圖 1砌塊示意圖
Figure 1.Schematic diagram of block
砌體結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用時間較長且應(yīng)用范圍較廣的建筑結(jié)構(gòu),但長時間服役會使砌體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷,影響其安全性。世界上很多擁有幾百年甚至上千年歷史的建筑都是以黏土磚為基本建設(shè)材料,由于長期處在鹽侵蝕、干濕交替、凍融循環(huán)、地下水遷移等惡劣的自然環(huán)境中,這些砌體建筑出現(xiàn)了嚴(yán)重的侵蝕和風(fēng)化現(xiàn)象。當(dāng)砌體建筑受到酸性溶液腐蝕時,酸性介質(zhì)與砌體結(jié)構(gòu)砂漿內(nèi)的Ca（OH）2發(fā)生中和反應(yīng),破壞砂漿的凝膠結(jié)構(gòu),并降低其強(qiáng)度,從而損傷砌體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度[1]。在硫酸鹽的侵蝕作用下,水泥砂漿會生成石膏型、鈣礬石型或結(jié)晶型腐蝕產(chǎn)物,發(fā)生體積膨脹,膨脹應(yīng)力使砂漿產(chǎn)生裂縫,從而導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度下降[2]。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前砌體結(jié)構(gòu)耐久性研究主要集中在兩個方面,即砌體的凍融破壞[3-6]和腐蝕破壞[7-10]。砌體凍融破壞在我國北方,尤其是東北地區(qū)較為嚴(yán)重,而砌體的腐蝕破壞在我國南方多雨地區(qū)尤為突出[11]。
關(guān)于砌體硫酸鹽腐蝕和酸性介質(zhì)侵蝕的問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張京街等[12]為了研究磚塊的耐久性,采用酸蝕法對比分析了工業(yè)酸液、硫酸鈉和自來水對磚強(qiáng)度的影響,并提出了修復(fù)磚塊表面腐蝕的措施。秦碩[13]選用硫酸和檸檬酸溶液對水泥砂漿試塊和水泥凈漿試塊進(jìn)行腐蝕試驗,研究了酸性條件下砂漿的外觀、質(zhì)量及抗壓強(qiáng)度的變化情況。王建華等[14]以水泥基材料為研究對象,分析在硫酸鹽環(huán)境中其不同腐蝕產(chǎn)物的形成條件和機(jī)理。吳培元[15]對不同水泥砂漿在不同溫度下進(jìn)行了抗硫酸鹽腐蝕試驗。馬昆林等[16]認(rèn)為,混凝土鹽結(jié)晶侵蝕破壞的機(jī)理是鹽結(jié)晶導(dǎo)致的孔壁破裂和干濕循環(huán)導(dǎo)致的脹縮。郭玉柱等[17]以水泥砂漿為研究對象,以水膠比為影響因素,在低溫和干濕循環(huán)作用下研究了水泥砂漿的耐硫酸鹽侵蝕性能。LARBI[18]在電子顯微鏡下觀察了硫酸鹽侵蝕、鹽結(jié)晶侵蝕、漿體鈣損失和凍融破壞等作用下砌體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀變化。KROPYVNYTSKA等[19]研究了鹽結(jié)晶侵蝕對磚墻微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的影響,發(fā)現(xiàn)添加含沸石的礦物摻合劑以后,墻體內(nèi)的SO3含量和Ca（OH）2含量均明顯降低,鹽結(jié)晶腐蝕程度有效減輕。FRANZONI等[20]通過鹽溶液干濕循環(huán)試驗對黏土磚三聯(lián)體的剪切強(qiáng)度、孔隙率、含鹽量和鹽分布進(jìn)行了比較和討論。結(jié)果表明,剪切強(qiáng)度在很大程度上取決于砂漿的含水量、孔隙率、強(qiáng)度和配制方法,磚孔隙中的鹽結(jié)晶會增大三聯(lián)體試件的抗剪強(qiáng)度。目前,關(guān)于酸性介質(zhì)、硫酸鹽、干濕循環(huán)等多種因素耦合作用下磚及其砌體耐久性研究成果甚少[21]。
針對排水管道內(nèi)砌體結(jié)構(gòu)長期遭受干濕循環(huán)和有害離子侵蝕而導(dǎo)致耐久性衰減的問題,作者在已有研究成果的基礎(chǔ)上,通過試驗對比研究了磚、砂漿、砌塊三種試件分別在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液和清水中干濕循環(huán)腐蝕后的抗侵蝕性能,探究磚、砂漿和砌塊在有機(jī)酸-硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的性能劣化規(guī)律,分析其劣化損傷機(jī)制,為砌體結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供理論基礎(chǔ)。
1. 試驗
1.1 試件制作及養(yǎng)護(hù)
