2. 四川大学 建筑与环境学院,四川 成都 610065;
3. 贵州大学 土木工程学院,贵州 贵阳 550025
2. School of Architecture and Environment, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China;
3. School of Civil Eng., Guizhou Univ., Guiyang 550025, China
目前混凝土广泛运用于土木工程中,自身呈碱性,受到酸性腐蚀时其物理性质、力学性能发生相当大的变化。作为一种工程材料,混凝土曝露于环境之中不可避免地要接触酸性物质,混凝土接触的酸性媒介比较广泛,其中,大气降水以及水工结构中的环境水是混凝土受酸性腐蚀的两个主要来源。随着工业的发展,世界范围内的酸雨问题越来越严重。中国已成为继欧美之后的第3大酸雨区,国土面积的三分之一遭受酸雨侵袭。因此,通过研究酸雨对混凝土力学性能的影响以减小损失显得尤为必要。近年来,有关学者就酸雨对混凝土耐久性的影响展开了许多研究,Chen等[1]通过实验室加速腐蚀实验揭示了混凝土在酸雨条件下的化学反应过程和劣化机理,指出混凝土的劣化是H+和
断裂韧度反映材料抵抗开裂的能力,许多工程结构的破坏都始于裂纹的拓展,因此,断裂力学自诞生以来就被广泛运用于工程之中[8–10],是解决实际工程裂纹问题的有效方法。混凝土作为一种准脆性材料,非常容易产生裂纹,许多服役的混凝土结构都不可避免地带有缺陷性裂纹。然而在一些不利环境中,裂纹尖端的混凝土材料会逐渐失效,使混凝土的抗裂能力降低,这将直接影响混凝土结构的使用寿命。已有的实验结果表明,环境因素对混凝土的断裂行为影响较大[11–14]。因此,通过实验研究酸雨对混凝土断裂韧度的影响是很有必要的,这对酸雨地区混凝土结构的寿命预测和评估有着重要意义。作者通过实验室加速腐蚀方法得到不同腐蚀程度的混凝土试件,并通过三点弯曲试验、电测实验和电镜扫描实验揭示酸腐蚀后带裂纹混凝土断裂韧度的劣化结果。
1 实验研究为研究酸雨对混凝土断裂的影响,采用细集料混凝土制作三点弯曲试验试件,用实验室加速腐蚀试验侵蚀混凝土试件,选取腐蚀合格的试件并对其表面进行打磨处理,之后进行断裂实验研究。
1.1 试件制作采用西南牌强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥,细骨料采用颗粒级配良好的大河中砂。鉴于粗骨料会对裂纹扩展产生阻滞效应[15],也会增加试验结果的离散性,实验不添加粗骨料。混凝土配合比设为m(水泥)∶m(沙)∶m(水)=1∶3.5∶0.5,这里采用质量比。三点弯曲试验采用长方体细集料混凝土试件,其长度、宽度、高度分别设置为400、100、100 mm,试件见图1。采用厚度为1 mm的薄钢片预制裂缝,裂缝的深度设置为30 mm。为便于脱模后易于取出薄钢片,可在薄钢片上均匀地涂上一层润滑油。采用规格为100 mm
![]() |
图1 三点弯曲试件 Fig. 1 Specimen for three-point bending |
1.2 实验室加速腐蚀
实验室加速腐蚀方法具有较好的科学性[16],故实验采用该方法加速腐蚀混凝土试件。在中国由于使用大量含硫煤碳,导致中国的酸雨主要体现为硫酸型。实验所用腐蚀溶液主要利用浓HNO3、(NH4)2SO4化学试剂配制[3],所配模拟溶液应尽可能地展现酸雨所具有的特性。同时腐蚀溶液将根据pH值被分为4组,即pH=1.5、2.5、3.5、7。其中,pH=1.5、2.5、3.5这3组溶液的具体化学离子成分主要是H+、
借助规格为300 kN的微机控制电子万能实验机进行混凝土试件的三点弯曲试验。本实验以位移为指标控制加载速率,加载速度设为0.01 mm/min,目的在于实现缓慢加载以尽可能地使实验中产生的裂纹缓慢均匀、稳定地扩展并使实验数据得到较好的采集。三点弯曲试验中混凝土试件的两个支座间距设置为300 mm,该试验的加载设备见图2。
![]() |
图2 试验加载 Fig. 2 Loading in the three-point bending test |
为了测试出腐蚀试件的起裂荷载,在预制裂纹尖端两侧粘贴应变片,利用裂纹起裂时刻产生的应力松弛现象得到对应的起裂荷载[17]。根据混凝土试件三点弯曲试验所测得的最大荷载,可参考ASTM推荐的式(1)计算断裂韧度KIC:
$ {K_{{\rm{IC}}}} = \frac{{{P_{\max }}S}}{{b{h^{3/2}}}}f\left( {a/h} \right) $ | (1) |
