卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土轴心受压性能的影响.pdf

Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(3)/June兰州大学学报（自然科学版），2 0 2 3，59(3）6 月卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土轴心受压性能的影响李双营，邵亚飞，钟海林青海民族大学土木与交通工程学院，西宁8 10 0 0 7摘要：为考察卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土(单掺聚丙烯纤维、单掺二氧化硅、双掺聚丙烯纤维+二氧化硅)轴心受压性能的影响，通过模拟青海盐湖地区卤水腐蚀环境，对45块改性磷酸镁混凝土试样进行不同次数的卤水腐蚀，并对其进行单轴轴心受压试验.结果表明，改性磷酸镁混凝土的破坏形态主要是承压式破坏；轴心受压应力-应变曲线由上升段和下降段组成，整个完整过程由弹性阶段、强化阶段、弱化阶段和残余阶段组成；在卤水腐蚀环境下，随着腐蚀次数的增加，改性磷酸镁混凝土发生了显著的退化，退化顺序为双掺聚丙烯纤维+二氧化硅 单掺二氧化硅 单掺聚丙烯纤维 95%的标准养护箱中养护后测试抗压强度.417李双营，等：卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土轴心受压性能的影响a磷酸镁混凝土b制备试样图1改性磷酸镁混凝土钢筋及纤维筋试样Fig.1 Modified magnesium phosphate concrete reinforcedbar and fiber bar test block1.3试验方法单轴受压试验主要分析卤水腐蚀作用下0、30、6 0、90、12 0、150 d 磷酸镁混凝土单轴轴心受压应力-应变曲线.试验仪器为上海华龙测试有限公司的WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机，最大压力10 0 0 kN，精度0.0 0 1N，采用位移控制进行等速率加载，加载速率0.0 1mm/min.立方体抗压强度参照普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081-2002)进行试验.试样抗压强度Ffou=(1)JcuA其中，F为试样破坏荷载(N),A为试样承压面积(mm).2结果与分析2.1轴心受压破坏特征改性磷酸镁混凝土是非均质体的多相材料，承受的外力性质不同，抵抗破坏的能力也不同，在工程中多以承受压力为主.试样受压时发生变形，由内部产生裂缝，随后裂缝开始发展、汇集，最终整体破坏，破坏形态有承压破坏和开裂破坏(图2).a承压破坏（侧面)b承压破坏(正面)C开裂破坏图2混凝土试样破坏形态Fig.2Damage form diagram of concrete samples承压破坏：混凝土试样受压时在上、下表面都垫上承压板，此时上、下表面和承压板之间的摩擦力阻止试样向外自由变形，阻碍裂缝的发展，提高了试样的抗压强度，破坏时远离承压板的试样中部所受的约束少，混凝土剥落得快，破坏时形成两个对顶的截头方锥形。开裂破坏：在承压板和试样上、下表面涂抹润滑剂，减小试样加压时的摩擦力，测得抗压强度减小，破坏形态为开裂破坏。为与实际情形相符合，本试验不添加润滑剂2.2轴心受压结果分析通过混凝土试样在卤水腐蚀作用下单轴轴心受压试验，得到应力。与应变的关系曲线(图3),试验参数见表2.由图3可知，在卤水腐蚀作用下，腐蚀天数不同时试样1 4的-8曲线基本相同，都分为上升段和下降段.随着腐蚀天数的增加，上升段表现为曲线斜率逐渐减小，峰值点下降并向右移动；下降段表现为斜率增加，曲线右移；曲线的形状由高窄型逐渐变为矮宽型.腐蚀天数相同时，试样1 4的曲线形状由矮宽型逐渐变为高窄型，说明试样4的力学性能最好，试样1的力学性能最差，在较小的应力下就会产生较大的变形，塑性变形减小，延性降低，最终混凝土结构的强度、刚度减小，产生变形及裂缝。由表2 可知，腐蚀天数相同时，试样1 4的极限应变依次减小，极限应力依次增大.在腐蚀6 0 d时试样1与试样4相比，极限应变减小了45%，极限应力增加了2 8%.随着腐蚀天数的增加，试样14的极限应变依次增大，极限应力依次减小，试样1在腐蚀12 0 d时动弹性模量降至6 0%，已达到破坏的程度；试样4腐蚀18 0 d后，极限应变增加了136%，极限应力减小了14%.随着腐蚀天数的增加，卤水中的CI侵蚀混凝土，试样表面出现剥离、翘皮、局部压缩、裂缝等现象，极限压力减小，极418兰州大学学报(自然科学版)，2 0 2 3，59(3)60腐蚀天数50odd30d5030d60d60d4090d90d120d40120d150d30180d3020201010102468101202468101214e/10-e/10a试样1b试样270700d0d6030d6030d60 d60d5090d5090d120d120d150d150d40edW/oedW/o180d40180d303020201010024681012024681012/103e/10-3c试样3d试样4图3不同试样的应力-应变关系Fig.3SStress-strain relationship diagram of different samples表2 