混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理实质是在自然条件下外界侵蚀介质中的SO₄^2-通过混凝土表面的微裂缝进入混凝土的孔隙内部, 与水泥石的某些组分发生化学反应而导致体积膨胀, 在混凝土中产生膨胀应力, 当膨胀内应力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土进一步开裂, 导致更多的SO₄^2-进入到混凝土内部, 加剧体积膨胀, 使混凝土的开裂越来越严重, 最终导致混凝土结构物破坏。

　　 Al-Dulaijan等^[1]研究了混凝土在不同浓度硫酸钠溶液中的侵蚀性能, 结果表明, 浓度越高, 硫酸盐对混凝土腐蚀越严重。钟海明^[2]通过对加入钢纤维的混凝土进行荷载-干湿循环作用下抗硫酸盐侵蚀性能试验研究, 得出与未掺入钢纤维的混凝土相比, 钢纤维体积掺量为1%的混凝土的抗侵蚀能力提升幅度较大。孔琳洁等^[3]通过试验研究了聚丙烯纤维对混凝土耐硫酸盐侵蚀性能的影响, 研究表明, 相同配比纤维混凝土抵抗 (NH₄) ₂SO₄溶液侵蚀能力远远低于Na₂SO₄溶液, 而纤维的掺入明显改善了混凝土的耐硫酸盐腐蚀能力。杨全兵等^[4]的试验结果表明, 经过Na₂SO₄溶液干湿循环后, 盐结晶产生的混凝土膨胀和剥蚀破坏随着Na₂SO₄溶液溶度和干湿循环次数的增加而增加。王学志等^[5]通过对玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土硫酸盐腐蚀试验研究, 得出总体上混杂纤维系列纤维混凝土的抗硫酸静泡腐蚀能力优于单掺纤维系列纤维混凝土。

　　 Silderis等^[6]探索了掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响, 发现掺合料的加入能够提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。华渊等^[7]研究了碳纤维-聚丙烯纤维、钢纤维-聚丙烯纤维的混杂纤维。试验结果证明, 两者抗渗性、抗冻性均明显高于基准混凝土, 且在一定范围内其耐久性能随着纤维体积率的增加而提高。

　　 高延性纤维混凝土 (High ductile fiber concrete, 简称HDFC) 是以美国Li V C教授提出的Engineering cementitious composites (ECC) 理论为基础, 结合陕西地方材料, 配制出具有良好裂缝控制能力、高强度和韧性的高性能纤维混凝土^[8,9]。利用HDFC材料的高延性和裂缝控制能力, 可以较好地控制裂缝开展, 保护构件内部结构稳定, 避免外界不利因素进入结构内部, 延长混凝土结构的使用寿命, 提高其抗侵蚀性能, 从而提高其耐久性能。为了将HDFC尽早应用到实际工程中, 在实验室中对其进行抗硫酸盐侵蚀性能试验是评价这种材料抗侵蚀性能的主要途径。

　　 基于此, 本课题组通过硫酸盐侵蚀试验, 研究不同硫酸盐侵蚀次数作用下, HDFC的表观特征及其基本力学性能, 为相关地区使用HDFC提供工程设计经验和研究依据。

　　 试验包括HDFC试件原材料选定、试件的制备、硫酸盐侵蚀试验、试件外观记录以及单轴受压破坏试验。

　　 为达到较高的强度和韧性, 经本课题组大量试验研究分析, HDFC配合比为, 水泥∶粉煤灰∶砂∶水=1∶1∶0.72∶0.58, 其中, 砂为灞河中砂, 最大粒径为1.18mm, 水泥为P.O 42.5R普通硅酸盐水泥, 粉煤灰为Ⅰ级, 纤维的体积掺量为2%。纤维各项力学性能指标如表1所示。

　　 试件按确定配合比进行拌制, 拌制时首先按比例加入水泥、水和砂, 搅拌60s;然后加入粉煤灰和纤维, 再次搅拌60s;而后倒入钢模, 在振动台上振动20s, 并振捣;再次在振动台上振动20s后自然养护36h, 放入标准养护室进行养护。本次试验中制作的HDFC试件共10组, 每组3个试件 (编号为试件1, 2, 3) , 共30个, 试件均为尺寸100mm×100mm×100mm的立方体试件。HDFC试件经硫酸盐侵蚀后进行单轴抗压强度试验。

　　 根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) ^[10]中测定抗硫酸盐侵蚀的试验方法, 以HDFC试件在干湿交替环境中能够经受的最大干湿循环次数来评价HDFC的抗硫酸盐侵蚀性能。

