硫酸盐侵蚀下混凝土单轴压缩力学行为模拟及孔隙特征研究

2022-04-20范红君胡秀月张瀚文

硅酸盐通报 2022年3期

范红君，徐威，申磊，王旭，胡秀月，高聪，张瀚文

(安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001)

0 引言

混凝土材料因具有良好的可塑性和优越的力学性能成为了世界上最重要的建筑材料之一[1-2]。但由于混凝土结构自身存在微孔隙和微裂缝等不均匀缺陷，往往会加速混凝土在服役过程中损伤劣化[3]，导致混凝土未达到设计使用寿命就出现膨胀、开裂、剥落及强度下降等性能劣化现象[4]。文献[5-7]表明硫酸盐对混凝土结构侵蚀尤为严重，如西部盐渍土地区的混凝土柱和桥墩出现大量烂根现象，沿海潮汐区混凝土保护层大量脱落现象等。因此，全面深入展开硫酸盐环境下混凝土力学性能退化规律和侵蚀机理研究显得至关重要。

目前国内外对硫酸盐侵蚀后混凝土的基本力学性能、冲击性能、微观变化特征研究较多。刘生纬等[8]研究了硫酸盐浸泡时间、水胶比及粉煤灰三种因素对混凝土强度的影响并提出硫酸盐浸泡作用下混凝土抗压强度衰减规律的预测模型。朱从进等[9]采用SHPB试验研究了硫酸盐侵蚀后混凝土的动态力学性能，并结合SEM分析了其性能弱化机理。Wang等[10]研究了硫酸盐干湿循环对混凝土孔结构特征的影响，发现硫酸盐侵蚀下混凝土孔体积显著减小，侵入体减少主要发生在50～200 nm的孔隙中。张萌[11]使用扫描电镜探究了经过不同次数硫酸盐侵蚀后混凝土试件内部微观结构变化特征，阐明了混凝土侵蚀损伤的微观机理。由上述可知，针对硫酸盐侵蚀后混凝土的研究主要集中在宏观力学性能和微观形貌两个方面，但对内部孔隙变化及裂缝扩展演化机制研究不够深入。因此，本文基于PFC2D模拟软件中颗粒流分析程序，对硫酸盐侵蚀后的混凝土进行单轴压缩试验仿真模拟，并借助具有无损伤、高效率特点的核磁共振仪器来分析不同硫酸钠浓度侵蚀后混凝土的孔隙结构变化特征，为混凝土结构服役于硫酸盐环境提供理论基础及工程应用参考。

1 实验

1.1 试验材料与配合比

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5～10 mm的玄武岩颗粒，外加剂采用NF-F型混凝土早强减水剂，水采用普通自来水。混凝土配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 测试方法

按照表1配合比浇筑成150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块，在标准养护箱里养护28 d后，将试块加工成高度为100 mm，直径为50 mm的圆柱体试件，与此同时采用超声波测试仪选取波速相近的试件进行试验。试验开始前，首先将制成的试件置于质量分数分别为0%、10%、15%和20%的硫酸钠溶液中，浸泡时间为210 d。其中20%硫酸钠溶液因容易过饱和常常在配置时结晶析出，故本试验自主研发了一种恒温装置可将温度保持在30 ℃，保证配置20%硫酸钠溶液时无晶体析出。待浸泡结束后取出，清除试件表面结晶物质并擦干表面溶液，随后置于饱水机充分饱水48 h，采用核磁共振仪(见图1)测其内部孔隙分布情况。待测试完成后，采用伺服岩石三轴试验机(见图2)进行单轴压缩试验，其加载速率为0.05 mm/min。每种浓度下制备3个混凝土试件(见图3)。

图1 核磁共振仪

图2 三轴试验机

图3 混凝土试样

2 结果与讨论

2.1 单轴压缩PFC2D模拟分析

为了更好地分析混凝土单轴受压作用的破坏过程和内部微裂缝的扩展行为及变形响应，本文利用颗粒流离散元软件PFC2D进行模拟，选择平行黏结模型作为接触本构模型，并且以实际单轴压缩试验获取的力学参数为依据，将数值模型尺寸设置为直径50 mm、高100 mm，采用wall命令模拟构建模型边界及其受力环境，用上、下墙来模拟轴向加卸载功能。上、下墙体相向缓慢移动加载试样，加载速率为0.05 mm/min[12]。结合材料特性及试验数据，通过“试错法”不断调整模型参数(见表2)模拟出硫酸盐侵蚀作用后混凝土单轴压缩试验。

表2 PFC2D模拟参数

图4为数值模拟和试验应力-应变曲线对比以及微裂缝数目随应变变化曲线。从图4数值模拟和试验应力-应变曲线对比可以看出，由于混凝土材料在浇筑与养护的过程中会产生一定的孔隙，试验加载初期，试验应力-应变曲线出现非线性阶段，但PFC2D模拟应力-应变曲线无法体现出孔隙被压密阶段，因此试验所得出的峰值应变始终大于数值模拟的曲线。表3为不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土数值模拟和试验力学特征。从表3中可以看出模拟混凝土峰值应力、弹性模量的试验误差在4%以内，表明模拟效果较好。此外，随着硫酸盐浓度的增加，混凝土峰值应力逐渐降低，表面出现大量密集孔洞，为硫酸根离子渗透到内部提供快速通道，进而导致侵蚀生成物堆积膨胀使混凝土内部结构发生破坏，故宏观上混凝土峰值应力、弹性模量降低，而且这种现象伴随浓度的增加变得更加明显。