$ \begin{array}{c} f\left( {a/h} \right) = 2.9{\left( {a/h} \right)^{1/2}} - 4.6{\left( {a/h} \right)^{3/2}} + 21.8{\left( {a/h} \right)^{5/2}} - \\ 37.6{\left( {a/h} \right)^{7/2}} + 38.7{\left( {a/h} \right)^{9/2}} \end{array} $ | (2) |
式中,
采用腐蚀后的三点弯曲试件及图2所示的实验设备,进行实验研究,得到如下结果。
2.1 混凝土裂尖腐蚀劣化深度混凝土试件裂尖曝露于模拟酸雨溶液中,会直接遭受腐蚀离子的侵蚀,混凝土的不同腐蚀层见图3。
![]() |
图3 混凝土的不同腐蚀程度层 Fig. 3 Different corrosion levels of concrete |
由于酚酞试剂具有遇到碱性物质变红的特性,所以实验以其测试已被酸雨溶液侵蚀过的混凝土试件裂纹尖端的腐蚀深度,所测得的结果见图4。在混凝土试件腐蚀初期,裂尖区域的腐蚀速度较大,因为H+、
![]() |
图4 混凝土腐蚀深度 Fig. 4 Corrosion depth of concrete as a function of corrosion time for the specimen corroded by the simulated acid rain solution |
2.2 起裂荷载
通过三点弯曲加载和电测实验得到了不同腐蚀程度混凝土试件的荷载值及相应的裂尖应变,图5给出了pH=1.5溶液中腐蚀90 d混凝土的荷载−裂尖应变曲线。
![]() |
图5 腐蚀试件的P
|
实验在O点开始加载,在加载初期应变基本稳定快速增长;在A处应变开始减小,这表明裂尖混凝土出现应力松弛,该处得到卸载,开始有裂缝生成,裂尖混凝土的应力集中开始得到能量释放;在AB段裂纹基本稳定扩展;荷载在B处达到峰值,混凝土试件发生失稳破坏并很快完成。由于所用静态应变测试系统采集频率不是很高,本实验试件破坏阶段只采集到C、D、E这3个点。
应变开始回缩时的荷载值即是起裂荷载,混凝土的起裂荷载
表1 混凝土的起裂荷载 Tab. 1 Crack initiation load of concrete |
![]() |
从表1结果可知,在酸环境下,混凝土的起裂荷载、最大荷载有相似的劣化趋势。对于浸泡于水中的混凝土试件来说,由于持续的水化,起裂荷载随浸泡时间变长会稍微增加并且随着水化的逐渐完全而趋于稳定;而浸泡在模拟酸雨溶液中的混凝土所能够承受的最大荷载和起裂荷载则在浸泡初期存在增加的迹象,而随着酸沉降腐蚀的持续进行,
酸沉降环境下
![]() |
图6 |
三点弯曲试验中,裂纹是沿尖端之后的带状区域内扩展的,最大荷载
![]() |
图7 腐蚀混凝土裂尖的微观图样 Fig. 7 Microstructures scanned near the crack tips of the fractured concrete specimens immersed in the simulated acid solution |
因此把腐蚀中性层分为轻微腐蚀劣化层和重度腐蚀劣化层,轻微腐蚀劣化层定义为刚成为腐蚀中性层不久并且具有一定承载能力的混凝土层,而重度腐蚀劣化层则定义为轻微腐蚀劣化层在持续的酸沉降腐蚀后材料性能劣化状况极其严重、力学性能极大降低的混凝土层。
混凝土的酸沉降腐蚀是一个从外向内循序渐进的过程[1],因此重度腐蚀劣化层存在于轻度腐蚀劣化层的外部,如图3所示,图3中给出的是在pH=1.5模拟溶液中腐蚀60 d的混凝土截面局部。图3中呈黄褐色的部分即是重度腐蚀层,重度腐蚀层往内依次是轻度腐蚀层和未腐蚀层,每层之间有明显的颜色变化。在重度腐蚀劣化层中,由于胶凝材料的完全失效,裂尖的腐蚀层几乎丧失了抗拉能力,原本的混凝土表层甚至可以用手轻易抹除,因此该层的抗裂能力也必然会极大地降低。
应变片测起裂荷载的方法本身会受应变片宽度的影响[18],当裂尖的重度腐蚀损伤层深度越大,测出的
经历酸性腐蚀之后,混凝土的弹性模量将会随自身材料的劣化、结构的损伤而发生改变。根据TADA应力强度因子手册[19]提出的三点弯曲试件弹性模量
$ E = \frac{{24Pa}}{{bh \times CMOD}}{V_2}\left( {a/h} \right) $ | (3) |
式中,
$ \begin{array}{c} {V_2}\left( {a/h} \right) = 0.76 - 2.28a/h + 3.87{\left( {a/h} \right)^2} - \\ 2.04{\left( {a/h} \right)^3} + \displaystyle\frac{{0.66}}{{{{\left( {1 - a/h} \right)}^2}}} \end{array} $ | (4) |