　　 干湿循环试验按照下列步骤进行:1) 在试件养护至龄期56d前2d, 将试件从标准养护室取出, 擦干试件表面水分, 然后将试件放入烘箱, 并在 (80±5) ℃下烘48h, 烘干结束后在干燥环境中冷却到室温, 将试件放入试件盒中。2) 试件放入试件盒以后, 将事先配置好的10%Na₂SO₄溶液放入试件盒中, 溶液超过最上层试件表面30mm, 然后开始浸泡;从试件开始放入溶液, 到浸泡过程结束的时间为16h, 浸泡龄期从将HDFC试件放入10%Na₂SO₄溶液中起计时;试验过程中每隔15次干湿循环更换一次溶液。溶液的温度控制在25～30℃。3) 浸泡过程结束后, 立即将试件取出放入烘箱, 取出过程在30min内完成;试件放入烘箱后将试件风干, 风干的时间为1h。4) 风干过程结束后立即升温, 将烘箱内的温度升高到80℃, 开始烘干过程, 升温过程在30min内完成, 温度升高到80℃后, 将温度维持在 (80±5) ℃, 从开始升温到开始冷却的时间应为6h。5) 烘干结束后, 立即对试件进行冷却, 从开始冷却到将试件架内的试件表面温度冷却到25～30℃的时间应为2h。6) 每个干湿循环的总时间为24h, 然后再次放入溶液, 按照上述步骤2) ～5) 进行下一个干湿循环。

　　 本次试验考虑每15次干湿循环测定一次其力学性能, 因此, 每过15次干湿循环后, 进行抗压强度试验。同时观察经过干湿循环后混凝土表面的破损情况并进行外观描述。

　　 按照干湿循环试验方法进行试验, 对试件1, 2, 3分别进行硫酸盐侵蚀次数N=15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150次干湿循环, 每隔15次干湿循环对试件进行一次单轴受压破坏试验, 并检查试件外部损伤, 记录试件的重量损失。

　　 典型HDFC试件未侵蚀状态下的外观如图1所示, 分别进行干湿循环15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150次后的试件外观如图2所示。同时进行单轴受压破坏试验的试件破坏状态如图3所示。

　　 从图1未侵蚀外观状态到图2侵蚀150次的侵蚀外观状态可发现, 经过干湿循环后的试件, 其表层在干湿循环的作用下发生细微的变化, 在干湿循环进行到30次左右时, 试件表面有轻微的细骨料剥落现象, 但随着干湿循环次数的增加, 试件表面的细骨料剥落现象基本保持稳定, 剥落现象没有因干湿循环次数的增加而更加明显。同时, 试件在干湿循环过程中, 由于经过了侵蚀-烘干-再侵蚀的循环过程, 随着干湿循环次数的增加, 试件表面会有盐粒附着。因此, 虽然试件表面出现了轻微的细骨料剥落现象, 但由于剥落现象不明显, 又因盐粒的附着因素, 在试验的150次干湿循环中, 试件表面并没有因为细骨料轻微剥落而使掺杂的纤维外露。试件经过干湿循环后的整体外观良好。总体来说, HDFC在经过150次干湿循环后, 试件外观侵受蚀状态不明显, 整体性良好。

　　 从图3中试件的典型侧面破坏状态和典型受力面破坏状态可以看出, HDFC试件的破坏特征可以分为两个部分:侧面破坏状态主要呈现的是竖向斜裂缝, 由于受压破坏, 使得HDFC试件在侧面产生竖向斜裂缝, 但试件并没有因为产生竖向斜裂缝而分崩离析, 整体性良好;受力面破坏形态主要呈现出沿受压面外侧四周与受力方向相同的环状竖向裂缝, 且裂缝趋势整体向外侧扩散, 且其在受压破坏时, 试件没有散落现象, 仍保持整体性。

　　 从试件受侵蚀的状态以及试件受压破坏时的形态可以看出, HDFC试件在经过干湿循环后, 其表面表现出良好的抗侵蚀特征, HDFC试件在经过单轴受压破坏试验后, 从其破坏形态以及破坏特点看, 试件在破坏时并没有因为受压破坏而产生部分剥落现象, 仍然表现出良好的整体性。从受压破坏形态来看, 试件在破坏时其上下受力面表现出了高度统一的破坏形态。总的来说, HDFC试件在经过干湿循环后外观状态表现特征良好。

　　 试验中, 在测定干湿循环后的立方体试件抗压强度破坏时, 通过抗压强度试验机得到试件抗压强度应力-应变试验曲线。其中, 立方体抗压强度平均值见表2和图4, 受压应力-应变曲线见图5。

