王鳳池　趙晗宇　劉昊宇　任紹南

摘要：

為研究酸雨環(huán)境下老舊砌體抗壓力學(xué)性能退化規(guī)律，實驗室配置了PH值分別為1.5、25和3.5的3種硫酸和硝酸混合溶液來模擬酸雨環(huán)境，采用完全浸泡加速腐蝕的試驗方法對磚、砂漿和磚柱進行不同程度的腐蝕，并測定其抗壓強度。試驗表明，隨著腐蝕時間的增加，砂漿試塊抗壓強度先增大后降低；磚試塊抗壓強度隨腐蝕時間的增加而降低；模擬酸雨溶液PH值越小，砂漿和磚試塊抗壓強度降低程度也愈大；磚柱極限承載力和彈性模量均隨腐蝕時間的增加而降低，且模擬酸雨溶液PH值越小，降低程度愈大；隨著腐蝕時間的增加，磚柱初始剛度逐漸減小，極限破壞位移增大；模擬酸雨溶液PH值越小，磚柱在達到峰值荷載時的變形值越小，脆性愈大；基于試驗結(jié)果，建立了酸雨環(huán)境下磚柱應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達式及酸雨侵蝕后普通燒結(jié)粘土磚砌體剩余抗壓強度回歸公式。

關(guān)鍵詞：

酸雨；砂漿；磚柱；腐蝕；抗壓強度；應(yīng)力應(yīng)變曲線

中圖分類號：TU362

文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2017）02014008

Abstract：

Three kinds of mixed solutions of sulfuric acid and nitric acid with the pH value of 1.5， 2.5 and 3.5 were prepared in the laboratory to simulate acid rain environment. The compression properties of brick masonry exposed to acid rain environment was studied. The brick samples， mortar samples and brickcolumns were completely immersed in the simulated acid solutions. After being exposed to the solutions for a certain period， compression tests were performed on the three types of the samples. The results showed that with the increase of corrosion time the compressive strength of mortar samples increased firstly and then decreased， whilst the brick samples always decreased. And the lower the pH value of the solutions was， the more the compressive strength of mortar samples and brick samples decreased. With the increase of corrosion time， the ultimate bearing capacity and elastic modulus of brickcolumns showed a trend of decrease， and the lower the pH value of the solutions was， the more obvious the trend was. With the increase of corrosion time， the initial stiffness of brickcolumns decreased， ultimate failure displacement increased. With the pH value of the solutions declining， the deformation of brickcolumns under ultimate load decreased but the brittleness increased. Based on the experimental results， regression formulas were put forward to describe the ascending part of the stressstrain curve and the remaining compressive strength of brickcolumns exposed to acid rain environment.

Keywords：

acid rain； mortar； brickcolumn； corrosion； compressive strength；stressstrain curve

酸雨已成為世界性環(huán)境問題，中國酸雨已覆蓋國土面積的40%，成為繼歐洲、北美之后第三大酸雨區(qū)[12]。酸雨中含有H2SO4：HNO3等酸性物質(zhì)，可以使服役于酸雨區(qū)的磚砌體結(jié)構(gòu)受到不同程度的腐蝕，加速結(jié)構(gòu)老化進程，不但降低結(jié)構(gòu)的安全性，而且給國民經(jīng)濟帶來巨大損失。

