雾霾环境下水泥基材料受荷载-盐结晶作用下损伤分析

雾霾环境下水泥基材料受荷载-干湿交替-冻融作用下损伤分析殷雨时（辽宁省交通高等专科学校建工系辽宁沈阳110122）摘要：研究了轴心受压水泥基材料在雾霾环境下的损伤劣化过程，采用环境扫描电镜(ESEM)观察了硫酸盐-干湿循环-冻融循环-荷载多场耦合作用下的混凝土微观结构演变过程,结果表明，与单一硫酸盐侵蚀相比，其余因素均加剧了混凝土在雾霾环境中单一的损伤程度，但干湿循环、冻融循环的加速损伤作用更加明显；试验还表明，在上述多场耦合影响下，混凝土强度等级越高其抗硫酸盐侵蚀能力越强，雾霾级别越大混凝土损伤越明显，粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可显著提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力,关键词：雾霾；ESEM；干湿循环；冻融循环；多场耦合；微观结构0前言雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成，当雾霾形成时，空气中水汽和SO2和矿物颗粒结合形成硫酸盐，当硫酸盐以液态形式铁黏附于混凝土表面时，由于电离作用，硫酸盐分解为SO42-和R2+,其中SO42-会随着混凝土表面的微小裂隙侵浸到混凝土梁中，伴随发生石膏腐蚀或钙矾石腐蚀，会导致混凝土结构膨胀破坏，对混凝土的耐久性形成巨大的危害。并且冬春交际是雾霾的高发期，混凝土在冻融循环作用下，混凝土颗粒会变得酥松，并且常伴有保护层脱落的情况，这样，就更加为SO42-对混凝土的侵蚀造成了客观上的“通道”，形成以硫酸盐侵蚀与冻融循环复杂情况下混凝土的损伤。北方混凝土所受到的是冻融循环与硫酸根离子侵蚀造成的损伤，而例子中南方混凝土为雾霾天气下单一硫酸根离子造成的损伤。而损伤具有不可逆性，一旦损伤发生，混凝土便以初始损伤速度下进行破坏，到达一定程度下速度变快，即损伤具有加速现象。硫酸盐造成的混凝土破坏发生后，由于腐蚀生成产物体积增大，产生膨胀应力，当膨胀应力大于应力强度后，混凝土产生裂隙，这种裂隙和混凝土的初始裂缝与后来外环境下（包括荷载作用）产生的裂隙叠加，加大裂隙的贯通概率，裂隙相容相通，最后贯穿形成主裂缝，对混凝土构件耐久性形成劣化，对结构安全不利。以往水泥基材料的研究多以硫酸盐侵蚀单因素进行研究、或者荷载-硫酸盐和干湿循环-硫酸盐或冻融-硫酸盐而开展的，而实际工程中，以上因素不能完全符合实际。本文以相对动弹性模量、质量损失率为测试指标，系统研究工程混凝土结构物材料本身受硫酸盐-干湿循环-冻融循环-轴压荷载多场耦合作用下的混凝土微观结构演变过程,并采用ESEM分析了其微观结构演变过程。1原材料的制备和试验方法的选定1.1试验原材料试验所用水泥为沈阳华新水泥厂P.I52.5水泥;粉煤灰为镇江谏壁电厂生产的/级低钙粉煤灰;矿粉为江南粉磨公司生产的S95级磨细矿渣;骨料采用细度模数为2.6中砂和连续级配、粒径5-20mm的碎石;外加剂为江苏省建筑科学研究院生产的PCA型聚羧酸高效减水剂，减水率为35%;水为普通自来水,水泥和掺合料的化学成分如表1所示。1.2试验配合比及强度做成混凝土砂浆试件，尺寸为30mm*30mm*120mm，标准养护28d后，根据立方体标准试件经测试得C25、C35、C45三种配合比混凝土的立方体抗压强度分别为29.8MPa、41.2MPa、51.8MPa。如图1所示。试验前将试块的2个端面用环氧树脂密封，如图1、2。图1砂浆试件制备图2砂浆试件制备待抗折试验表1原材料的化学组成(w%)原材料CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3K2ONa2O水泥65.0321.384.713.682.530.53表2混凝土砂浆配合比（Kg/m3)编号水泥砂子水外加剂C253687361952.21C354496741574.04C455256121145.011.3试验方案在侵蚀溶液接触混凝土方式上，弯曲模拟雾霾环境条件，根据海工环境气象大气组分配制侵蚀溶液，根据对比需要，并将腐蚀溶液采用质量分数分别为0.5%、1%、3%、5%、10%的硫酸钠溶液以周期性喷雾方式均匀喷涂到混凝土试件上（通过酸雾箱实践），模拟自然条件下雾霾情况，此试验在辽宁交专道桥所实验室完成，用到的设备是酸雾箱；以上试验的侵蚀机制均为干湿循环和冻融循环，拟模拟北方气候的劣化环境。