　　 试验加载过程中, HDFC试块经历了表面无明显变化、表面出现裂缝、裂缝稳态扩展、裂缝失稳扩展以及试块破坏等过程。从表2和图5可以看到:应变方面, 试验所进行的10组硫酸盐侵蚀的立方体试件在峰值应力时的压应变在1.4%～2.0%之间, 峰值应力时的应变较为集中;应力方面, 随着硫酸盐侵蚀次数的逐渐增加, 其受压峰值应力逐渐降低, 由最初的硫酸盐侵蚀15次后的63MPa左右降到侵蚀150次后的51.17MPa左右。硫酸盐侵蚀过程使得试件在经过150干湿循环后的立方体抗压强度相对下降率在18.7%, 满足《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) ^[10]中规定的抗压强度耐蚀系数达到75%, 即抗压强度下降在25%以内的要求, 这表明, 试件在经受硫酸盐侵蚀后仍表现出了良好的抗压性能, 并且, 随着硫酸盐侵蚀次数的增加, 试件在极限承载力时的压应变均在1.5%～2.0%范围内, 相对稳定。另外, 从图4的抗压强度平均值随侵蚀次数的变化情况来看, 随着侵蚀次数的增加, 受压试件的抗压强度平均值总体呈现下降趋势, 但是, 侵蚀次数为60次的抗压强度平均值大于侵蚀次数为45次的抗压强度平均值, 侵蚀次数为135次的抗压强度平均值大于侵蚀次数为120次的抗压强度平均值, 从数值上来看, 后者只是比前者略微偏大, 考虑到试件制作时的不确定性, 以及受侵蚀试件在加压过程中个别试件可能产生的细微偏差, 结果中出现此种现象属于试验过程中的正常情况, 同时也说明, 此配合比材料制作成的HDFC试件在受侵蚀时表现出了良好的抗侵蚀性能。

　　 从图5可以看出, 10组试件在经过硫酸盐侵蚀后的受压试验中, 受压初期随着应变的增加, 压应力缓慢上升, 曲线较平滑、平缓, 表明试件在初始阶段的压应力的变化率低于压应变的变化率。在应变达到0.75%以后, 随着应变的继续增加, 应力增加变快, 应力变化率逐渐超过应变变化率, 曲线斜率开始加大。另外, 10组硫酸盐侵蚀立方体试件的应力-应变曲线, 在压应力达到峰值以后, 随着应变的继续增加, 应力开始下降, 在曲线的下降段, 基本可以认为应力和应变保持相同的变化率, 即曲线基本保持同一下降趋势, 在应变达到大约2.5%～3.0%时, 随着应变的继续增加, 应力下降幅度相对于应变下降幅度变缓, 即下降曲线逐渐趋于平稳。

　　 将图5中各曲线进行整体趋势分析并汇总, 得到不同试件受侵蚀后HDFC曲线趋势汇总, 如图6所示, 本次试验测得的试件在侵蚀前后的单轴受压应力-应变曲线趋势大致特点如下:在曲线上升段, 在初始很小一段范围内应力保持缓慢上升, 曲线斜率相对较小, 之后曲线斜率突然增加, 并保持在一个较高的斜率值, 应力、应变保持线性关系, 然后单调下降, 当应力增大至峰值点处时曲线斜率变为零, 曲线在上升段趋势基本一致;在曲线下降段, 在其开始下降的很小一段范围内, 曲线斜率绝对值慢慢变大, 之后斜率绝对值基本保持不变, 即下降段基本保持直线下降趋势, 当应力下降到某一特定点时曲线出现拐点, 接着曲率逐渐变大, 出现曲率最大点, 之后曲线趋于平缓, 曲线在下降段的总体趋势一致, 但斜率有所不同, 出现拐点的位置也不同。

　　 对试件应力-应变曲线进行曲线拟合, 本文将应力-应变曲线分别采用无量纲坐标以及有量纲坐标表示。

　　 经归纳总结图6应力-应变曲线趋势特点, 令x=ε/ε₀, y=σ/σ₀ (其中ε为应变, ε₀为峰值应力时对应的峰值应变, σ为应力, σ₀为峰值应力) , 得到试件实测的硫酸盐侵蚀后无量纲应力-应变试验曲线, 如图7 (试验趋势曲线) 所示。

　　 针对图7中试验曲线趋势形状, 根据相关学者^[11,12,13]给出的应力-应变本构曲线, 依据最小二乘法对其进行线性回归, 得到图7所示拟合曲线。曲线在刚开始应变很小的一段范围内 (即x<0.4时) 的斜率较小, 此时采用y=x²公式表示;在0.4≤x<0.9时, 曲线呈线性增长, 此时采用y=1.34x-0.38公式表示;在此之后 (x≥0.9时) , 曲线采用Sargin^[14]公式表示:

　　 因此, 本次曲线为分段函数曲线, 综合以上分段函数, 得到曲线公式如下:

　　 式中在x≥0.9的曲线段内, y中系数取值如下:0.9≤x<1.85时, 取c₁=0.2, c₂=1.05;x≥1.85时, 取c₁=0.009, c₂=1.6。