磚塊選用尺寸為240 mm×110 mm×50 mm（長×寬×高）,強(qiáng)度等級為MU10的黏土實心紅磚,實際測得其抗壓強(qiáng)度為9.85 MPa。水泥選用市售海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。砂子采用細(xì)度模數(shù)為2.9（屬于中砂）的本地河砂,其含泥量為2.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,最大粒徑為5 mm,級配良好。
根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》,按0.5水灰比（450 kg水泥、1 350 kg砂、225 kg自來水）配制水泥砂漿,將水泥砂漿澆筑成40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體砂漿試件。具體過程如下：將水泥和砂放入攪拌機(jī)內(nèi),攪拌2~3 min直到完全混合,再倒入自來水,攪拌3~4 min直到混合物具有很好的流動性；將攪拌均勻的拌合物分層澆筑到40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)塑料模具中,在振動臺上振動1~2 min排出氣泡；砂漿試件成形后,在砂漿初凝前1~2 h,沿著模具口將其表面抹平,靜置24 h后脫模。剩余的水泥砂漿用于砌筑砌塊試件。砌塊試件由2塊黏土紅磚大面積相疊砌筑而成,其中間是厚度為10 mm均勻飽滿的砌筑砂漿,如圖1所示。將脫模后的砂漿試件與砌筑好的砌塊試件一起進(jìn)行28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
1.2 試驗方法及測試指標(biāo)
采用干濕循環(huán)加速腐蝕試驗?zāi)M實際工況對磚、砂漿、砌塊三種試件進(jìn)行腐蝕。一個循環(huán)周期為7 d,干濕時間比為3∶1（即干燥126 h,浸泡42 h）,試驗共進(jìn)行了28次干濕循環(huán)。干燥方式為自然干燥。試驗組腐蝕介質(zhì)為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硫酸鈉溶液,在溶液中加入有機(jī)酸檸檬酸將溶液pH調(diào)節(jié)為6；對照組腐蝕介質(zhì)為清水。試驗在塑料容器中進(jìn)行,溶液至少超過試件上表面50 mm,在浸泡期間,為了防止溶液揮發(fā)引起溶液pH和濃度的改變,使用白色薄膜對容器進(jìn)行密封,并每月更換一次溶液。
每經(jīng)過4次（28 d）干濕循環(huán)試驗后,分別取一組試件進(jìn)行觀測。具體內(nèi)容包括：觀察試驗后試件的表面損傷情況；采用精度為1 g,量程為10 kg的電子秤稱試件的質(zhì)量；測試干濕循環(huán)腐蝕后試件的抗壓強(qiáng)度和動彈性模量（DT-20型動彈性模量測定儀,橫向測試方式）,砂漿的抗折強(qiáng)度。
抗壓強(qiáng)度試驗：將試件放置在試驗機(jī)下壓板中心位置,調(diào)整上壓板位置使其與試件表面剛好均勻接觸；以5 kN/s的速率加載,直到試件被壓壞,記錄試驗中的破壞荷載；取一組試件,通過抗壓試驗獲得5個破壞荷載值,計算該組試件的平均抗壓強(qiáng)度,如果最大、最小值超過平均值±10%,則將這些值排除并重新計算平均值作為最終抗壓強(qiáng)度。
動彈性模量試驗：測試前,將試件放置在厚約50 mm的海綿墊上,防止試件與桌面直接接觸；在試件測量表面標(biāo)記兩個處于同一水平線上的測試點,其中,中間測試點位于測試表面的正中間,側(cè)邊測試點距離試件邊緣約5 mm；分別在兩個測試點和DT-20測定儀的兩個探頭上涂抹凡士林,然后將發(fā)射探頭和接收探頭分別置于中間測試點和側(cè)邊測試點,完成測量；每組測試5個試件,每個試件至少測試兩次,且頻率誤差不超過5 Hz,取兩次測試結(jié)果的平均值作為試件的最終動彈性模量。
抗折強(qiáng)度試驗：清除砂漿表面黏附的砂粒；將試件水平放置在抗折試驗機(jī)模具中心位置,以50 N/s速度加載至試件破壞,記錄試件的破壞荷載。
2. 結(jié)果與討論
2.1 外觀特征
圖2是經(jīng)28次有機(jī)酸-硫酸鹽溶液干濕循環(huán)腐蝕后砂漿、磚和砌塊的外觀特征。由圖2可知,經(jīng)過28次干濕循環(huán)腐蝕后,砂漿試件保持完整,侵蝕產(chǎn)物和晶體膨脹造成砂漿表面損傷,表層砂漿出現(xiàn)剝落,呈砂化現(xiàn)象；磚塊試件表面粉化,出現(xiàn)孔洞,雜質(zhì)裸露或剝落,干燥后孔洞內(nèi)填充了大量白色硫酸鈉晶體；砌體試件表層已比較酥松,表面覆蓋一層白色硫酸鈉晶體,邊角出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,整體保持完整。從外觀特征可以看出,經(jīng)28次有機(jī)酸-硫酸鹽溶液干濕循環(huán)腐蝕后,磚塊外觀受損程度最嚴(yán)重,砌塊次之,砂漿外觀損傷程度最輕。
圖 2經(jīng)28次有機(jī)酸-硫酸鹽溶液干濕循環(huán)腐蝕后試件的外觀特征
Figure 2.Appearance characteristics of specimens after corrosion by 28 dry-wet cycles in solution of organic acid and sulfate
2.2 質(zhì)量損失率變化