图4 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土试验与模拟应力-应变曲线和模拟微裂缝数量-应变曲线

表3 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土模拟和试验力学特征

图4中正方形图标连成的曲线为微裂缝数目随应变变化曲线，各对应浓度试件模拟峰值应力值为σp。微裂缝增长曲线主要分为3个阶段：第一阶段称为微裂缝萌生期(o→a)，应力上限值在0.6σp左右，即弹性阶段之前；第二阶段为微裂缝稳定扩展期(a→b)，当应力从0.6σp增长到峰值应力σp，微裂缝在a点萌生后缓慢上升到b点；第三阶段称为微裂缝快速增长期(b→c)，当应力达到峰值点之后，微裂缝增长速度随应变近似呈指数关系增加，试件进入全面破坏。此外，从微裂缝增长曲线也明显发现，随硫酸钠浓度增加，微裂缝总数目呈上升趋势，其中相比于0%组试件，当侵蚀浓度从10%增加至20%时，微裂缝总数目分别增加了1.24、1.36和1.69倍。PFC2D可以很好地模拟出单轴压缩破坏形态，如上图4所示，混凝土试样均呈剪切破坏形态，有一条斜向裂缝贯穿整个试件，随着侵蚀浓度的增加，压碎程度越来越严重，这一宏观现象在上图微裂缝数目演化曲线中能够很好地表现出来。

2.2 微裂缝演化特征分析

应力场对于分析混凝土材料的裂缝演化机理至关重要，因此，需要通过设置应力圆来监测混凝土试样在加载过程中应力场变化，并将得到的数据导入origin软件生成应力热点图[13]。以10%浓度为例，取其加载过程中微裂缝萌生期、微裂缝稳定扩展期、微裂缝快速增长期(破坏阶段)作为监测区域，绘制应力演化示意图和裂缝演化示意图(见图5)，应力热点图中，拉应力为正，压应力为负。图5(a)为微裂缝萌生期，除了轴压加载板附近出现小面积的受压区域，试件整体处于受拉阶段，在拉主应力较大的区域出现第一条裂缝，可判断此时的裂缝属于由拉应力导致的张拉裂缝。随着轴向荷载的增加，可以看出应力图中拉应力区域逐渐减小，表明试件中张拉应力整体分布现象逐渐得到释放。从图5(b)可以看出，轴向应力达到峰值应力，裂隙进入稳定且快速发育阶段，萌生的初始裂缝随着拉应力集中分布区域不断扩展发育，并生成两处聚积裂缝，裂缝数量达到10多条，由应力热点图可知，聚积裂缝均出现在压应力与拉应力集中的区域，这两处裂缝属于张拉与剪切复合裂缝。随着荷载继续增长直至混凝土试样破坏，此时应力图中除了几处大面积拉应力集中区域，拉应力近乎达到20 MPa，整体处于压坏阶段。图5(c)为完全破坏阶段，可以看出破坏时剪切裂缝沿对角线扩展形成一条贯通裂缝，其破坏形态符合单轴压缩剪切破坏的特征，且由应力演化示意图可知拉应力在裂缝扩展路径上不断得到消散，压缩应力场得到重新分配[14]。

图5 10%硫酸钠侵蚀后混凝土应力与裂缝演化模拟示意图

2.3 核磁共振试验分析

2.3.1 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土核磁共振T2谱分布曲线

核磁共振T2谱测试原理是利用流体中氢原子核在外来磁场作用下的弛豫特征获取混凝土试样孔隙，其中T2谱曲线弛豫时间与孔隙尺寸有关，T2谱信号幅值与孔隙数量有关。图6为不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土试样T2谱分布图，T2谱面积可以反映出其内部孔隙尺寸及数量变化，即谱峰面积与相应孔隙尺寸和数量正相关[15]。表4为不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土孔隙率、T2曲线峰1幅值和面积变化。

图6 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土T2谱曲线分布

表4 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土的孔隙率、T2谱峰1幅值和面积

从图6可以看出，硫酸盐侵蚀后混凝土的T2谱曲线有3个波峰，从左到右分别称为峰1、峰2、峰3，分别代表着微小孔隙、小尺寸孔隙及大尺寸孔隙，随着浓度的增加，混凝土内部孔隙无论尺寸大小均有所发育，但微小尺寸孔隙相比小尺寸及大尺寸孔隙受硫酸钠浓度作用影响较大，孔隙扩展、发育也较为迅速，表现为T2谱曲线峰1幅值的增长幅度尤为明显。从表4可以看出，随着硫酸钠浓度增加，混凝土的孔隙率、T2曲线峰1幅值和面积呈上升趋势，意味着硫酸根离子浓度的增加使得混凝土内部孔隙尺寸及数量逐渐增长，即损伤不断增加。引起上述孔隙结构发生变化的主要原因是硫酸盐侵蚀初期，混凝土内部产生大量石膏或钙矾石，随试验侵蚀周期增加其内部产物逐渐溶解并产生新的微小孔隙，随浓度增加，微小孔隙不断发育、扩展使内部结构开始变得疏松，孔隙数量增多，因此孔隙率、T2谱峰1幅值和面积增大，宏观上表现为强度下降幅度加快。

2.3.2 不同浓度硫酸钠侵蚀后混凝土孔隙结构

根据上述核磁共振T2谱计算出孔隙半径，将混凝土试样在不同硫酸钠浓度作用下的孔径划分为微孔(<0.01 μm)、小孔(0.01 μm