轴向拉压荷载对水泥胶砂传输性能的影响

王耀城，王少华，钟镇灏，刘 伟，董必钦，郭军辉

1)深圳大学土木工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518060；2)中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北武汉430000

【建筑与土木工程 / Architecture and Civil Engineering】

轴向拉压荷载对水泥胶砂传输性能的影响

王耀城1，王少华1，钟镇灏1，刘 伟1，董必钦1，郭军辉2

1)深圳大学土木工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518060；2)中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北武汉430000

采用轴向拉伸与压缩的方式，对混凝土最重要的组分水泥胶砂施加非破坏性的不同级别的荷载，研究在持续荷载作用下材料受力与碳化和氯离子侵蚀速度之间的关系．结果表明，在试验研究的应力区间内，拉压(应力)分别增加(降低)了碳化和氯离子侵蚀速度；应力对氯离子传输速率的影响比对碳化的影响更加明显；相对非破坏性的拉力荷载，压力荷载对材料的传输系数可能会产生相对较大的影响．

结构工程；防灾减灾工程；砂浆；轴向拉压荷载；碳化；氯离子侵蚀；多相；传输模型

在混凝土结构的使用过程中，环境中的CO2和Cl-会通过扩散作用从混凝土表面向内部钢筋移动，导致钢筋产生锈蚀．此现象是现阶段混凝土结构耐久性领域普遍关注的一个重要问题，已有诸多学者对此两种传输过程的机理及规律开展了广泛研究[1-9]．在已经展开的研究中，为便于分析CO2和Cl-在混凝土中的运动规律，许多研究者把混凝土假想为一种均匀材料，忽略其内部砂浆、界面过渡区和骨料具有的不同的传输性能、力学性能和化学性能．此假设对研究混凝土在真实服役情况下，CO2和Cl-的传输过程带来了问题．由于砂浆、界面过渡区和骨料的力学性能均不同，真实服役的混凝土在自重和外部荷载等外力作用下，将产生不同程度的变形，承担不同大小的荷载，进而引起传输性能各异．如在较大外部荷载作用下，力学强度较低的界面过渡区承受了很大应力，部分区域会产生裂缝导致传输速度骤增，但此时混凝土宏观上仍保持相对完整．因此，在荷载作用下，诸多基于实验室展开的无明显荷载作用时CO2和Cl-在混凝土内部传输的研究成果将不再适用．目前，针对混凝土在荷载作用下的传输过程研究相对较少．有学者采用弯曲的方式对混凝土进行加载．此类研究中，试样截面不同位置处所受拉压应力数值相差明显，所得渗透深度结果无法进行深入分析，且结果一般具有较大的离散性．另一部分学者研究了加载后再卸载的混凝土的传输性能．所得结果实际上反映的是混凝土受载后的损伤程度，与服役条件下混凝土经受持续荷载作用的情况不符．因此，为了深入探讨荷载对混凝土中CO2和Cl-传输性能的影响，需要对持续轴向荷载作用下，砂浆、界面过渡区和骨料内的传输性能进行系统研究．

本研究通过试验研究了混凝土中砂浆部分在轴向拉压荷载作用下CO2和Cl-传输的变化规律．研究结果可精准全面地揭示CO2和Cl-在真实服役的钢筋混凝土中的传输状态，为现有混凝土多相传输模型提供数据支撑[10-15]，也为更加准确和深入的预测Cl-在混凝土中的有效扩散系数提供试验数据．

1 试验设计

1.1 试件制备、养护及预处理

由于在对试件进行拉伸加载时，为尽量使试件中段有效测试部位达到均匀受拉的目的，在满足圣维南原理要求的情况下，采用截面尺寸相对较小的40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件，这样既可避免仪器设备的制约，又尽量减小甚至避免了因外部夹持带来的端部局部应力集中．在拉应力均匀施加方面，参考文献[16]并综合考虑各种因素后，本研究采用依靠夹具和试件端部摩擦力的方法来实现均匀拉力的加载．

