时混凝土内部钙矾石、石膏等膨胀性产物的形成填充了混凝土试件内部的孔隙，使混凝土试件更加密实，从而强度增加；但随溶液浓度的增加膨胀产物积累过多，产生更多的裂缝，导致混凝土力学性能降低。
对比2种侵蚀条件下应力-应变曲线可以看出：干湿循环侵蚀条件下混凝土的力学损伤更加明显，即受溶液浓度的影响更大。
4.2 历史荷载对应力-应变曲线的影响
图7为高强混凝土经相同5%浓度溶液侵蚀环境作用180 d后，在不同历史荷载条件下的单轴受压应力-应变关系曲线。由图7可知：无论是长期浸泡还是干湿循环的侵蚀方式，高强混凝土单轴受压应力-应变曲线的峰值应力均随历史荷载的增加而降低；峰值应变随历史荷载增大而增大。原因是前期施加的历史荷载会在混凝土内部形成微裂缝从而加速了后期硫酸盐的侵蚀作用，同时加速了混凝土的损伤进程，但应力-应变曲线整体形状及倾斜角差别较小。这表明一定范围内的历史荷载水平对高强混凝土应力-应变曲线影响不大。
图7 历史荷载对应力-应变曲线的影响Fig.7 Effect of historical load on stress-strain curves
4.3 轴压荷载历史与硫酸盐侵蚀联合作用对高强混凝土的力学损伤分析
为分析180 d后高强混凝土单轴历史荷载与硫酸盐侵蚀作用的联合效应对混凝土强度劣化的影响，引入强度损伤因子D(强度损失率)。记混凝土腐蚀前后的抗压强度分别为σ0和σc，混凝土受腐蚀后的强度损失量为
Δσ=σc-σ0。
(1)
损伤因子D(强度损失率)为
(2)
用叠加效应系数K来表征硫酸盐侵蚀与单轴历史荷载作用2个因素的联合交互作用，定量表示出相互促进或者相互抑制的效应。设单轴历史荷载作用损伤因子为D1，干湿循环条件下硫酸盐侵蚀损伤因子为D2，长期浸泡条件下硫酸盐损伤因子记为D3，历史荷载与硫酸盐侵蚀联合作用下的损伤因子为Dc。分别建立2种损伤条件下硫酸盐侵蚀和历史荷载联合作用下高强混凝土损伤因子Dc与单个强度损伤因子D1和D2(D3)的关系[11]：
Dc=K(D1+D2(3)) ;
(3)
(4)
当0
图8 不同侵蚀方式下，溶液浓度和历史荷载对K值的影响Fig.8 Effect of solution concentration and historical load on K value under different erosion conditions
图8(a)给出了干湿循环侵蚀条件下，K值与历史荷载水平、硫酸盐溶液的浓度关系。由图8(a)可知,在干湿循环条件下，联合效应系数K值均>1。这说明在干湿循环条件下，历史荷载与硫酸盐侵蚀联合作用会加速高强混凝土的损伤进程，且随着溶液浓度和历史荷载的增大K值有增大的趋势。
图8(b)为侵蚀方式是长期浸泡条件时，K值与历史荷载水平、硫酸盐溶液浓度关系图。由图8(b)可知：当溶液浓度为1%时，K值<1，由于硫酸盐侵蚀产生的膨胀产物填充了一部分历史荷载产生的裂缝，即在较低浓度的硫酸盐溶液侵蚀环境中，长期浸泡减弱了荷载对混凝土的损伤；随着浓度的增加，K值逐步>1，表明早期裂缝的形成加速了高浓度硫酸盐溶液的侵蚀作用。
5 结 论
(1) 侵蚀方式及溶液浓度对高强混凝土单轴压缩试验的破坏形态影响较为明显。
(2) 当历史荷载相同时，高强混凝土干湿循环180 d后溶液浓度越大,混凝土损伤度越大，而在长期浸泡下,随浓度的增加,混凝土力学性能有个短期增加的过程，然后缓慢下降，但其下降速度明显低于干湿循环条件。在硫酸盐浓度相同条件下，混凝土损伤程度会随历史荷载增大而有少量的增大。相对于硫酸盐浓度的影响，历史荷载水平对高强混凝土力学性能的影响要小很多。
(3) 一般来说,高强混凝土前期历史荷载与硫酸盐侵蚀联合作用会加速损伤的累积，腐蚀损伤与荷载损伤存在相互促进的作用。且浓度越高，历史荷载水平越大，这种联合作用后加速损伤的作用越明显。
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(编辑：刘运飞)
Mechanical Properties of High-strength Concrete Subjected toAxial Compression and Sulfate Attack
LIU Ya,LU Jing-zhou,ZHU Kong-feng,TIAN Li-zong,GUO Li
(School of Civil Engineering,Yantai University,Yantai 264005,China)
Sulfate resistance tests including long-term immersion test and dry-wet cycle test were conducted on high-strength concrete specimens (100 mm100 mm300 mm) under different axial loading.Through uniaxial compression experiments on the concrete specimens that have exposed to sulfate attack for 180 days,the effects of sulfate concentration and historical load on parameters such as peak stress,peak strain,elastic modulus and stress-strain curve were analyzed.Results revealed that under the same historical load,parameter changes in the presence of long-term immersion were different from those of dry-wet cycle.In long-term erosion,with the increase of concentration of sulfate solution,peak strain decreased firstly and then increased,whereas peak stress and elastic modulus increased firstly and then decreased.On the contrary,in dry-wet cycles,with the increase of concentration of sulfate solution,peak strain increased,whereas peak stress and elastic modulus continuously decreased.Furthermore,under a given concentration of sulfate solution,with the increase of historical load,peak strain increased whereas peak stress and elastic modulus decreased both in long-term erosion and dry-wet cycles.A superposition effect coefficientKwich describes the joint effect of sulfate attack and uniaxial historical load was introduced,and the results indicated that damage was usually promoted by the combined effect of loading history and sulfate attack.
high-strength concrete; sulfate attack; axial loading history; mechanical properties; damage
TU528.31
A
1001-5485(2017)10-0134-05
2016-07-11；
2016-08-23
国家自然科学基金项目(51479174)
刘 亚(1990-)，男，山东邹平人，硕士研究生，从事混凝土损伤特性研究，(电话)15653869461(电子信箱)1358675925@qq.com。
逯静洲(1973-)，男，山西天镇人，教授，硕士生导师，博士，从事混凝土损伤特性研究，(电话)15553698178(电子信箱)lujingzhou@sina.com。
10.11988/ckyyb.20160701 2017,34(10):134-138