學(xué)者們相繼開展了酸雨對混凝土性能影響方面的研究工作，研究大多采用加速腐蝕的試驗方法，在對不同腐蝕程度的混凝土、抗壓強度、抗拉強度和質(zhì)量變化[38]以及不同類型水泥的抗酸雨侵蝕性能等方面[911]取得不少成果，得到了初步定性的結(jié)論。隨著黏土磚的限制使用，老舊砌體結(jié)構(gòu)的保護逐漸升溫。現(xiàn)代自然災(zāi)害酸雨對老舊磚砌體結(jié)構(gòu)影響方面的研究也引起了中國的關(guān)注。有學(xué)者針對酸雨環(huán)境下砂漿的微觀結(jié)構(gòu)衍化及砌體的物理力學(xué)性能的退化規(guī)律進行了一些研究，如：謝紹東等[12]研究了酸雨對砂漿的物相和孔隙結(jié)構(gòu)的影響；肖佳等[1314]研究了不同類型水泥及摻和料對砂漿抗酸蝕性能的影響；Macas等[15]通過極限應(yīng)變試驗評估了酸雨介質(zhì)中水泥砂漿的耐久性；鄭山鎖等[16]研究了酸雨環(huán)境下水平荷載對砌體結(jié)構(gòu)的損傷特性。磚砌體結(jié)構(gòu)的抗壓性能是研究其破壞機理和強度理論的重要依據(jù)，因此，開展模擬酸雨環(huán)境下磚柱軸心抗壓力學(xué)性能試驗具有重要理論意義。

本文參考了學(xué)者們關(guān)于酸雨對混凝土及水泥砂漿性能影響方面的研究方法，采用完全浸泡加速腐蝕的方法[316]，對模擬酸雨環(huán)境下磚、砂漿和磚柱抗壓力學(xué)性能退化規(guī)律進行試驗研究，為酸雨環(huán)境下磚砌體結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供科學(xué)依據(jù)。

1模擬酸雨試驗過程

1.1試件制作

試驗用水泥砂漿試塊采用標(biāo)準(zhǔn)的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試塊；磚試件參考《砌墻磚試驗方法》（GB/T 2542—2012）制作（圖1）。

試驗所用磚為建筑拆除的MU10普通燒結(jié)粘土磚。磚柱尺寸為240 mm×370 mm×720 mm（頂部有10 mm厚1∶3水泥砂漿找平），高厚比為3，如圖2所示。

1.2試驗過程

酸雨對建筑物的侵蝕是一個漫長的過程，試驗采用完全浸泡加速腐蝕的方法近似模擬酸雨對砌體的侵蝕過程。中國屬于硫酸型酸雨國家，酸雨中主要致酸物質(zhì)為硫酸和硝酸，硫酸根濃度為硝酸根濃度的5～10倍，嚴(yán)重地區(qū)酸雨的最低pH值已達到2.85，且pH值有逐漸降低的趨勢[11]。采用酸雨侵蝕烈度當(dāng)量的方法[4]，實驗室配置了PH值分別為1.5、2.5和3.5的3種硫酸和硝酸混合溶液來模擬酸雨環(huán)境。根據(jù)試驗?zāi)M酸雨溶液H+與SO2-4的侵蝕烈度總量，pH值為1.5的模擬酸雨溶液浸泡1 d對應(yīng)實際腐蝕的4.1年；pH值為2.5的模擬酸雨溶液浸泡1 d對應(yīng)實際腐蝕的0.41年；pH值為35的模擬酸雨溶液浸泡1 d對應(yīng)實際腐蝕的0.041年。同時，為考慮模擬酸雨溶液侵蝕條件下磚塊及砂漿物理力學(xué)指標(biāo)變化對磚柱的影響，試件分為磚試件組、砂漿試件組和磚柱試件組，且每個組內(nèi)均設(shè)有清水對照組，具體分組及腐蝕條件如表1所示。

將磚體、砂漿試塊和達到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護期的磚柱按設(shè)計分組分別浸泡在模擬酸雨溶液中，試驗過程中每天用pH值酸度計測量溶液的pH值，確保浸泡液pH值穩(wěn)定。當(dāng)溶液pH值高于設(shè)計值時，用HNO3將溶液調(diào)整到初始pH值，并且每隔10 d更換一次溶液。一旦達到設(shè)計腐蝕時間，立刻將試件取出，自然放置5 d。磚和砂漿試件采用壓力機加載。磚柱試驗采用分級施加荷載的方法[17]。每級施加的荷載應(yīng)為預(yù)估破壞荷載值的10%，并應(yīng)在1～1.5 min內(nèi)均勻加完，持荷1～2 min后讀取千分表讀數(shù)并施加下一級荷載。當(dāng)磚柱裂縫急劇擴展和增多且試驗機的測力計指針明顯回退時，應(yīng)定為該磚柱喪失承載能力而達到破壞狀態(tài)。其最大荷載讀數(shù)應(yīng)為該磚柱的破壞荷載值，加載設(shè)備如圖2所示。

