三轴应力作用下化学侵蚀对砂浆力学性能的影响

摘要：开展了不同水化学腐蚀下砂浆试样的常规三轴压缩试验，分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对试样的腐蚀程度及微细观结构的影响效应，探讨了砂浆试样的水化学腐蚀机理，并进一步对比分析了不同水化学作用对砂浆物理力学参数的影响规律。基于化学腐蚀后试样产生的次生孔隙率，建立了新的损伤参量来定量描述试样物理力学性质随水化学损伤的演化过程。

关键词：砂浆；水化学腐蚀；化学损伤变量；孔隙率

中图分类号：TU502.6

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）01012505

人们在大兴土木的同时面临着严重的环境污染问题。由于广大地区的雨水、地下水等中带有各种侵蚀性离子，使得混凝土材料在服役期间，不仅受到外荷载的作用，还长期受到环境中复杂的化学腐蚀作用，这严重影响混凝土材料耐久性，再加上重建和维修所需要的费用巨大，从而引起了工程界人士的高度重视。因此，开展水化学作用下类砂岩材料物理力学特性的研究具有十分重要的意义。

近年来关于水化学溶液对混凝土的物理力学性质影响的研究已受到了研究者的重视，并取得许多成果[111]。如Fattuhi等[1]、Kong等[2]、Chandra[3]和Attiogbe等[4]使用不同配比的砂浆、混凝土和水泥浆体，将试样浸泡在不同浓度的酸性溶液中，利用EDAX（扫描电子显微镜（SEM）或透射电子显微镜（TEM）上用的一种附属分析设备——能谱仪）、扫描电镜和SEM等微观检测技术，对受腐蚀的砂浆、混凝土和水泥浆体的物质成分、结构及抗压强度的变化进行了详细分析，根据化学反应物成分的不同，提出了不同的反应模型，发现受酸腐蚀的过程是复杂的。郑楠[5]开展了不同化学溶液、不同浓度、不同pH值的水化学环境对砂浆试样力学性能的试验研究，主要研究了不同水化学溶液腐蚀后砂浆试样的抗压强度和应力应变曲线的变化规律，并在实验结果的基础上，提出了水泥砂浆受盐酸腐蚀的强度计算模型。然而，有关化学作用对砂浆试样三轴试验力学特征的影响效应方面却鲜见。

笔者开展溶液pH值、浓度及化学成分对砂浆试样力学特性的试验研究，分析了化学腐蚀作用对砂浆微细观结构的影响效应，并对化学腐蚀机理进行了探讨。同时，基于孔隙率建立了损伤变量来定量描述砂浆试样的物理力学参数在化学腐蚀过程中的演化过程。

韩铁林，等：三轴应力作用下化学侵蚀对砂浆力学性能的影响

1试验材料与方法

1.1试验仪器及试样制备

试验仪器采用西安理工大学岩土所与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的WDT1500多功能材料试验机，该试验机由轴向加载系统、围压加载系统、横向剪切系统、声波检测系统（采用中国科学院武汉岩土所RSMSY5声波检测仪，包括声波检测分析仪、声波换能器）、计算机控制与量测系统5部分组成。最大轴向力为1 500 kN，最大围压80 MPa，轴向和径向变形测量范围分别为0～10 mm和0～5 mm。

1.2试样制备

试验采用灰∶砂∶水=1∶2∶0.5的砂浆试样，水泥选用陕西秦岭P.O 32.5，砂料选用西安浐河砂，并对其水洗干净烘干处理，同时对砂粒粒径级配进行了严格的控制，目的是为了保证砂浆试件所用骨料的均匀性。所用砂粒骨料粒径级配重量比为φ1（0.16～0.315 mm）：φ2（0.315～0.63 mm）：φ3（0.63～1.25 mm）：φ4（1.25～2.50 mm） = 5%：30%：40%：25%，铸模一次成形，加工成φ50 mm ×100 mm圆柱状，养护24 h脱模，然后在养护箱内（20℃，湿度90 %）养护28 d后，取出自然风干。试验前，采用中国科学院武汉岩土所RSMSY5声波检测仪对试件进行声波波速测试，剔除差异比较大的试件，并依据纵波波速对砂浆试件进行分组，即9组，每组12个试件，总计108个试件。试验前将试件放在105℃烘箱内烘24 h，然后测定每块试件的原始重量及纵波速度，其密度介于2.02～2.08 g/cm3之间，纵波速度变幅在3 602～3 781 m/s，孔隙率范围为8.07%～9.59%，这说明试验所用的砂浆试样物理性质相对均匀。

1.3化学溶液的配制

陕西省煤炭资源丰富，特别是陕北煤田的发现，以煤为原料的化学工业成为陕西省当前发展的重点，其中包括焦炭、兰炭、尿素等，这些化工行业在生产过程中产生大量的SO2、NOx、COx、NH3、H2S等污染物，而这些污染物在大气中转化为MSO4、MHCO3、MNO3、MCL等，这些污染物随着降雨及地表径流直接与岩体接触，是岩石与水发生化学腐蚀的主要前体物。加之地下水实际是一种复杂的化学溶液，其成分随着时间和空间的变化而变化。大多数地下水中含有的主要阳离子有：Na+、Ca2+、Mg2+、K+等；阴离子主要有SO42-、CL-、HCO3-等，一般情况下，水中的pH=5～8。要逐一研究或模拟这些污染物的作用，既不可能、也没有必要。综合考虑以上诸因素的影响，在模拟试验中，主要考虑Na+、SO42-、HCO3-离子对岩石的影响，并选择了Na2SO4和NaHCO3两种溶液。又由于环境中水岩相互作用是一个长期而缓慢的过程，在试验过程中，为了在较短的时间尺度内观察到这种变化，以及排除一些因素的干扰，采用浓度较大、pH值较小或较大的化学溶液来模拟。试验所配置化学溶液如表1所示。

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