由于三種試件的質(zhì)量相差很大,為了便于比較,以質(zhì)量損失率作為質(zhì)量損失的評價指標(biāo)。質(zhì)量損失率的計算公式如式（1）所示。
式中：Ri為質(zhì)量損失率,%；m0和mi分別表示干濕循環(huán)試驗開始前和第i次循環(huán)后試件的質(zhì)量,g。質(zhì)量損失率為負(fù)值,表示試件質(zhì)量增加。
從圖3（a）中可以看出,在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,磚、砂漿和砌塊的質(zhì)量變化趨勢相同,均先少量增大后逐漸減小。在前4次干濕循環(huán)過程中,試件質(zhì)量增大的原因如下：硫酸鹽溶液通過毛細(xì)孔逐漸進(jìn)入磚和砂漿的內(nèi)部,填充了砂漿和磚的內(nèi)部孔隙,但還未對其造成破壞；隨著硫酸根離子含量的增加,砂漿內(nèi)部會發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),生成腐蝕產(chǎn)物。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加（超過4次）,砂漿孔隙中的腐蝕產(chǎn)物過多,對孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力,同時試件內(nèi)部的硫酸鹽結(jié)晶數(shù)量增多也會產(chǎn)生應(yīng)力,應(yīng)力不斷增大,對試件造成破壞致使其粉化、開裂,因此試件質(zhì)量逐漸減小。另外,砂漿和砌塊質(zhì)量減小的原因還包括：溶液中含有檸檬酸,砂漿和砌塊內(nèi)的氫氧化鈣與檸檬酸中和,發(fā)生脫鈣反應(yīng)。
圖 3在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液和清水中試件質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線
Figure 3.Curves of mass loss rate vs dry-wet cycle number for specimens in solution of organic acid and sulfate (a) and pure water (b)
從圖3（b）中可以看出,清水中沒有腐蝕性離子,試件只受到干濕循環(huán)腐蝕作用,沒有受到腐蝕性離子的侵蝕,因此經(jīng)28次循環(huán)（196 d）后,各試件質(zhì)量損失率變化不大,均在1%以內(nèi)。
在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中經(jīng)過28次干濕循環(huán)后,磚、砂漿和砌塊的質(zhì)量損失率分別為5.25%、5.1%和4.53%；而在清水中經(jīng)過28次干濕循環(huán)后,三種試件的質(zhì)量損失率分別為0.93%,0.96%和0.73%。對比這兩種環(huán)境中試件的質(zhì)量損失率可知,有機(jī)酸-硫酸鹽干濕循環(huán)復(fù)合侵蝕作用對砌體的質(zhì)量損傷較為明顯。
2.3 抗壓強(qiáng)度劣化規(guī)律
由于三種試件的抗壓強(qiáng)度相差比較大,為了方便比較,以抗壓強(qiáng)度損失率作為抗壓強(qiáng)度的評價指標(biāo)?？箟簭?qiáng)度損失率（Δf）計算公式如式（2）所示。
式中：fi和f0分別為干濕循環(huán)i次和未進(jìn)行干濕循環(huán)時試件的抗壓強(qiáng)度平均值,MPa?？箟簭?qiáng)度損失率為負(fù)值,表示試件抗壓強(qiáng)度增大。
由圖4可見,隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中試件的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢；在清水中,試件的抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)出不斷減弱的趨勢。其中,在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中,磚和砂漿抗壓強(qiáng)度損失率的變化速率一致,而砌塊抗壓強(qiáng)度損失率的變化較慢。在清水中,前期各試件抗壓強(qiáng)度損失率基本一致；后期砌塊、砂漿和磚的抗壓強(qiáng)度損失率依次遞減。
圖 4在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液和清水中試件抗壓強(qiáng)度損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線
Figure 4.Curves of compressive strength loss rate vs dry-wet cycle number for specimens in solution of organic acid and sulfate (a) and pure water (b)