2模擬酸雨對磚及砂漿抗壓強度影響

圖3給出了砂漿試塊和磚體試塊的抗壓強度變化與腐蝕時間關(guān)系曲線。初始狀態(tài)，由于砂漿及磚體試塊未經(jīng)侵蝕（即腐蝕時間為0），其抗壓強度值與清水對照組一致，可參考清水對照組浸泡5 d時的強度值。

由圖3（a）可知：1）在50 d的腐蝕時間內(nèi)，水中浸泡組砂漿試塊由于持續(xù)水化作用，抗壓強度一直保持增長趨勢，在第50 d抗壓強度達到36.3 MPa；2）腐蝕組砂漿試塊抗壓強度呈先增長后逐漸降低的趨勢，增長階段增長幅度甚至超過水中浸泡組；3）模擬酸雨溶液PH值越小，砂漿試塊抗壓強度降低程度也愈大。

酸雨環(huán)境下，SO2-4侵入砂漿試塊發(fā)生結(jié)晶固化作用，可以降低砂漿試塊的孔隙率，使其內(nèi)部更密實，抗壓強度有所提高。另一方面，腐蝕液中的H+會和砂漿試塊表層的Ca（OH）2反應(yīng)，造成凝膠體分解和漿體堿度降低，致使砂漿試塊表層發(fā)生溶蝕破壞，抗壓強度降低。隨著腐蝕時間的增加，H+對表層的溶蝕不斷累積，SO2-4生成的膨脹性腐蝕物也不斷增多，使砂漿內(nèi)部孔隙無法容納更多的侵蝕生成物，致使內(nèi)部產(chǎn)生膨脹性裂縫。這必然導(dǎo)致砂漿強度隨腐蝕時間的增加而不斷降低。

由圖3（b）可以看出：1）腐蝕組磚體試塊抗壓強度均處于逐漸降低趨勢，其中浸泡在pH值為1.5的模擬酸雨溶液中的磚試件組，其試塊強度下降幅度最大，pH為2.5的試件組次之；2）水中浸泡組磚體試塊由于抹面水泥的水化作用，抗壓強度在50 d內(nèi)呈平穩(wěn)增漲趨勢。

燒結(jié)磚力學(xué)強度是由組成磚塊的礦物成份及其顆粒之間彼此鑲嵌組合的緊密程度共同決定[18]，酸雨中的H+與粘土磚中的堿性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易溶于水的鹽類物質(zhì)，被腐蝕液帶走后會使磚體組份流失，降低了磚體內(nèi)部礦物彼此鑲嵌的緊密度。因此酸雨侵蝕后粘土磚抗壓強度有所降低。對于pH值較小的腐蝕液，其擁有更多H+，與磚內(nèi)部堿性組份反應(yīng)速率更快，強度下降幅度也更大。

3模擬酸雨對磚柱的影響

3.1酸雨對磚柱破壞形態(tài)的影響

如圖4，不同浸泡時長的清水對照組（pH值=7）磚柱破壞形態(tài)無明顯差異，且和規(guī)范條文說明[19]中描述的無筋砌體軸心受壓柱的破壞形態(tài)相似，即約在70%破壞荷載時單個磚塊內(nèi)首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大單個磚塊裂縫增多，且上下幾條裂縫相互貫通，繼續(xù)加載裂縫加速開展并且將砌體切分成幾個小立柱，此時砌體向外鼓脹并因小立柱失穩(wěn)而破壞。