不同试样的特征值Table2Characteristic values of different samples试样1试样2试样3试样4腐蚀天极限应极限应极限应极限应极限应极限应极限应极限应数/d变/10 3力/MPa变/10-3力/MPa变/10 3力/MPa变/10-3力/MPa01.9153.001.6155.001.4165.001.1168.00302.2050.681.8252.321.6562.961.2166.56602.6047.592.1050.651.8461.211.4465.98903.2045.982.4049.682.2359.831.7564.121203.9143.532.8048.392.6058.802.0162.011503.3146.023.0057.622.3661.131803.8243.563.4255.402.6258.48限应变增大2.3试样特征值的拟合关系通过试验数据拟合卤水腐蚀环境下试样1 4的相对极限应变、相对极限应力和腐蚀天数之间的关系，其关系式分别为：试样1=1.005 8,R*=0.990,&0=1-0.001 49T,R=0.990;(2)试样2=1.004 8,R=0.997,80r=1 0.001 06T,R=0.990;(3)00试样3E=1.005 0,R=0.997,8r=1 7.672 10-T,R=0.988;(4)419李双营，等：卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土轴心受压性能的影响试样4E=1.004 9,R*=0.992,80r=1-7.596 10*T,R=0.978.(5)其中,T为养护周期；8 o、。为无腐蚀时试样的轴心受压峰值应变和峰值应力；&r、为腐蚀T时试样的轴心受压对应的峰值应变和峰值应力；&/、p/。为腐蚀T时试样的轴心受压对应的相对峰值应变和相对峰值应力.由(2)(5)式可知,相对峰值应变满足指数函数关系，而相对峰值应力满足一次函数关系。3卤水腐蚀作用下试样的单轴受压机理由单轴受压试验结果可知，在卤水腐蚀环境下试样1 4的应力-应变曲线主要由上升段和下降段组成.上升段可分为弹性阶段、强化阶段；下降段可分为弱化阶段、残余阶段(图4).各阶段的形成机理分别为 10:16B14121068AC64D20246810121416:/10-图4试样的单轴受压特征曲线Fig.4Characteristic curve under uniaxial compressionof samples当压应力较小时，应力-应变关系曲线在0 A段接近直线，试样处于弹性阶段.试样处于强化阶段时，随着压应力的增加，应力-应变关系越来越偏离直线，任意一点的应变都可分为弹性应变和塑性应变，试样内部原有的微裂缝开始发展，并在孔隙等薄弱环节处产生个别微裂缝.随着应力的增大，试样的塑性变形显著增大，内部裂缝不断延伸、扩展，出现贯通，应力-应变曲线的斜率逐渐减小.继续加载时，裂缝不断发展，试样内部处于不稳定阶段，当应力达到B点时，应力-应变曲线的斜率接近于0，试样表面出现不连续的可见裂缝。应力到达峰值点B后，应力-应变曲线的斜率减小，试样处于弱化阶段，其强度并未完全消失。随着应力的减小，试样的应变继续增加，曲线下降的坡度变陡,裂缝贯通(BC段).C点之后为残余阶段，试样的应力并未消失，而是下降速度缓慢，残余应力趋于稳定，应变大幅度增加，表面纵向裂缝将试样分为若干小柱，外载力由裂缝处的摩擦咬合力及小柱体的残余应力承担.4单轴受压试验应力-应变全曲线模型为准确拟合混凝土单轴轴心受压的应力-应变曲线，学者提出了指数式、多项式、三角函数式、有理分式、分段函数 6-10 等.过镇海10 提出上升段采用三次多项式，下降段采用有理式的曲线方程ax+(3-2a)x+(a-2)x3,0 x1;X(6)x1.b(x-1)2+x其中,=8/e2=,/2,、8,分别为磷酸镁混凝土轴心受压对应的应变和峰值应变；、,分别为磷酸镁混凝土轴心受压对应的应力和峰值应力；、b分别为与材料有关的上升和下降段的控制参数，根据单轴轴心受压应力-应变曲线的特点，采用上升段和下降段曲线方程时参数较少，虽然计算方便，但不能满足曲线的全部几何特征，HOGNESTAD(提出的函数已纳人CEB-FIPMC90的混凝土结构设计规范，但与实测曲线有一定差别.本研究采用文献 10 提出的应力-应变模型,该模型能较好地反映磷酸镁混凝土的受力性能、几何特点，拟合得到的试验曲线完整、准确，上升段和下降段的参数、b 相互独立，可对混凝土的受力性能进行分析.越大，上升段越陡，曲线斜率越大；b越大，曲线下降越快，、b 共同决定曲线的开口大小及形状.越小，b越大，曲线下的面积越小，曲线宽度越窄，塑性越差对卤水腐蚀环境下试样1 4在不同腐蚀天数下的单轴轴心受压应力-应变曲线进行拟合（图5),得到各自单轴受压应力-应变全曲线的参数a和b(表3).