　　 另外, 针对图6不同试件受侵蚀后HDFC曲线趋势汇总, 并对其特点进行分析, 得应力-应变试验曲线趋势图, 见图8。对试件受侵蚀后所进行的受压力学性能试验曲线进行多次拟合, 依据试验曲线特点, 本次拟合将试验曲线进行分段, 并逐步拟合, 因此, 本次拟合曲线为分段函数曲线, 综合分段函数, 得到HDFC干湿循环本构关系曲线如下:

　　 式中系数ɑ, b取值如下:1.59≤ε<2时, 取a=-43.4, b=118;2≤ε≤2.6时, 取a=-11.4, b=50。

　　 从图1和图2的试件外观状态来看, 硫酸盐侵蚀作用使得试件表面出现剥落现象, 但经过150次侵蚀后的剥落现象仍较轻微, 只有表层细骨料有剥落现象, 纤维并没有剥落, 在前90次硫酸盐侵蚀中, 表层纤维基本都只是略微显露, 这是由于纤维的加入, 使得纤维混凝土在经过硫酸盐侵蚀后的状态较普通混凝土好, 未像普通混凝土在受侵蚀后表层剥落严重, 并且纤维混凝土在受到硫酸盐侵蚀后表面受侵蚀现象不明显, 同时, 在所进行的150次受侵蚀次数范围内, 随着硫酸盐侵蚀次数的不断增加, 其表面受侵蚀状态趋于稳定。这表明, 纤维的加入使得HDFC中材料的连接作用更加紧密, 试件整体性良好。

　　 从用于测定不同硫酸盐侵蚀次数的抗压强度试件破环状态 (图3) 看到, HDFC破坏时, 其整体性能良好, 在试件最初的裂缝开裂形式中, 受压的上下面表现出高度统一的环向竖裂缝, 且外层HDFC局部翘起, 但连接性较好。在试件的侧面, 会有不同程度的竖向裂缝, 这是由于纤维的存在, 使得试件之间的粘结作用较好, 破坏时试件并没有出现分离想象, 整体性良好。

　　 通过图6可以看到, 试件在侵蚀后的抗压强度试验过程中, 同样经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。本文主要研究试件受压弹性阶段的抗压能力, 即未产生塑性变形时的试件强度, 因此, 只对弹性阶段进行阐述。弹性阶段:应力-应变曲线较平滑、平缓, 随着应变的增加, 应力缓慢的增加, 说明HDFC同样具有普通混凝土在受压时的力学现象, 但较普通混凝土受压应力-应变曲线有所不同, 本次试验并未进行未加纤维的相同配比的普通混凝土硫酸盐侵蚀试验, 文中所叙述的与普通混凝土受压应力-应变曲线特点的对比, 是基于对普通混凝土的基本力学性能的总结, 关于普通混凝土受压应力-应变曲线特点及原因, 目前相关文章解释较为完善, 本文不再赘述。纤维混凝土受不同次数的硫酸盐侵蚀后所进行的受压力学性能试验分析, 这是由于纤维的存在, 使得试件具有高延性和裂缝控制能力, 保护构件内部结构稳定, 使其更加稳定, 调节了其在受压时试件内部的受力情况, 针对其内部受力情况以及试件内部结构变化, 后续将有针对性地进行相关试验, 并进行电镜扫描, 进一步分析其受力特点, 从本文试验现象及试验结果来看, 纤维的加入, 使得试件在受压试验中所表现出来的力学现象与普通混凝土受压试验时的现象有所不同。

　　 (1) HDFC具有良好的拉伸应变-硬化特性和裂缝控制能力, 受拉状态下产生多条细密裂纹, 可见HDFC具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能。试验结果表明, 经过150次硫酸盐侵蚀后的HDFC具有良好的裂缝控制能力, 试件出现较少的细密裂纹, 表现出良好的抗侵蚀性能。

　　 (2) HDFC在经过150次硫酸盐侵蚀后, 其抗压强度有所降低, 但降低率在18.7%, 满足抗硫酸盐侵蚀性能要求。

　　 (3) 从HDFC抗压强度破坏试验中试件的破坏状态可以看出, HDFC试件在破坏时, 其出现的是与受力方向相同的纵向裂缝, 裂缝宽度并不明显, 另外, 其上下受压面在破坏初期出现环向竖裂缝, 但裂缝外侧纤维混凝土没有剥落现象。这表明, 纤维的存在, 使得HDFC在受压破坏时, 其破坏形式与一般混凝土有所不同。HDFC在破坏时裂缝外侧的纤维混凝土整体仍然连接, 并没有被压碎散落, 这表明HDFC具有良好的整体性。

　　 (4) 通过分析HDFC硫酸盐侵蚀试验应力-应变曲线, 得到HDFC抗侵蚀本构模型曲线, 且与试验曲线对比, 发现本构模型曲线与试验曲线较为吻合。