如圖4，腐蝕后磚柱出現(xiàn)砂漿漿體及磚砌塊的溶蝕、酥松、內(nèi)陷、脫落等現(xiàn)象。隨著模擬酸雨溶液中侵蝕性離子（H+、SO2-4）濃度的增大或侵蝕時間的增加，砂漿及磚砌塊的病害程度進一步加深。如圖4（a），隨侵蝕時間的增加，開裂荷載下降至42%至58%破壞荷載，浸泡時間越長，單磚裂縫出現(xiàn)越早。當(dāng)試驗磚柱經(jīng)歷高濃度、長時間侵蝕時，柱體外周磚塊在荷載作用下發(fā)生剝落，且以磚塊及砂漿受壓酥松碎裂標(biāo)志破壞，而通縫的形成及開展并不明顯，如圖4（b）。

3.2酸雨對磚柱承載能力的影響

為了便于比較不同腐蝕程度磚柱較未腐蝕磚柱的承載力變化規(guī)律，定義承載力變化率為

DNC=NC-N0[]N0×100%（1）

式中：CNC為承載力變化率，%；NC為腐蝕相應(yīng)天數(shù)的磚柱極限承載力，kN；N0為未腐蝕磚柱的極限承載力，kN。

由圖5磚柱承載力變化與腐蝕時間關(guān)系曲線可以看出：1）隨著腐蝕時間的增加，Y1、Y2、Y3組磚柱極限承載力均呈逐漸降低趨勢，在腐蝕達到50 d時，Y1組磚柱DNC為-33.64%，極限承載力下降幅度最大；Y2組次之，DNC為-30.82%；Y3組DNC為-28.55%，極限承載力降低幅度最小。可見模擬酸雨溶液的PH值越小，腐蝕時間越長，其浸泡磚柱的極限承載力降低程度愈大；2）在腐蝕過程中，30 d以前，磚柱極限承載力下降幅度關(guān)系為Y1組Y2組>Y3組，pH值小的腐蝕液的侵蝕作用逐漸變得明顯，而pH值大的腐蝕液的侵蝕作用逐漸變得平緩。

3.3不同腐蝕條件下磚柱軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6試驗磚柱荷載位移曲線可以看出：1）隨著腐蝕時間的增加，Y1、Y3組磚柱在達到峰值荷載時荷載位移曲線逐漸右移，可認(rèn)為隨著腐蝕時間的增加，磚柱初始剛度逐漸減小，磚柱的極限破壞位移逐漸增加；2）Y1組各磚柱在達到峰值荷載時位移分別為3.11、3.12、3.13 mm，Y2組分別為5.35 mm、4.10 mm、2.79 mm，Y3組分別為468 mm、6.25 mm、7.80 mm，可見模擬酸雨溶液pH值越小，磚柱在達到峰值荷載時的變形值越小，脆性愈大。

圖7為磚柱軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線。在試驗過程中，承載力上升段磚柱變形值較小，千分表讀數(shù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)較好。但在承載力下降段磚柱變形值增加過快，無法讀出千分表讀數(shù)，因此試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線不完整，僅有上升段。各柱的應(yīng)力應(yīng)變曲線在上升段形狀相似，均經(jīng)歷彈性、彈塑性階段。腐蝕后磚柱軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線較未腐蝕磚柱均有不同程度右移，峰值應(yīng)力也有不同程度的降低，可見酸雨的侵蝕作用降低了磚柱的抗壓強度和彈性模量。

為統(tǒng)一描述不同腐蝕程度磚柱的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，在Powell和Hodgkinson提出的砌體本構(gòu)曲線上升段公式基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗結(jié)果對其進行修正，建立了酸雨環(huán)境下磚柱應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段的統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達式。