按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》制备40 mm×40 mm×160 mm标准水泥胶砂试件．原材料为粤秀牌P-II42.5R硅酸盐水泥，国家标准砂、自来水．试样胶砂比为1∶23， 水胶比为0.5．新制备的水泥胶砂样品在铁制三联模中成型，成型24 h后脱模，静置于恒温自来水水池中((20±3) ℃)养护至28 d．本试验采用配比所得试件的28 d抗压强度和轴向抗拉强度分别为40 MPa和7.48 MPa．

在试件进行加载前，对氯离子侵蚀和碳化的试件进行相对湿度预处理，具体步骤为：①氯离子传输试件在28 d饱水状态下施加拉压荷载；②碳化试件在加载前先均化试件内部相对湿度至65%左右(试件于温度为(20±3) ℃，相对湿度为65%的恒温恒湿养护箱中静置14 d)．随后，将每个试件用环氧树脂进行密封，仅将一个40 mm×160 mm的侧面暴露在空气中，以期使试件内部形成一维的碳化和氯离子侵蚀过程．

1.2 荷载施加

本研究旨在探求材料承受的轴向应力对其传输过程的影响．试验过程中材料承受的应力级别是通过试件的极限抗拉/抗压荷载设计的[9]．由文献[17]可知，当混凝土受到的压力大于其极限抗压强度的40%时，混凝土内部会产生微裂缝，使其传输性能明显变化；卞雷等[18]认为，在混凝土受到拉应力大于其极限应力的60%时，将产生明显裂缝．本研究希望尽量避免由裂缝带来的传输性能变化．因此，设计的研究强度范围指定为40%fc、无应力至60%ft．其中，fc和ft分别为材料的抗压和抗拉强度(针对本试验所用材料及配合比，其强度值分别为40.00和7.48 MPa)．研究表明，压力对传输性能的影响相对拉力偏弱[19-20]．因此在本试验压力阶段选择40%fc和20%fc两个应力水平，而在拉力阶段选择20%ft、40%ft和60%ft3个应力水平．对试件施加轴向拉力的仪器为上虞市拓展仪器设备有限公司生产的ZY-3系列数显式锚杆拉力计，额定最大拉力为30 kN，精度为0.01 kN(本试验施加的最大拉力荷载为1.54 kN)；施加压力的仪器为深圳大学MTS300吨级微机控制电液压伺服压力试验机，额定最大压力为3 MN，精度为0.01 kN．本试验施加的最大压力荷载为12.8 kN．

采用的拉伸与压缩装置示意图和对应的加载步骤见图1．

图1 拉伸与压缩装置荷载施加过程Fig.1 Loading process of stretching and compressing device

1.3 碳化及氯离子侵入试验

1.3.1 碳化实验

将施加荷载后的试件放入碳化箱中，碳化箱内环境参数设置温度为(20±3)℃，相对湿度为(65±3)%，CO2体积分数为(5.0±0.3)%．待试件的碳化龄期t依次达到2、4和8周时，将试件取出，卸除荷载，对横截面方向进行劈裂，在新劈裂的断面处，依照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试规范标准，采用质量分数为1%的酚酞溶液测试试件的碳化深度，测试时采用游标卡尺在渗透区域均匀的地方选取5个位置，记录测量后的数据．

1.3.2Cl-渗透实验

将施加荷载后的试件及加力装置共同放入装有质量浓度为165g/L的NaCl溶液的塑料箱中，将箱子用塑料薄膜覆盖，减缓实验过程中水分蒸发．当浸没时间达到2、4和8周时，将试件取出、卸除荷载、劈裂，并在新劈裂的断面喷洒0.1mol/L的AgNO3溶液，并测试Cl-的侵入深度．

