不同硫酸钠溶液浓度对混凝土力学性能及内部结构孔隙影响研究①

徐 威, 刘来肥，许 涛

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.国网安徽省电力有限公司黄山供电公司，安徽 黄山 245200)

0 引 言

现如今，现浇混凝土在盐渍地区公路、隧道、桥梁等工程中广泛应用，但盐渍土地区气候环境复杂多样[1]，其中硫酸根离子是导致混凝土性能劣化的重要腐蚀介质之一，它渗入混凝土内部与水泥水化产物发生反应，使其产生膨胀、开裂等现象，导致混凝土使用寿命大大降低[2-3]。目前，学者们针对硫酸钠作用下混凝土的抗压强度、弹性模量等宏观性能做了一系列研究，得出试验结果发现其抗压强度、动弹性模量、泊松比等宏观力学性能随着浓度的增加而逐渐降低[4-6]，但有关微观方面的报道甚少。尽管李泽良阐述硫酸根离子对混凝土的腐蚀机理[7]，褚冰通过扫描电镜发现硫酸盐腐蚀之后混凝土内部会有大量钙矾石晶体生成，而且内部大量孔隙分布呈松散体状态[8]，但对于混凝土材料而言，作为一种由粗、细骨料及胶凝材料组成的多相复合体，当受硫酸盐腐蚀影响后，内部结构孔隙数量、孔隙分布肯定发生巨大变化，严重影响混凝土宏观力学性能，然而这一点上述学者没有从这方面进一步揭示，因此有必要对混凝土材料在硫酸盐腐蚀下内部孔隙变化规律进行探讨，以揭示其对混凝土力学特性的影响，为实际工程中混凝土结构在受硫酸盐腐蚀方面提供参考。

1 实 验

1.1 试验材料准备

水泥采用海螺牌P. O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料选用细度模数为2.6的淮滨河砂，粗骨料选用粒径为5～10mm玄武岩，外加剂采用由矿渣、硅粉、高性能减水剂组成NF-F型早强减水剂。按照1m3/kg水泥∶石子∶砂子∶水∶NF-F为350∶1190∶669.92∶194.7∶70配合比浇筑成150×150×150mm的标准立方体试块，在标准养护箱里养护28d后，加工成高径2∶1(高度100mm，直径50mm)圆柱体试件，两端面不平行度小于0.05mm，上下端面与试样的中心轴线垂直度偏差不超过0.25°。

1.2 试验方案

试验开始前，采用核磁共振仪器测其腐蚀前试件孔隙结构后，将其分别置于浓度10%、15%、20%、25%硫酸钠溶液中浸泡7个月，观察腐蚀过后试件形貌特征的变化，最后再次测试试件内部孔隙结构的变化特征以及电液伺服三轴试验机进行单轴压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1 硫酸钠溶液腐蚀后试件外观形貌

图1 不同浓度腐蚀下试件外观形貌

从图1可以明显看出，试件表面宏观现象随着浓度的增加损伤程度越来越明显，浓度10%试件A由于盐类结晶出现花斑，并且逐渐泛白现象，端部边缘地区有微小裂纹生成，浓度15%试件B表面出现少量孔洞，并且试件端部边缘有微小裂缝相互贯连，浓度20%试件C表面亦出现较小孔洞，端部边缘由于膨胀而出现碎片剥落现象，至于浓度25%试件D表面孔洞密集，端部周边产生大量裂缝，并且出现大幅度碎渣剥落现象。

2.2 单轴压缩全应力-应变试验结果分析

为进一步反应不同浓度因素对混凝土单轴压缩抗压强度影响规律，绘制出不同浓度水平下应力-应变全曲线。

图2 全应力-应变全曲线

从图2上可以看出，硫酸钠溶液作用下混凝土应力-应变全曲线变化规律基本相似，可大致分为四个阶段。OA段为压密阶段，曲线呈下凹型，轴向应力与应变之间无明显线性关系且曲线斜率较小。AB段为线弹性变形阶段，该阶段应力随应变的增大迅速提升，轴向应力-应变曲线趋近于一条直线呈明显线性关系。BC段为塑性变形阶段,这一阶段应力增长速率逐渐变缓，曲线斜率不断减小，混凝土变形由弹性阶段的可恢复特性转化为不可恢复性，试样内微小裂隙不断扩展并逐渐产生贯通裂纹。CD段为峰后阶段，该阶段轴向应力达到试样强度峰值，混凝土基体裂隙大规模贯通，试样破坏并伴随承载能力丧失。