由图5、表3可见，拟合曲线与试验结果比较相符，曲线下的面积随着腐蚀天数的增加而增大，塑性变形依次减小，破坏过程更加急速，同类型的试块，随着腐蚀天数的增加，逐渐减小，b逐420兰州大学学报（自然科学版），),2023,59(3)1.01.0腐蚀天数腐蚀天数实际值理论值实际值理论值0.8odod0.8-0d0d30d30d-30d30d60d60d-60d60d0.6120d90d120d90d0.6-120d-90d90d120d00-150d-150d180d-180d0.40.40.20.211012345602468&/e2a试样1b试样21.01.0腐蚀天数腐蚀天数实际值理论值实际值理论值0.8-odod0.8-Od-0d30d30d30d30d60d60d-60d-60d90d90d90d0.60.690d120d120d120d120d150d150d150d-150d180d180d180d-180d0.40.40.20.21102468024688/82c试样3d试样4图5不同改性试样的应力-应变拟合结果Fig.5 Stress-strain fitting results of different modified samples表3不同改性试样的拟合参数Table3The fitting parameters of different modified samples腐蚀天试样1试样2试样3试样4数/dafbFafbFafbrafbF02.181.952.341.002.410.982.490.80302.102.602.251.702.321.202.401.00602.003.002.152.302.221.802.301.60901.853.701.953.002.072.452.152.251201.654.501.703.701.923.202.003.301501.554.501.723.951.853.651801.305.201.534.721.604.62p、b,分别为腐蚀T时拟合曲线的上升段和下降段参数.渐增大.试样2 在腐蚀18 0 d时a降低44.4%；试样3在腐蚀18 0 d时，a降低36.5%试样4在腐蚀18 0d时a降低35.7%，且降低速率最慢，说明抗腐蚀效果最好，通过试验数据拟合卤水腐蚀环境下试样14的相对值、相对b值和腐蚀天数之间的关系，其关系式分别为：试样1：l=-7.36 10*T-1.05510-T,R*=0.998,aobE=1+0.010 6T,R?=0.988;(7)b。试样2：F=1 0.001 36T-6.5 10-T,R=0.994,aobF1+0.0233T,R=0.999;(8)bo勇）（责任编辑：张421李双营，等：卤水腐蚀对改性磷酸镁混凝土轴心受压性能的影响试样3：r=1 0.001 06T-5.49 10T,R=0.99,aobF0.686+0.022T,R=0.983;(9)b。试样4:F=1 9.418 10 T-5.5 10T,R=0.998,aobF0.602+0.027T,R=0.976.(10)b其中，o、b.为无腐蚀时曲线上升段和下降段对应的a、b 值；ar、b,为腐蚀T时曲线上升段和下降段对应的a、b 值；ar/ao、b,/b.为腐蚀T时曲线上升段和下降段对应的相对a值、相对b值.由(7)(10)式可知，相对值满足二次函数关系，相对b值满足一次函数关系。模型的使用步骤 8 为：步骤1通过试验测定未腐蚀作用下试样的应力-应变曲线，将得到的峰值应力和峰值应变进行归一化处理，由模型得到.和bo；步骤2 由(2)(5)式得出不同腐蚀天数下试样对应的峰值应力和峰值应变；由(7)(10)式确定不同腐蚀天数下试样对应的和b,得到对应腐蚀天数的模型；步骤3约给定任一应变值，对步骤2 求出的峰值应变进行归一化处理，求出相对应变值，代入模型即可求出相对应力值，再乘以步骤2 中求出的峰值应力即可得出任一应变对应的应力值。按照上述步骤对不同腐蚀天数下试样1 4的特征参数进行预测9,将预测值与试验值进行对比，结果表明计算模型能够很好地预测不同腐蚀天数时试样的单轴轴心受压应力-应变关系 10.5结论通过对卤水腐蚀环境下4组不同组分的磷酸镁混凝土试样进行单轴轴心受压试验，得出磷酸镁混凝土的破坏特征及应力-应变关系.在卤水腐蚀环境下4组试样的相对极限应变与腐蚀天数满足指数函数的关系；相对极限应力与腐蚀天数满足一次函数的关系卤水腐蚀环境下4组试样的上升段相对参数a与腐蚀天数满足二次函数关系；下降段相对参数b与腐蚀天数满足一次函数关系.应力-应变模型中参数越大拟合曲线上升段越陡，斜率越大；b越大曲线下降越快.a、b 共同反映曲线的开口大小及形状.越小、b越大，曲线下的面积越小，曲线宽度越窄。应力-应变模型能够较好地预测不同腐蚀天数时磷酸镁混凝土的单轴受压应力-应变关系.参考文献1 SARKAR A K.Phosphate cement-based fast-settingbindersJ.American Ceramic Society Bulletin,2020,69(2):234-238.2 SEEHRA S,GUPTA S,KUMAR S.Rapid setting magne-sium phosphate cement for quick repair of concretepavements-characterisation and durability aspectsJ.Cement and Concrete Research,2017,23(2):254-266.3李东旭。磷酸镁水泥耐水性的研究.建筑材料学报,2018,12(5):505-510.4雒亚莉.新型早强磷酸镁水泥的试验研究和工程应用 M.上海：上海交通大学，2 0 10:54-6 1.5丁铸，李宗津.早强磷硅酸盐水泥的制备和性能.材料研究学报,2 0 16,2 0(2)：141-147.6 HOGNESTAD 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