2 试验结果及数据分析

2.1 碳化试验结果

图2为在不同应力等级作用下，各个碳化龄期的碳化深度结果．其中，直方图为不同碳化龄期的测试结果．

由图2可见，不同龄期结果的误差线表明测试结果具有一定的离散性．在同一应力级别作用下，随着碳化龄期增加，碳化深度总体呈增加趋势，且前期的碳化深度增加比后期更明显；但40%fc试件的结果稍有不同，碳化4周试件的碳化深度高于8周的试验结果，其原因可能是由于试件个体间的差异和试验过程中的操作误差造成的．为了降低试验过程中误差的影响，将3个碳化龄期的测试结果进行平均，并与应力等级进行比较(图2中平均值曲线)，用来分析拉(压)应力对碳化过程影响．需要指出的是，平均值中所体现的碳化深度并不代表某个龄期下的碳化深度，但可作为统计学指标，分析不同级别的应力对试件碳化深度的影响．

图2 碳化深度与应力关系Fig.2 Relationship between carbonation depth and different stress levels

由图2还可见，随着应力从-16.00 MPa提升至0 MPa，进而增至0.96 MPa，试件的碳化深度渐增．在压应力作用下，随着应力的增大，碳化深度明显减小，且减幅急剧；在拉应力阶段，随着应力的增大，碳化深度总体呈增大趋势，但变化幅度较小．在所有的应力级别中，随着碳化时间的增加，CO2的传输更加深入，碳化深度增大．相对于碳化4～8周，碳化早期阶段(0～4周)碳化深度的增加更明显．这可能是因为随着碳化龄期的增长，碳化生成了越来越多的碳酸钙，填充了材料的孔结构，随着碳化龄期增长，这种填充效果越来越明显，影响了CO2传输效率，因而，碳化深度的增加呈减缓趋势．在较大的压应力40%fc作用下，这种影响尤为突出．在拉应力作用阶段，碳化深度随着时间的增加而增加，且应力大小对碳化深度增加的影响作用不明显，但在压应力作用下，应力大小对碳化深度影响显著．这可能是由于压应力的作用使微观孔结构尺寸减小，从而降低了CO2在孔隙中的传输效率，降低了碳化深度；相反，拉应力的作用促使微观孔结构尺寸增大，提高了CO2的传输速率，从而使碳化深度增加．压应力的绝对数值相比拉应力多出十几倍，其对孔结构的影响作用明显大于拉应力，所以在压应力作用区碳化深度变化比拉应力作用区要大．本试验所得结果与田浩等[21]报道的混凝土受力作用下碳化研究结果类似，拉力作用加快了碳化，压力作用减缓了碳化．可以认为是砂浆试件在不同应力状态下碳化速度不同，在拉应力作用下，内部的孔结构扩张，甚至出现微细裂缝扩展，使CO2容易扩散，以致碳化速度加快；受到压应力时，内部大量的微细裂缝闭合可能宽度减小，抑制了CO2的扩散，碳化速度减慢．这与肖佳等[22]的观点一致．

图3 应力作用下碳化深度与的关系 Fig.3 Relationship between carbonation depth and under stresses

2.2 Cl-渗透试验结果

图4为不同应力作用下Cl-侵蚀深度结果．由图4可见，在3个不同测试龄期中，不同应力作用对Cl-侵蚀深度的影响呈现了大致相同的趋势．从40%fc至无应力状态，再至60%ft作用下，Cl-侵蚀深度逐渐增加．部分试件的测试结果存在些许可能由试件个体间的差异及本测试方法的测试精度导致的结果波动．为了降低此类偏差的影响，可以通过测试的3个龄期的Cl-侵蚀深度平均值来衡量应力作用对Cl-侵蚀速度的影响．