不同浓度硫酸钠溶液腐蚀后试件的峰值应力、峰值应变、弹性模量及变化趋势如表 1 所示。

表1 峰值应力、峰值应变、弹性模量

从表1可以看出，混凝土试件峰值应力、弹性模量均随硫酸钠浓度增加而整体呈现下降的趋势，而峰值应变恰恰相反。浓度为10%时，混凝土峰值应力为57.38MPa，相比基准组降低了1.96MPa，峰值应变较基准组增加了1.2×10-3，说明低浓度腐蚀初期，混凝土内部水泥化合物与硫酸钠发生化学反应，从而产生石膏或者钙矾石将内部孔隙和微细裂缝堵住，使得密实度提高，但是由于侵蚀周期长，内部结构开始变得疏松，孔隙增多，则浓度10%硫酸钠腐蚀作用下混凝土强度衰减不明显。随着浓度的进一步提升，峰值应力衰减越来越明显，当浓度为25%时，较基准组混凝土峰值应力降低了14.07MPa，说明硫酸盐浓度越高，混凝土试件表面孔洞逐渐密集，硫酸根离子进入混凝土试件内部数量增多，致使内部孔隙数量增多，产生了一定数量的微小缝隙，造成混凝土试件峰值应力、弹性模量大幅度下降。

2.3 不同硫酸钠溶液浓度核磁共振T2谱分布曲线

通过核磁共振试验测试试件微观孔隙结构，得到不同浓度下混凝土试件的弛豫时间T2谱分布(如图3)。

图3 T2谱分布图

由图3可知，在不同的浓度腐蚀作用下，混凝土内部的孔隙结构发生明显的变化，但变化的趋势基本相同，且都出现三个峰，从左到右分别为峰1、峰2、峰3，峰1代表小尺寸孔隙，峰2、峰3分别代表中尺寸孔隙、大尺寸孔隙，峰1幅值在弛豫时间0.3827ms附近，并均大于峰2、峰3位置幅值，说明试件内部结构小尺寸孔隙数量最多，硫酸钠溶液对混凝土的小尺寸孔隙最为敏感，从而使得峰1幅值明显高于峰2、峰3幅值；对比不同浓度T2谱曲线分布，基准组峰1、峰2、峰3幅值最小，且小尺寸孔隙占的比例大，由于没有经过硫酸钠腐蚀，基准组试件内部结构较为致密，混凝土孔隙数量远小于硫酸钠作用下的试件孔隙数量。此外，峰1幅值随着硫酸钠浓度的增加而增大，与基准组对比，分别提高了15.8%、27.4%、42.9%、64.1%，而且峰1幅值上升的速率逐渐加快，这表明随硫酸钠浓度增高，小尺寸孔隙数量不断地增加，硫酸根离子对试件的腐蚀越剧烈，效果越明显，对混凝土内部造成的损伤越大；同时峰2、峰3峰幅值也都略有增加，其原因在于，随着硫酸钠浓度的加大，试件小尺寸孔隙不断地向中尺寸、大尺寸孔隙扩展，内部存在着一个动态变化的形态，最终发展成孔隙与孔隙之间相互联通产生微小裂缝，进一步造成混凝土试件损伤，使混凝土力学性能降低。

3 结 论

(1)经过硫酸钠浸泡后的混凝土试件表面有晶体析出，并逐渐泛白，损伤更严重的，端部会出现膨胀、剥落等现象；通过全应力-应变曲线可以发现，随着硫酸钠浓度的增大，曲线表现出一定的右移倾向，混凝土试件峰值应力、弹性模量降低，反而峰值应变增大。

(2)通过核磁共振试验测试驰豫时间T2谱了解到混凝土腐蚀前后内部孔隙的发育、扩展情况，并对损伤扩展的趋势做出准确的分析和判断。随着硫酸钠浓度增加，混凝土内部孔隙逐渐扩展，使得孔隙数量增多，最终孔隙相互贯通、扩展形成微裂纹，是造成混凝土应力、弹性模量降低主要原因。