根据实验求得的P−CMOD曲线关系,选取曲线的线弹性变形阶段上的点并由式(3)可以求得各自溶液中不同腐蚀周期试件的弹性模量,计算结果如图8所示。
![]() |
图8 腐蚀时间对混凝土弹性模量的影响 Fig. 8 Elastic modulus of corroded concrete immersed in acid solutions with corroded time |
浸泡在水中的混凝土试件弹性模量随着浸泡时间延长而持续稳定增长,浸泡在模拟酸雨溶液中的试件的弹性模量呈现先增长而后减小的总体趋势,并且溶液pH值越低,弹性模量的增长时间越短。当不同pH溶液中试件的弹性模量增长到各自的最大值后,弹性模量会随着试件的劣化程度逐渐严重而开始减小,特别是pH=1.5溶液中的试件,弹性模量损失非常大,并且在该实验中其弹性模量的增长时间小于10 d。在遭受90 d的腐蚀周期后,与浸泡于水中的混凝土相比,浸泡于pH=1.5、2.5和3.5溶液中混凝土弹性模量的损失率分别为28.7%、14.6%和12.3%。此处得到的是三点弯曲腐蚀试件的综合弹性模量,是整个试件性能的平均体现,实际上,遭受酸沉降腐蚀后,混凝土的性能从外到内由于腐蚀程度不同而有着分层现象。
2.4 断裂韧度的劣化混凝土是准脆性材料,其断裂过程区别于一般的脆性材料,已有的研究结果普遍认为混凝土裂尖区域存在使混凝土产生非线性开裂变形的断裂过程区[20–21],因此,在计算混凝土的断裂韧度时考虑了断裂过程区的影响。根据Xu等的研究成果[22],在考虑混凝土裂尖断裂过程区的影响时,可用等效裂纹长度
$ {a_{\rm c}} = \frac{{2h}}{\text{π}}\arctan \sqrt {\frac{{bE \times CMO{D_{\rm c}}}}{{32.6{P_{\max }}}} - 0.113\;5} $ | (5) |
式中:
图9给出腐蚀60 d的混凝土P−CMOD曲线。
![]() |
图9 3种pH值腐蚀下的P−CMOD曲线 Fig. 9 Testing results of the curves of load P versus crack mouth open displacement under different pH values |
由三点弯曲试验结果和式(7)得到不同腐蚀程度试件的等效裂纹长度
![]() |
图10 混凝土断裂韧度−腐蚀时间的关系 Fig. 10 Fracture toughness versus immersion time for concrete |
根据图10分析可得:被酸溶液侵蚀的混凝土,其断裂韧度随腐蚀时间增加而先增长、后减小并且断裂韧度的增长时间与溶液pH值正相关;对照组混凝土断裂韧度与腐蚀时间为近似正相关。对酸液中的混凝土而言,断裂韧度增长到最大值后开始衰减,其原因在于裂尖处的混凝土被酸液侵蚀而劣化,力学性能受到损伤并且还在不断累积。混凝土试件经过90 d的侵蚀后,与对照组相比,在pH=3.5、2.5、1.5酸液中浸泡过的混凝土断裂韧度损失率分别为0.157、0.172、0.287。
在混凝土三点弯曲试验中,混凝土裂纹是在沿裂尖的带状区域内扩展的,因此,混凝土断裂韧度的变化与裂尖带状区域内的腐蚀程度直接相关。在模拟的硫酸型酸雨溶液中,
裂尖腐蚀区的胶凝性能降低和大量的微裂隙产生都是裂纹拓展的有利因素,由于裂尖腐蚀区之后的未腐蚀区域与浸泡于水中完好的混凝土几乎无差别,因此,与浸泡于水中的完好混凝土相比,腐蚀混凝土断裂韧度的劣化程度主要取决于混凝土裂纹尖端的腐蚀深度。借鉴损伤理论,将酸雨溶液腐蚀环境中混凝土断裂韧度的劣化率w定义为:
$ w = \frac{{{K_{\rm IC.W}} - { K_{\rm IC.C}}}}{{{K_{\rm IC.W}}}} $ | (6) |
式中,
![]() |
图11 混凝土断裂韧度劣化率−腐蚀深度 Fig. 11 Testing results of fracture toughness deterioration rate versus corrosion depth |
拟合曲线的函数可采用4次多项式,可设为:
$ w = a{x^4} + b{x^3} + c{x^2} + dx + e $ | (7) |
式中,
$\begin{aligned} {\rm pH}=1.5,w\left( x \right) =& 0.020\;3{x^4} - 0.596{x^3} + 5.257{x^2} -\\ &10.721\;9x +0.040\;5 \end{aligned}$ | (8) |
