砌體結構是一種應用時間較長且應用范圍較廣的建筑結構,但長時間服役會使砌體結構產生嚴重損傷,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材料,由于長期處在鹽侵蝕、干濕交替、凍融循環、地下水遷移等惡劣的自然環境中,這些砌體建筑出現了嚴重的侵蝕和風化現象。當砌體建筑受到酸性溶液腐蝕時,酸性介質與砌體結構砂漿內的Ca（OH）2發生中和反應,破壞砂漿的凝膠結構,并降低其強度,從而損傷砌體結構的強度[1]。在硫酸鹽的侵蝕作用下,水泥砂漿會生成石膏型、鈣礬石型或結晶型腐蝕產物,發生體積膨脹,膨脹應力使砂漿產生裂縫,從而導致砂漿強度下降[2]。文獻調研發現,目前砌體結構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,尤其是東北地區較為嚴重,而砌體的腐蝕破壞在我國南方多雨地區尤為突出[11]。 

關于砌體硫酸鹽腐蝕和酸性介質侵蝕的問題,國內外學者進行了大量研究。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酸液、硫酸鈉和自來水對磚強度的影響,并提出了修復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行腐蝕試驗,研究了酸性條件下砂漿的外觀、質量及抗壓強度的變化情況。王建華等[14]以水泥基材料為研究對象,分析在硫酸鹽環境中其不同腐蝕產物的形成條件和機理。吳培元[15]對不同水泥砂漿在不同溫度下進行了抗硫酸鹽腐蝕試驗。馬昆林等[16]認為,混凝土鹽結晶侵蝕破壞的機理是鹽結晶導致的孔壁破裂和干濕循環導致的脹縮。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、鹽結晶侵蝕、漿體鈣損失和凍融破壞等作用下砌體內部結構的微觀變化。KROPYVNYTSKA等[19]研究了鹽結晶侵蝕對磚墻微觀結構和化學成分的影響,發現添加含沸石的礦物摻合劑以后,墻體內的SO3含量和Ca（OH）2含量均明顯降低,鹽結晶腐蝕程度有效減輕。FRANZONI等[20]通過鹽溶液干濕循環試驗對黏土磚三聯體的剪切強度、孔隙率、含鹽量和鹽分布進行了比較和討論。結果表明,剪切強度在很大程度上取決于砂漿的含水量、孔隙率、強度和配制方法,磚孔隙中的鹽結晶會增大三聯體試件的抗剪強度。目前,關于酸性介質、硫酸鹽、干濕循環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]。 

針對排水管道內砌體結構長期遭受干濕循環和有害離子侵蝕而導致耐久性衰減的問題,作者在已有研究成果的基礎上,通過試驗對比研究了磚、砂漿、砌塊三種試件分別在有機酸-硫酸鹽溶液和清水中干濕循環腐蝕后的抗侵蝕性能,探究磚、砂漿和砌塊在有機酸-硫酸鹽干濕循環作用下的性能劣化規律,分析其劣化損傷機制,為砌體結構的耐久性研究提供理論基礎。 

1.   試驗

1.1   試件制作及養護

磚塊選用尺寸為240 mm×110 mm×50 mm（長×寬×高）,強度等級為MU10的黏土實心紅磚,實際測得其抗壓強度為9.85 MPa。水泥選用市售海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。砂子采用細度模數為2.9（屬于中砂）的本地河砂,其含泥量為2.3%（質量分數）,最大粒徑為5 mm,級配良好。 

根據GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（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內,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行28 d的標準養護。 

圖  1  砌塊示意圖

Figure  1.  Schematic diagram of block

1.2   試驗方法及測試指標

采用干濕循環加速腐蝕試驗模擬實際工況對磚、砂漿、砌塊三種試件進行腐蝕。一個循環周期為7 d,干濕時間比為3∶1（即干燥126 h,浸泡42 h）,試驗共進行了28次干濕循環。干燥方式為自然干燥。試驗組腐蝕介質為5%（質量分數）硫酸鈉溶液,在溶液中加入有機酸檸檬酸將溶液pH調節為6；對照組腐蝕介質為清水。試驗在塑料容器中進行,溶液至少超過試件上表面50 mm,在浸泡期間,為了防止溶液揮發引起溶液pH和濃度的改變,使用白色薄膜對容器進行密封,并每月更換一次溶液。 

每經過4次（28 d）干濕循環試驗后,分別取一組試件進行觀測。具體內容包括：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量；測試干濕循環腐蝕后試件的抗壓強度和動彈性模量（DT-20型動彈性模量測定儀,橫向測試方式）,砂漿的抗折強度。 

抗壓強度試驗：將試件放置在試驗機下壓板中心位置,調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,然后將發射探頭和接收探頭分別置于中間測試點和側邊測試點,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,取兩次測試結果的平均值作為試件的最終動彈性模量。 