此种侵蚀机制在多种文献中均可见到，试验操作按照《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）执行。本文拟定3个试验方案，具体如下所示：试验1：①试验方式：加载条件下（20%、40%、70%极限应力），在稳定的外界环境中(温度稳定在20℃士2℃，相对湿度为65士5%),半浸泡在1%硫酸钠普通硅酸盐水泥净浆的性能变化和产物分析（周期300个喷雾循环周期）。②性能变化考察指标：宏观：质量变化、尺寸变化、裂缝密度、抗压强度、抗折强度、弹性模量。微观：STA409PC同步分析仪、SEM。产物分析考察指标：通过微观分析STA409PC同步分析仪定。试验2：①试验方式：负载条件（40%极限应力），做冻融循环循环试验，观察普通硅酸盐水泥净浆抗冻性能变化并进行产物分析。其中冻融循环采用国标快冻法，操作规程如下：每次冻融循环2个小时完成，其中冻、融过程各占1/2,；试件中心温度从6℃将至-15℃的时间为1个小时（降温30min，定温30min），回温过程也为1个小时（升温30min，定温30min）。每25次冻融循环做一次横向基频测量、质量测量。相对动弹模达到60%以下或者质量损失率达5%时，停止试验。②性能变化考察指标：同试验1。试验3：①试验方式：在稳定的外界环境中(温度稳定在20士2℃,相对湿度为65士5%),通过调整盐雾箱硫酸盐浓度分别为0.5%、1%、5%、10%、观察普通硅酸盐水泥净浆在空载情况下表面劣化结果，并进行轴心加载下受力分析，考察不同溶液浓度，即不同雾霾级别对水泥砂浆试件的破坏程度。②性能变化考察指标：同试验1。本文环境作用如下：①本文选用的加载方式：轴向受压加载，见图片，分三级加载（20%、40%、70%极限应力）。见图1。图3混凝土砂浆试件的轴向加载示意图②本文选用的干湿交替制度为:选用辽宁交专试验检测中心实验室酸雾腐蚀试验箱CCT机型，其中CCT机型不仅具具备基本的盐雾腐蚀测试功能，可用于进行传统的盐雾腐蚀测试试验，还增加了高湿功能，即100%的相对湿度。可以在四个条件中循环：雾、烘干、100%湿度(仅CCT型号)和静置中进行循环酸腐蚀测试试验。通过调整试验箱温度变化速率循环周期来近似模拟雾霾天气硫酸盐侵蚀水泥基材。③本文选用的冻融循环制度：采用国标快冻法，操作规程如下：每次冻融循环2个小时完成，其中冻、融过程各占1/2,；试件中心温度从6℃将至-15℃的时间为1个小时（降温30min，定温30min），回温过程也为1个小时（升温30min，定温30min）。每25次冻融循环做一次横向基频测量、质量测量。相对动弹模达到60%以下或者质量损失率达5%时，停止试验。2轴压荷载-硫酸盐与干湿交替-硫酸盐与硫酸盐-冻融双因素作用下混凝土损伤劣化过程2.1混凝土等级对抗硫酸盐侵蚀的影响的分析试验中制配了C25、C35、C45三种混凝土砂浆试件，放在在酸雾箱中，真实的还原自然环境下的酸腐蚀情况。试验结果可以看出，在酸雾浓度（硫酸钠质量分数1%）、300个干湿循环时，混凝土砂浆试件均出现了盐结晶现象。且C25出现的较为明显，表面有微小裂纹。C45表面附有白色物质，经检测是硫酸钠结晶物。其它基本没有什么变化。动弹性模量、质量损失在不同级混凝土砂浆试件经时变化如图所示。图4C45图5C35图6C25图7不同级混凝土砂浆试件动弹性模量经时变化图图8不同级混凝土砂浆试件质量经时变化图2.2轴压荷载-硫酸盐双重侵蚀对混凝土砂浆试件的劣化过程自制夹模工具如图所示，进行轴向加压下的酸雾侵蚀试验，基于气象资料配置硫酸盐溶液反应在硫酸浓度状态下对水泥基材料的影响，通过试验可以发现如下规律：随着加载的增加，为侵蚀的水泥基材料变出现微笑裂隙，且加载越大，裂隙越大，反应为宏观轴线受压破坏。