$\begin{aligned} {\rm pH}=2.5,w\left( x \right) =& - 0.183{x^4} + 1.373{x^3} + 0.343\;6{x^2} -\\ &9.795\;4x + 0.820\;6 \end{aligned}$ | (9) |
$\begin{aligned} {\rm pH}=3.5,w\left( x \right) =& - 0.111\;6{x^4} + 0.633\;2{x^3} + 2.225\;5{x^2} - \\ &9.981\;5x + 0.064\;8 \end{aligned}$ | (10) |
根据相关系数
由图11分析得出:在酸液侵蚀混凝土初期,腐蚀深度较浅,混凝土抗裂性能得到强化,断裂韧度的劣化率负增长;随着侵蚀深度的扩大,混凝土断裂韧度的劣化率显现抛物线式增长。各批混凝土试件虽然被具有不同pH值酸雨溶液进行侵蚀,但混凝土断裂韧度的劣化率随腐蚀深度的变化规律却较接近,这表明可用腐蚀深度表示断裂韧度的劣化程度。
3 结 论为探究酸雨腐蚀对混凝土断裂的影响,进行了实验室加速腐蚀实验、三点弯曲试验、电测实验和电镜扫描实验,主要取得如下结论:
1)酸雨腐蚀条件下,裂纹尖端混凝土材料发生质变,材料蓬松疏散,裂尖腐蚀层微裂纹发育,严重影响混凝土的抗裂性能。
2)混凝土的起裂荷载在酸沉降环境下先增加而后减小;当腐蚀程度较小时起裂荷载的劣化速率与最大荷载的劣化速率基本一致;但当腐蚀程度较大时,起裂荷载的劣化速率明显加快;起裂荷载的劣化速率受腐蚀层的影响较大,腐蚀层劣化越严重,起裂荷载的劣化速率越快。
3)酸雨中的H+、
4)酸沉降环境下,混凝土力学性能的劣化主要与腐蚀层相关,根据实验结果,拟合了断裂韧度劣化率与腐蚀深度之间的关系。结果显示,随着侵蚀深度的增大,混凝土断裂韧度的劣化率呈现抛物线式的发展。
[1] |
Chen M C,Wang K,Xie L. Deterioration mechanism of cementitious materials under acid rain attack[J]. Engineering Failure Analysis, 2013, 27(1): 272-285. |
[2] |
Kanazu T,Matsumura T,Nishiuchi T,et al. Effect of simulated acid rain on deterioration of concrete[J]. Water Air & Soil Pollution, 2001, 130(1): 1481-1486. |
[3] |
Niu Ditao,Zhou Haoshuang,Niu Jiangang. Investigation of neutralization of concrete under loads by accelerated acid rain test[J]. Bulletin of Chinese Ceramic Society, 2009, 28(3): 411-415. [牛获涛,周浩爽,牛建刚. 承载混凝土酸雨侵蚀中性化试验研究[J]. 硅酸盐通报, 2009, 28(3): 411-415.] |
[4] |
Fan Y F,Hu Z Q,Zhang Y Z,et al. Deterioration of compressive property of concrete under simulated acid rain environment[J]. Construction & Building Materials, 2010, 24(10): 1975-1983. |
[5] |
Zhang Yingzi,Zhao Yinghua,Fan Yingfang. A theoretical model for assessing elastic modulus of concrete corroded by acid rain[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(2): 175-180. [张英姿,赵颖华,范颖芳. 受酸雨侵蚀混凝土弹性模量研究[J]. 工程力学, 2011, 28(2): 175-180.] |
[6] |
Zhang Yingzi,Fan Yingfang,Liu Jianglin,et al. Experimental study on compressive performance of concrete C40 in simulated acid environment[J]. Journal of Building Materials, 2010, 13(1): 105-110. [张英姿,范颖芳,刘江林,等. 模拟酸雨环境下C40混凝土抗压性能试验研究[J]. 建筑材料学报, 2010, 13(1): 105-110. DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2010.01.022] |