抗折強度試驗：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.   結果與討論

2.1   外觀特征

圖2是經28次有機酸-硫酸鹽溶液干濕循環腐蝕后砂漿、磚和砌塊的外觀特征。由圖2可知,經過28次干濕循環腐蝕后,砂漿試件保持完整,侵蝕產物和晶體膨脹造成砂漿表面損傷,表層砂漿出現剝落,呈砂化現象；磚塊試件表面粉化,出現孔洞,雜質裸露或剝落,干燥后孔洞內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,邊角出現剝落現象,整體保持完整。從外觀特征可以看出,經28次有機酸-硫酸鹽溶液干濕循環腐蝕后,磚塊外觀受損程度最嚴重,砌塊次之,砂漿外觀損傷程度最輕。 

圖  2  經28次有機酸-硫酸鹽溶液干濕循環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   質量損失率變化

由于三種試件的質量相差很大,為了便于比較,以質量損失率作為質量損失的評價指標。質量損失率的計算公式如式（1）所示。 

式中：Ri為質量損失率,%；m0和mi分別表示干濕循環試驗開始前和第i次循環后試件的質量,g。質量損失率為負值,表示試件質量增加。 

從圖3（a）中可以看出,在有機酸-硫酸鹽溶液中隨著干濕循環次數的增加,磚、砂漿和砌塊的質量變化趨勢相同,均先少量增大后逐漸減小。在前4次干濕循環過程中,試件質量增大的原因如下：硫酸鹽溶液通過毛細孔逐漸進入磚和砂漿的內部,填充了砂漿和磚的內部孔隙,但還未對其造成破壞；隨著硫酸根離子含量的增加,砂漿內部會發生一系列化學反應,生成腐蝕產物。隨著干濕循環次數的進一步增加（超過4次）,砂漿孔隙中的腐蝕產物過多,對孔壁產生拉應力,同時試件內部的硫酸鹽結晶數量增多也會產生應力,應力不斷增大,對試件造成破壞致使其粉化、開裂,因此試件質量逐漸減小。另外,砂漿和砌塊質量減小的原因還包括：溶液中含有檸檬酸,砂漿和砌塊內的氫氧化鈣與檸檬酸中和,發生脫鈣反應。 

圖  3  在有機酸-硫酸鹽溶液和清水中試件質量損失率隨干濕循環次數的變化曲線

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腐蝕作用,沒有受到腐蝕性離子的侵蝕,因此經28次循環（196 d）后,各試件質量損失率變化不大,均在1%以內。 

在有機酸-硫酸鹽溶液中經過28次干濕循環后,磚、砂漿和砌塊的質量損失率分別為5.25%、5.1%和4.53%；而在清水中經過28次干濕循環后,三種試件的質量損失率分別為0.93%,0.96%和0.73%。對比這兩種環境中試件的質量損失率可知,有機酸-硫酸鹽干濕循環復合侵蝕作用對砌體的質量損傷較為明顯。 

2.3   抗壓強度劣化規律

由于三種試件的抗壓強度相差比較大,為了方便比較,以抗壓強度損失率作為抗壓強度的評價指標。抗壓強度損失率（Δf）計算公式如式（2）所示。 

式中：fi和f0分別為干濕循環i次和未進行干濕循環時試件的抗壓強度平均值,MPa。抗壓強度損失率為負值,表示試件抗壓強度增大。 

由圖4可見,隨干濕循環次數的增加,在有機酸-硫酸鹽溶液中試件的抗壓強度均呈現出先增后減的趨勢；在清水中,試件的抗壓強度則呈現出不斷減弱的趨勢。其中,在有機酸-硫酸鹽溶液中,磚和砂漿抗壓強度損失率的變化速率一致,而砌塊抗壓強度損失率的變化較慢。在清水中,前期各試件抗壓強度損失率基本一致；后期砌塊、砂漿和磚的抗壓強度損失率依次遞減。 

圖  4  在有機酸-硫酸鹽溶液和清水中試件抗壓強度損失率隨干濕循環次數的變化曲線

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)

在有機酸-硫酸鹽溶液干濕循環過程中,硫酸鹽不斷在試件孔隙和裂縫中結晶,同時還會發生化學反應生產鈣礬石等,提高了試件的結構致密程度,進而提高了試件的抗壓強度。硫酸鹽晶體和腐蝕產物的大量產生導致體積膨脹,當其膨脹力超過孔壁張應力的限制時,孔壁脹裂。與此同時,酸堿中和反應也在砂漿內部持續進行,導致水泥砂漿脫鈣。孔壁脹裂和砂漿脫鈣都會導致試件的抗壓強度不斷下降。清水浸泡對試件有一定的軟化作用,加速試件組織結構解體,同時,試件在干燥環境中會出現收縮,內部產生拉應力,這會對試件造成輕微的損傷,因此在清水中隨著干濕循環次數的增加,試件的抗壓強度不斷降低。 