在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液干濕循環(huán)過程中,硫酸鹽不斷在試件孔隙和裂縫中結(jié)晶,同時還會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)鈣礬石等,提高了試件的結(jié)構(gòu)致密程度,進(jìn)而提高了試件的抗壓強(qiáng)度。硫酸鹽晶體和腐蝕產(chǎn)物的大量產(chǎn)生導(dǎo)致體積膨脹,當(dāng)其膨脹力超過孔壁張應(yīng)力的限制時,孔壁脹裂。與此同時,酸堿中和反應(yīng)也在砂漿內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行,導(dǎo)致水泥砂漿脫鈣。孔壁脹裂和砂漿脫鈣都會導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度不斷下降。清水浸泡對試件有一定的軟化作用,加速試件組織結(jié)構(gòu)解體,同時,試件在干燥環(huán)境中會出現(xiàn)收縮,內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,這會對試件造成輕微的損傷,因此在清水中隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試件的抗壓強(qiáng)度不斷降低。
2.4 相對動彈性模量變化
按式（3）計算試件的相對動彈性模量ei。
式中：Ei和E0分別表示干濕循環(huán)i次和初始時試件的動彈性模量,MPa。
由圖5可知,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,無論是在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液,還是在清水中,磚、砂漿和砌塊的相對動彈性模量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。其中,在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中試件的相對動彈性模量先上升后降的原因是：由于硫酸根離子的侵蝕,砂漿內(nèi)部發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),生成化學(xué)腐蝕產(chǎn)物,填補(bǔ)了砂漿的裂縫和孔隙,與此同時,試件的孔隙和微裂縫也因硫酸鹽的結(jié)晶得到了填充；隨著侵蝕作用的增強(qiáng),脫鈣反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,化學(xué)腐蝕產(chǎn)物增多,膨脹作用越來越強(qiáng),在填充物和化學(xué)產(chǎn)物的應(yīng)力作用下試件產(chǎn)生更多的裂縫,硫酸鹽侵蝕通道增多,干縮和濕脹作用交替進(jìn)行,使得裂縫迅速增大,試件加速劣化,相對動彈性模量下降。而在清水中試件相對動彈性模量先升后降的原因是：前期砂漿在水中繼續(xù)水化,增大了砂漿和砌塊的相對動彈性模量；后期隨著干濕循環(huán)試驗的不斷進(jìn)行,試件整體會出現(xiàn)少量裂縫和孔隙,使得試件相對動彈性模量減小。
圖 5在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液和清水中試件相對動彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線
Figure 5.Curves of relative dynamic elastic modulus vs dry-wet cycle number for specimens in solution of organic acid and sulfate (a) and pure water (b)
從圖5還可見,砌塊的相對動彈性模量下降速率比磚和砂漿更快,其原因是：砌塊中既有磚又有砂漿,其在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中同時發(fā)生脫鈣反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和離子物理侵蝕,受到的侵蝕更加強(qiáng)烈；砌塊的表面面積大于磚和砂漿,表面更容易剝落。在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中經(jīng)過28次干濕循環(huán)后,磚、砂漿和砌塊的相對動彈性模量分別為0.729,0.761和0.667；在清水中經(jīng)過28次干濕循環(huán)后,磚、砂漿和砌塊的相對動彈性模量分別為0.976,0.983和0.967。可見,試件在清水中的相對動彈性模量變化幅度遠(yuǎn)大于在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中的。
2.5 砂漿抗折強(qiáng)度劣化規(guī)律