首先對應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，令

x=εε0，y = σσ0 （2）

式中：σ0 為不同侵蝕時間和不同侵蝕性離子濃度情況下磚柱的抗壓強度，MPa；ε0為對應(yīng)于σ0 的應(yīng)變。此時，應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段（x≤1）可以表示為

y=ax-bx2（3）

式中：a，b為多項式系數(shù)，可通過對試驗數(shù)據(jù)擬合確定。對不同腐蝕程度的磚柱應(yīng)力應(yīng)變曲線進行擬合，得到了該曲線上升段表達式（4），相關(guān)系數(shù)為0991，擬合曲線及不同工況下實測應(yīng)力應(yīng)變無量綱化后各散點如圖8所示。

為了便于比較不同腐蝕程度磚柱較未腐蝕磚柱的彈性模量變化規(guī)律，在此定義彈性模量化率為

DEc=Ec-E0E0×100% （5）

式中：DEc為彈性模量變化率，%；Ec為腐蝕相應(yīng)天數(shù)的磚柱彈性模量，N/mm2；E0為未腐蝕磚柱的彈性模量，N/mm2。

由圖9磚柱彈性模量變化與腐蝕時間關(guān)系曲線可以看出：1）浸泡液pH值小的Y1組磚柱彈性模量變化趨勢較明顯，隨著腐蝕時間的增加，彈性模量處于降低趨勢，受腐蝕50 d后，DEC為-27.51%，彈性模量損失最嚴(yán)重，然而浸泡液pH值較高的Y2、Y3組磚柱彈性模量變化趨勢不明顯；2）在受腐蝕30 d之前，磚柱彈性模量隨腐蝕時間的增加而逐漸降低，pH值越小，降低程度愈大，當(dāng)腐蝕達到50 d時，由于受侵蝕嚴(yán)重，彈性模量缺乏規(guī)律性。

3.5模擬酸雨侵蝕后普通燒結(jié)粘土磚砌體剩余抗壓強度回歸分析

基于砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范公式[19]，保留規(guī)范公式原有形式，因本文試驗砂漿強度大于1，取k2為1，因此以k1、α為回歸分析未知參數(shù)。設(shè)酸雨侵蝕后普通燒結(jié)粘土磚砌體剩余抗壓強度為y，磚體抗壓強度平均值為x1（見圖3b），砂漿抗壓強度平均值為x2（見圖3a），建立回歸分析方程為

由表2可知：各磚柱剩余抗壓強度回歸公式計算值與實測值比值為0.81～1.22，平均值為1.00，標(biāo)準(zhǔn)差為0.140，計算值與實測值吻合較好。

4結(jié)論

1）砂漿試塊酸雨腐蝕后抗壓強度呈先增長后逐漸降低的趨勢，磚體試塊抗壓強度呈降低趨勢。模擬酸雨溶液PH值越小，砂漿和磚試塊抗壓強度降低程度也愈大。

2）隨著腐蝕時間的增加，磚柱極限承載力和彈性模量均呈逐漸降低的趨勢，且腐蝕液PH值越小，降低程度愈大。

3）隨著腐蝕時間的增加，磚柱初始剛度逐漸減小，極限破壞位移增加。且腐蝕液PH值越小，磚柱在達到峰值荷載時的變形值越小，脆性愈大。

4）在Powell和Hodgkinson提出的砌體本構(gòu)曲線上升段公式的基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗結(jié)果對其修正，建立了酸雨環(huán)境下磚柱應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段統(tǒng)一數(shù)學(xué)表達式。該式能較好反映不同腐蝕程度磚柱應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段的變化規(guī)律。

5）基于砌體規(guī)范公式，建立了酸雨侵蝕后普通燒結(jié)粘土磚砌體剩余抗壓強度回歸公式，公式計算值與實測值吻合較好，能有效評估老舊砌體的材料強度變異程度，為酸雨地區(qū)在役階段砌體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠指標(biāo)及殘余壽命的評估提供理論依據(jù)。

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