加载级别大的试件在受硫酸盐侵蚀下劣化较为严重，物理盐结晶反应比较明显。图9混凝土砂浆试件动弹性模量经时变化图图10混凝土砂浆试件抗折强度经时变化图2.3干湿交替-硫酸盐双重侵蚀对混凝土砂浆试件的劣化过程对比非干湿循环下硫酸盐侵蚀，干湿循环对混凝土的加速破坏作用十分明显。且初期损伤规律亦有不同，干湿交替-硫酸盐耦合作用下的混凝土动弹性模量表现出先下降，后稳定，再缓慢下降的变化规律，但总体损伤规律并没有改变,干湿循环比轴压40%极限荷载下的加速破坏作用更加明显，主要原因是两者的加速损伤机制并不一致，干湿循环是通过循环的湿度梯度作用加速硫酸盐向混凝土内部累积扩散，随着干湿次数增加盐分不断积累，即随着腐蚀龄期延长损伤越明显;而荷载是通过加速混凝土内部的微裂纹扩展，从而扩大硫酸盐向混凝土内部扩散的传输通道，其机理仍是浓度梯度下的扩散，而这种依靠浓度差的扩散作用显然不如循环往复的湿度差引起的毛细管吸附作用明显。需要强调一点的是，随着荷载级别增加，当轴压荷载达到40%极限荷载以上，混凝土砂浆试件破坏明显，裂缝增加迅速，贯穿成为大裂缝，此时干湿循环的破坏不如荷载破坏带来的明显和迅速，也就是说，荷载级别达到40%，雾霾中的混凝土砂浆试件以抗荷载为主，干湿循环带来的影响较荷载破坏可以忽略。2.4轴压-冻融双重侵蚀（盐冻侵蚀）对混凝土砂浆试件的劣化过程冻融破坏的机理较干湿循环对水泥及材料的机理完全不同。由图xx可知，在荷载级别不大（40%极限轴压以下），适度的轴压对抗冻融侵蚀是有利的，当荷载级别大于40%抗压荷载的时候，轴压作用加速冻融循环的破坏，并且两者耦合，混凝土基材的破坏较为明显。2.5轴压荷载-干湿交替-硫酸盐三因素耦合作用下混凝土的损伤劣化过程混凝土砂浆试件在1%硫酸钠蒸汽-干湿交替-轴压荷载（不同荷载）耦合作用下的相对动弹性模量随龄期变化规律。干湿循环-硫酸盐耦合作用下，不加荷载与施加10%、20%轴压荷载对混凝土相对动弹性模量的影响不大,而当荷载率达到40%时，混凝土相对动弹性模量急剧下降，趋势明显,综上所述，在干湿交替-轴压荷载耦合作用下，混凝土抗硫酸盐侵蚀性能因荷载级大小而不同，只有当荷载率达到一定程度，荷载才是导致混凝土损伤的主要因素,造成上述现象的主要原因是干湿交替和荷载虽都能加速混凝土劣化，但在两者共同作用下，较小的荷载所引起的微裂纹扩展并不明显，荷载对混凝土的加速损伤作用仅限于加速硫酸盐扩展引起的化学损伤,而干湿交替循环作用引起的毛细管吸附作用更加明显，而且随着龄期延长，长期恒定荷载作用有限，而干湿交替在湿度梯度作用下使硫酸盐不断向混凝土内部积累扩散，随着干湿次数增加对加速硫酸盐侵蚀越明显,但当荷载很大时（超过40%极限荷载)，荷载所引起的微裂纹扩展十分明显，此时荷载产生的力学损伤作用超过加速硫酸盐向内传输引起的化学损伤作用，加之干湿循环进一步的加速损伤效应，使混凝土迅速劣化，此时荷产生的力学损伤作用占主导因素。3荷载-干湿循环-硫酸盐-冻融循环多场耦合作用下影响混凝土损伤的因素3.1混凝土强度等级C25、C35、C45混凝土在40%轴心抗压极限荷载-干湿交替-1%硫酸钠耦合作用下的相对动弹性模量随侵蚀龄期变化规律,三种混凝土相对动弹性模量变化趋势一致,可见随着时间的推移，高强度混凝土具有较好的耐腐蚀性能。原因是C45混凝土具有较低的水胶比，而水胶比是决定混凝土力学性能和耐久性的重要参数，低水胶比的混凝土更为密实的内部结构及较低的孔隙率延阻了有害介质向混凝土中扩散，一定程度上延缓了混凝土在硫酸盐侵蚀作用下的损伤劣化速率和程度。3.2雾霾级别对水泥基材料试件的影响严格根据大气组分配置的以主要因素为主的硫酸盐溶液，本试验为1%Na2SO4溶液，在酸雾箱中等浓度喷砂后进行干湿循环，发现不同溶液浓度对混凝土的损伤是不一样的，浓度5%、10%的损伤较1%、0.5%的严重，感官表现在混凝土表面盐结晶程度不一样，并且在300个循环下，10%溶液浓度对混凝土砂浆损害比较明显，出现微笑裂缝，质量降低，强度减弱。原因在于由于干湿循环作用，硫酸盐浓度累计并且在混凝土砂浆