由圖6（a）可知,在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中經(jīng)4,8,12,16,20,24,28次干濕循環(huán)后,砂漿抗折強(qiáng)度損失率分別為-8.79%,2.2%,8.79%,16.48%,23.08%,27.47%,31.87%。經(jīng)4次干濕循環(huán)后,砂漿抗折強(qiáng)度損失率為負(fù)值,這是因為在干濕循環(huán)過程中,硫酸鈉晶體在砂漿內(nèi)部析出,同時還會與氫氧化鈣反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物,改善了砂漿結(jié)構(gòu)的密實程度,提高其抗折強(qiáng)度。隨著試驗的持續(xù)進(jìn)行,砂漿內(nèi)部和表面的硫酸鈉晶體逐漸增多,腐蝕產(chǎn)物也越來越多。當(dāng)結(jié)晶和產(chǎn)物的膨脹力超出孔隙極限拉應(yīng)力時,孔隙進(jìn)一步發(fā)生破壞。此外,溶液中的檸檬酸會與氫氧化鈣發(fā)生中和反應(yīng),使水泥砂漿脫鈣,從而導(dǎo)致砂漿的抗折強(qiáng)度迅速降低。
圖 6在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液和清水中砂漿抗折強(qiáng)度損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線
Figure 6.Curves of flexural strength loss rate vs dry-wet cycle number for mortar in solution of organic acid and sulfate (a) and pure water (b)
由圖6（b）可知,在清水中經(jīng)過4,8,12,16,20,24,28次干濕循環(huán)后,砂漿的抗折強(qiáng)度損失率分別為0.55%,0.99%,1.54%,2.64%,4.29%,4.84%,6.59%。砂漿抗折強(qiáng)度損失率出現(xiàn)小幅度上升,其原因是：在清水干濕循環(huán)過程中,干縮和濕脹作用交替進(jìn)行,導(dǎo)致砂漿內(nèi)部產(chǎn)生不同方向的應(yīng)力,進(jìn)而產(chǎn)生微裂縫,對砂漿造成輕微損傷。
經(jīng)過28次干濕循環(huán)后,清水中砂漿抗折強(qiáng)度損失率只有6.59%,有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中砂漿抗折強(qiáng)度損失率達(dá)到了31.87%。與清水干濕循環(huán)作用相比,有機(jī)酸-硫酸鹽干濕循環(huán)復(fù)合侵蝕作用對砂漿的破壞較為嚴(yán)重。所以在類似侵蝕環(huán)境如排水管道中,應(yīng)對砌體結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。
3. 結(jié)論
（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中試件表面有白色晶體析出,邊角和表層有剝落現(xiàn)象；清水中試件外觀損傷不明顯。
（2）經(jīng)過28次干濕循環(huán)（196 d）后,有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中磚、砂漿和砌塊三種試件各自的質(zhì)量損失率相差不大,分別為5.25%、5.1%、4.53%,砂漿的抗壓強(qiáng)度損失最明顯,約為32%,砌塊的相對動彈性模量降低最明顯,降為初始值的66.7%,砂漿的抗折強(qiáng)度損失率也達(dá)到32%左右。與有機(jī)酸-硫酸鹽溶液相比,清水中試件的各項指標(biāo)變化不明顯。
（3）清水干濕循環(huán)腐蝕只對試件產(chǎn)生物理侵蝕作用且沒有侵蝕性離子填充破壞,其破壞性很弱。而有機(jī)酸-硫酸鹽溶液因為存在酸性介質(zhì)和硫酸根離子,其干濕循環(huán)產(chǎn)生的腐蝕效應(yīng)是物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果,破壞性更強(qiáng)。其中,物理作用包括硫酸鈉結(jié)晶的膨脹作用和干濕循環(huán)造成的軟化作用,化學(xué)作用主要有硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)以及有機(jī)酸與氫氧化鈣中和反應(yīng)。
（4）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,磚、砂漿和砌塊三種試件的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量以及砂漿抗折強(qiáng)度在有機(jī)酸-硫酸鹽溶液中均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,在清水中則呈現(xiàn)緩慢減小的變化規(guī)律。
（5）我國地下排水管道逐年增多,其中很多含有砌體結(jié)構(gòu),為防止其遭受干濕循環(huán)、酸性介質(zhì)和硫酸根離子等不利因素的影響,應(yīng)對老舊排水管道采取必要的修復(fù)和防護(hù)措施,并將此類問題納入新建排水管道設(shè)計和施工的考慮范疇。
文章來源——材料與測試網(wǎng)