由图4可见，在各拉应力级别的作用下，随着侵蚀龄期的增加，试件的侵蚀深度总体呈增加趋势．随着应力从-16.00 MPa提升至0 MPa进而增至0.96 MPa，试件的Cl-侵蚀深度逐渐增加．其中，在压应力作用阶段，随着应力的增大，Cl-侵蚀深度减小明显；在拉应力阶段，虽然应力增大的绝对值相对较小，但Cl-侵蚀深度仍然呈现出相对较明显的增大趋势．试验结果说明，拉应力作用促进了Cl-的传输，而压应力对传输过程起到了抑制作用．涂永明等[23]也得到了类似的结果，即在拉应力状态下，混凝土的Cl-等效扩散系数呈线性增长；而在压应力状态下，等效扩散系数逐渐减小．

图4 Cl-侵蚀深度与应力关系Fig.4 Relationship between chloride ingress depth and stress

对比图2和图4试验结果可以发现，应力作用对试件碳化和Cl-侵蚀的作用效果基本一致，因此可推断出其原理也基本类似，即当CO2和Cl-在水泥胶砂材料不同尺度的孔隙中传输时，拉(压)应力分别增大/减小了传输通道的尺寸，导致两种物质传输速度发生变化；应力越大，通道尺寸改变程度越明显，宏观性能上显示的对侵蚀深度的影响也越明显．

在拉(压)应力作用下，试件的孔结构相应的发生扩张/收缩，使能够通过单位截面的Cl-摩尔数量增加/减小，增大/减小了Cl-的传输速率；拉(压)应力的大小对孔隙的影响程度不同，应力数值越大，对孔隙的结构改变越大，导致Cl-侵蚀深度也越大．所以在拉(压)应力区，曲线是随着应力的增大而呈现上升/下降趋势．由于压应力的数值是拉应力数值的十几倍，所以压应力作用区域对Cl-传输的影响要比拉应力作用区域大得多．

因此可认为，在轴向受拉荷载作用下，试件内部受到应力作用使内部产生损伤，在微观尺度上表现为孔隙结构特征的改变，这种损伤逐渐积累致使微裂缝扩展、孔隙迂曲度降低和孔隙连通性增大，促进了Cl-的传输；在轴向受压荷载作用下，试件内部原先存在的微裂缝在压应力作用下产生闭合现象，整体降低了孔隙尺寸，也使部分连通孔闭合，严重阻滞Cl-的传输．这与付传清等[9]关于应力下Cl-在混凝土中传输状况的观点基本一致．

2.3 应力作用对碳化和Cl-渗透的不同影响

图5对比了各应力状态下试件内部的碳化及氯离子侵蚀深度(3个龄期的平均值)，以及与无应力状态(0 MPa)相比，研究的各个等级的拉(压)应力对碳化和Cl-侵蚀深度的影响．数据结果显示：在本次测试的水泥胶砂试件中，碳化深度(2.0～3.5 mm)明显低于Cl-渗透深度(8～12 mm)．两结果的不同除了由于材料抵抗CO2和Cl-侵蚀能力的差异外，还可能由于不同测试方法原理导致的差异．本次试验中，碳化深度采用酚酞测试法，其测试原理是以材料中pH值接近9作为判断是否碳化的标准，而测出的碳化深度值在理论上必定小于真实碳化深度[24]；而AgNO3测试的Cl-侵入深度是以Cl-参加反应完全生成白色沉淀，并可通过肉眼观察到，作为侵入深度判断标准(一般情况下，此时变色边界Cl-浓度约为凝胶材料质量的0.01%～0.40%[25]，基本可认为是真实的Cl-侵入深度)．

图5 拉压应力作用下碳化和Cl-侵蚀对比 Fig.5 Comparison of carbonation and chloride ingress under stresses

此外，虽然拉压应力对两种传输作用的影响类似，可归结为应力对物质传输通道尺寸的影响，但与CO2相比，应力对Cl-的传输更加敏感，相同拉(压)应力作用下，Cl-渗透深度变化的幅度比碳化变化幅度更明显，如40%fc作用下，Cl-渗透深度降低至无应力状态下的54%，相对应的碳化程度降低为无应力状态下的66%．原因可能是，当压应力作用使孔的尺寸明显减小时，孔壁对孔溶液中运动的Cl-的物理(毛细管作用)和化学(与水泥基材料反应)吸附作用变得更显著．CO2是以气体分子的形式在孔结构中传输，孔结构在应力作用下的改变，对其传输的影响主要是由孔结构几何尺寸的改变带来的．相对孔尺寸改变对传输过程的影响，CO2与水泥基材料反应的过程对传输的影响并不明显．