[7] |
Zhang Yingzi,Fan Yingfang,Li Hongnan,et al. Experimental study on tensile mechanical properties of concrete under simulated acidic environment[J]. Journal of Building Materials, 2012, 15(6): 857-862. [张英姿,范颖芳,李宏男,等. 模拟酸雨环境下混凝土抗拉性能试验研究[J]. 建筑材料学报, 2012, 15(6): 857-862. DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2012.06.024] |
[8] |
Zhu Z M,Wang L G,Mohanty B,et al. Stress intensity factor for a cracked specimen under compression[J]. Engingeering Fracture Mechamics, 2005, 73: 482-489. |
[9] |
Zhu Z. An alternative form of propagation criterion for two collinear cracks under compression[J]. Mathematics & Mechanics of Solids, 2009, 14(8): 727-746. |
[10] |
Zhang Qingchun. The mechanisms and mechanics of concrete fracture—A review of the 5th international conference on fracture Ⅱ[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 1983, 11(2): 95-104. [张清纯. 混凝土断裂机理和断裂力学—第五次国际断裂会议综述Ⅱ[J]. 硅酸盐学报, 1983, 11(2): 95-104.] |
[11] |
Gao Yuan,Zhang Jun,Han Yudong. Decay of fracture parameters of concrete under sulfate environments[J]. Journal of Building Materials, 2011, 14(4): 465-472. [高原,张君,韩宇栋. 硫酸盐侵蚀环境下混凝土断裂参数衰减规律[J]. 建筑材料学报, 2011, 14(4): 465-472. DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2011.04.006] |
[12] |
Zhang Peng,Sun Zhiwei,Zhao Tiejun,et al. Fracture energy and strain softening of concrete under seawater environment[J]. Journal of Civil,Architectural & Environmental Engineering, 2010, 32(1): 72-77. [张鹏,孙志伟,赵铁军,等. 海水环境下混凝土的断裂能及其应变软化[J]. 土木建筑与环境工程, 2010, 32(1): 72-77.] |
[13] |
Yu Xiaoming,Ren Qingwen. Fracture release energy for ordinary concrete with freeze-thaw cycles[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2010, 38(1): 80-82. [于孝民,任青文. 冻融循环作用下普通混凝土断裂能试验[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2010, 38(1): 80-82. DOI:10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.017] |
[14] |