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,隨著干濕循環次數的增加,無論是在有機酸-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先升后降的趨勢。其中,在有機酸-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,砂漿內部發生一系列化學反應,生成化學腐蝕產物,填補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晶得到了填充；隨著侵蝕作用的增強,脫鈣反應持續進行,化學腐蝕產物增多,膨脹作用越來越強,在填充物和化學產物的應力作用下試件產生更多的裂縫,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；后期隨著干濕循環試驗的不斷進行,試件整體會出現少量裂縫和孔隙,使得試件相對動彈性模量減小。 

圖  5  在有機酸-硫酸鹽溶液和清水中試件相對動彈性模量隨干濕循環次數的變化曲線

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,其在有機酸-硫酸鹽溶液中同時發生脫鈣反應、化學反應和離子物理侵蝕,受到的侵蝕更加強烈；砌塊的表面面積大于磚和砂漿,表面更容易剝落。在有機酸-硫酸鹽溶液中經過28次干濕循環后,磚、砂漿和砌塊的相對動彈性模量分別為0.729,0.761和0.667；在清水中經過28次干濕循環后,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大于在有機酸-硫酸鹽溶液中的。 

2.5   砂漿抗折強度劣化規律

由圖6（a）可知,在有機酸-硫酸鹽溶液中經4,8,12,16,20,24,28次干濕循環后,砂漿抗折強度損失率分別為-8.79%,2.2%,8.79%,16.48%,23.08%,27.47%,31.87%。經4次干濕循環后,砂漿抗折強度損失率為負值,這是因為在干濕循環過程中,硫酸鈉晶體在砂漿內部析出,同時還會與氫氧化鈣反應生成腐蝕產物,改善了砂漿結構的密實程度,提高其抗折強度。隨著試驗的持續進行,砂漿內部和表面的硫酸鈉晶體逐漸增多,腐蝕產物也越來越多。當結晶和產物的膨脹力超出孔隙極限拉應力時,孔隙進一步發生破壞。此外,溶液中的檸檬酸會與氫氧化鈣發生中和反應,使水泥砂漿脫鈣,從而導致砂漿的抗折強度迅速降低。 

圖  6  在有機酸-硫酸鹽溶液和清水中砂漿抗折強度損失率隨干濕循環次數的變化曲線

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,在清水中經過4,8,12,16,20,24,28次干濕循環后,砂漿的抗折強度損失率分別為0.55%,0.99%,1.54%,2.64%,4.29%,4.84%,6.59%。砂漿抗折強度損失率出現小幅度上升,其原因是：在清水干濕循環過程中,干縮和濕脹作用交替進行,導致砂漿內部產生不同方向的應力,進而產生微裂縫,對砂漿造成輕微損傷。 

經過28次干濕循環后,清水中砂漿抗折強度損失率只有6.59%,有機酸-硫酸鹽溶液中砂漿抗折強度損失率達到了31.87%。與清水干濕循環作用相比,有機酸-硫酸鹽干濕循環復合侵蝕作用對砂漿的破壞較為嚴重。所以在類似侵蝕環境如排水管道中,應對砌體結構采取適當的防護措施。 

3.   結論

（1）隨著干濕循環次數的增加,有機酸-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象；清水中試件外觀損傷不明顯。 

（2）經過28次干濕循環（196 d）后,有機酸-硫酸鹽溶液中磚、砂漿和砌塊三種試件各自的質量損失率相差不大,分別為5.25%、5.1%、4.53%,砂漿的抗壓強度損失最明顯,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%,砂漿的抗折強度損失率也達到32%左右。與有機酸-硫酸鹽溶液相比,清水中試件的各項指標變化不明顯。 

（3）清水干濕循環腐蝕只對試件產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。而有機酸-硫酸鹽溶液因為存在酸性介質和硫酸根離子,其干濕循環產生的腐蝕效應是物理作用和化學作用的綜合結果,破壞性更強。其中,物理作用包括硫酸鈉結晶的膨脹作用和干濕循環造成的軟化作用,化學作用主要有硫酸鹽與水泥水化產物反應以及有機酸與氫氧化鈣中和反應。 

（4）隨著干濕循環次數的增加,磚、砂漿和砌塊三種試件的質量、抗壓強度和相對動彈性模量以及砂漿抗折強度在有機酸-硫酸鹽溶液中均呈現先增大后減小的變化規律,在清水中則呈現緩慢減小的變化規律。 

（5）我國地下排水管道逐年增多,其中很多含有砌體結構,為防止其遭受干濕循環、酸性介質和硫酸根離子等不利因素的影響,應對老舊排水管道采取必要的修復和防護措施,并將此類問題納入新建排水管道設計和施工的考慮范疇。

文章來源——材料與測試網