3 结 论

本研究通过对比水泥胶砂材料在不同等级的轴向拉伸与压缩外力作用下，碳化和Cl-侵蚀深度的变化，研究了外力作用对水泥胶砂材料传输性能的影响．通过对试验结果的分析，可得到以下结论：

1)施加在水泥胶砂材料上的拉(压)荷载，会改变材料内部的孔结构，影响物质在其中的运动速率；拉力荷载增大孔的尺寸，导致传输加速；压力荷载减小孔的尺寸，导致传输速度降低．

2)应力作用对Cl-传输的影响比其对碳化过程的影响更敏感．在各个级别荷载的作用下，如极限抗拉强度的60%和极限抗压强度的40%，试件的碳化深度分别增加10%和降低34%，而Cl-渗透深度分别增加15%和降低46%．产生此现象的原因可能是，压应力作用使孔结构缩小，孔壁对孔溶液中运动的Cl-受到的物理和化学吸附作用更显著；而CO2气体分子相对孔尺寸的改变，与水泥基材料反应的过程对传输影响并不明显．

3)在通过模拟研究荷载作用下混凝土内部传输过程时，将未产生明显裂纹部分认为是未受到损伤，从而认定其扩散系数不变的假设是不正确的．除此之外，精确的模拟过程还应考虑到Cl-和CO2等传输物质的不同性质．

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【中文责编：英 子；英文责编：之 聿】

2016-11-19；Revised：2017-03-05；Accepted：2017-05-24

Professor Dong Biqin. E-mail: incise@szu.edu.cn

Effect of axial tensile and compressive loads on transport properties of cement mortar

Wang Yaocheng1, Wang Shaohua1, Zhong Zhenhao1, Liu Wei1, Dong Biqin1, and Guo Junhui2

1)College of Civil Engineering, Shenzhen University, Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China 2)No.6 Branch, China Communications Construction Company Second Harbor Engineering Co.Ltd., Wuhan 430000, Hubei Province, P.R.China

Different degree of axial non-destructive compressive and tensile loadings are applied on cement mortar to study the influence of continuous loading on speed of carbonation and chloride ingress. Results show that within the range of the applied forces, compressive or tensile loading decreases or increases the ingress speed of CO2and Cl-, respectively. Comparing with that for carbonation, influence of loading on speed of Cl-ingress is more obvious. In comparison to that of tensile loading, compressive force may lead to more significant impact on transport properties.

structural engineering; disaster prevention and reduction engineering; mortar; axial tensile and compressive loads; carbonation; chloride ingress; multiphase; transport model

：Wang Yaocheng, Wang Shaohua, Zhong Zhenhao, et al. Effect of axial tensile and compressive loads on transport properties of cement mortar[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(4): 408-414.(in Chinese)

TU 502

A

10.3724/SP.J.1249.2017.04408

国家自然科学基金资助项目(51408366, 51520105012, 51478271)；深圳大学新引进教师科研启动资助项目(201546)；深圳市科技创新委资助项目(JCYJ20150324 141711682)

王耀城(1984—)，男，深圳大学博士研究生．研究方向：滨海环境下混凝土的耐久性研究．E-mail: wangyc_szu@126.com

Foundation：National Natural Science Foundations of China (51408366, 51520105012, 51478271)；New Research Project Sponsored by Shenzhen University(201546)；Project supported by Shenzhen Science and Technology Innovation Commission(JCYJ20150324141711682)

引 文：王耀城，王少华，钟镇灏，等．轴向拉压荷载对水泥胶砂传输性能的影响[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(4)：408-414.