Zhang Tingyi,Wang Zili,Zheng Guanghe,et al. Fracture toughness of concrete after carbonation and wet-dry cycle of sulfate solution[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(8): 1062-1069. [张廷毅,汪自力,郑光和,等. 碳化与硫酸盐溶液干湿循环后混凝土断裂韧度[J]. 水利学报, 2016, 47(8): 1062-1069.] |
[15] |
Wu Zhimin,Zhao Guofan. Influences of aggregate sizes on fracture parameters of concrete[J]. Journal of Dalian University of Technology, 1994(5): 583-588. [吴智敏,赵国藩. 骨料粒径对混凝土断裂参数的影响[J]. 大连理工大学学报, 1994(5): 583-588.] |
[16] |
Xie S,Qi L,Zhou D. Investigation of the effects of acid rain on the deterioration of cement concrete using accelerated tests established in laboratory[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(27): 4457-4466. DOI:10.1016/j.atmosenv.2004.05.017 |
[17] |
Zhao Zhifang.Research on the fracture characteristics of dam concrete based on crack cohesion[D].Beijing:Tsinghua University,2004. 赵志方.基于裂缝粘聚力的大坝混凝土断裂特性研究[D].北京:清华大学,2004. |
[18] |
Xu Shilang,Yu Xiuli,Li Qinghua. Determination of crack initiation and equivalent crack length of low strength concrete using strain gauges[J]. Engineering Mechanics, 2015, 32(12): 84-89. [徐世烺,余秀丽,李庆华. 电测法确定低强混凝土裂缝起裂和等效裂缝长度[J]. 工程力学, 2015, 32(12): 84-89.] |
[19] |
Tada H,Paris P C,Irwin G R.The stress analysis of cracks handbook[M].New York:ASTM Press,2000.
|
[20] |
Xu S,Reinhardt H W. Determination of double-K criterion for crack propagation in quasi-brittle fracture,Part Ⅰ:Experimental investigation of crack propagation[J]. International Journal of Fracture, 1999, 98(2): 111-149. DOI:10.1023/A:1018668929989 |
[21] |
Xu S,Reinhardt H W. Determination of double-K criterion for crack propagation in quasi-brittle materials,Part Ⅱ:Analytical evaluating and practical measuring methods for three-point bending notched beams[J]. International Journal of Fracture, 1999, 98(2): 151-177. DOI:10.1023/A:1018740728458 |
[22] |
Xu S,Reinhardt H W. A simplified method for determining double-K fracture parameters for three-point bending tests[J]. International Journal of Fracture, 2000, 104(2): 181-209. DOI:10.1023/A:1007676716549 |