紫外线与冻融循环作用下的混凝土耐久性研究

徐 帆， 贺新星， 王瑞骏， 缑彦强， 李 阳

(1.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048； 2.中国三峡建设管理有限公司， 四川 成都 610000)

目前国内外对水工大体积混凝土的耐久性研究较为深入，而对面板混凝土耐久性研究还处于初级阶段，工程界目前关于面板混凝土的耐久性影响研究，仍大多局限于单一因素，然而在实际的工程环境中，有些地区面板混凝土不可能仅仅受到一种破坏[1]。西部地区特有的强紫外线辐射、高寒的气候条件及存在大量盐湖地区的自然地理条件，对水工混凝土的耐久性会产生很大影响[2]。近年来相关学者对硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下混凝土耐久性进行了复合损伤机理和混凝土劣化规律研究，并取得丰硕的成果。张云清等[3]对混凝土在硫酸镁溶液中的抗冻性进行了研究，指出不同性能的混凝土，受硫酸镁溶液的影响程度不同。苑立冬等[4]研究了不同溶液与冻融共同作用下混凝土损伤试验，得出硫酸盐溶液对混凝土冻融破坏既存在抑制作用，又存在促进作用。李阳等[5]研究了不同水灰比的面板混凝土在硫酸钠溶液中单一冻融循环、单一硫酸盐侵蚀及冻融循环及硫酸盐侵蚀交替试验下面板混凝土的质量损失率及相对动弹模量变化规律和特点，并得出相应规律。

相比之下，紫外线辐射与冻融共同作用对混凝土耐久性研究文献相对较少[6-10]，紫外线辐射对混凝土的劣化机理还未有深入研究，仅通过老化试验得到混凝土的力学性能和一些微观结构的变化，劣化机制尚未彻底揭示，目前很少有学者建立相关的耐久性预测模型[11]。因此，本文在前人研究的基础上考虑冻融循环因素，通过研究紫外线辐射在内的多因素作用下面板混凝土的耐久性，为预测混凝土面板的寿命以及工程设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料及混凝土配合比

试验材料的选取按照SL228-2013《混凝土面板堆石坝设计规范》[12]要求，本次试验采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5R；粉煤灰采用渭河电厂Ⅱ级粉煤灰；骨料采用河砂及粒径5～35mm的天然卵石；外加剂采用聚羧酸高效减水剂以及三萜皂甙高效引气剂；水采用普通自来水。试验设计了3组不同水灰比的配合比混凝土试件[13]，每组设置1组试验组(S)与1组对照组(D)。混凝土28d抗压强度测定时，不同配合比取3个试件的平均值。混凝土配合比及力学性能见表1，由表1可知3组试件的28 d抗压强度均满足规范要求。

1.2 试件制作及试验方法

制作3组规格为100 mm×100 mm×400 mm的长方体混凝土试件，制作完成后将试件放入标准养护箱中养护28 d，到达试验龄期前的4 d，将试件从养护箱中取出，试验组试件放入紫外线老化试验箱中进行紫外线辐射试验；对照组则在相同温度的养护箱内进行养护，试验结束后，将所有试件擦去表面积水，用电子称测量初始质量，并用动弹仪测量初始自振频率，同时进行相关的外观描述及拍照。

1.2.1 紫外线辐射试验 本试验采用型号为SC/ZN-PA紫外线老化试验箱模拟紫外线照射环境，将养护到一定龄期的混凝土试件放入试验箱进行紫外线辐射试验，箱内温度保持在 35℃。在每组试验进行的同时设置1组对照组，在同样35℃的混凝土养护箱内进行养护，用以比较紫外线辐射对混凝土试件造成的影响，试验过程如图1、2所示。

1.2.2 冻融循环试验 将测试完毕的试验组试件放入冻融循环机的试件盒内(如图3、4所示)，按照GB/T82-09《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[14]进行冻融试验，每25次结束时，测量试件的质量损失率及相对动弹性模量。

表1 混凝土配合比及力学性能

图1紫外线老化试验箱图2紫外线辐射试验过程图3混凝土冻融试验机图4冻融循环机内试件摆放情况

1.3 试验结果的整理与分析方法

本次冻融循环试验的结果以混凝土质量损失率、相对动弹模量为标准，具体整理及分析方法按SL191-2008《水工混凝土试验规程》[15]要求。紫外线辐射对于质量损失率的影响显著性采用方差分析，方差分析(analysis of variance，简称ANOVA)，是一种实用、有效的处理试验数据的统计检验方法，能用于检验试验过程中有关因素对试验结果影响的显著性，其中双因素试验的方差分析(two-way analysis of variance)是讨论两个因素对试验结果影响的显著性，根据两个因素每种组合水平上的试验次数，可以分为无重复试验和重复试验的方差分析，本次试验结果数据处理中用到的是无重复试验方差分析。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率试验结果分析

2.1.1 质量损失率试验结果 各组试件的质量损失率试验结果见表2，各组试件在不同冻融次数下的质量损失率变化趋势如图5所示。其中A、B、C分别为水灰比不同的3组试件， A(S)、B(S)、C(S)表示各组试件中的试验组(经过紫外线辐射)，A(D)、B(D)、C(D)表示各组试件中的对照组(无紫外线辐射)。

表2 各组试件质量损失率 %

2.1.2 质量损失率结果分析

(1)在不同水灰比条件下，C组试件的质量损失率最大，A组试件的质量损失率最小，可以得出：在一定冻融循环次数下，水灰比越大，质量损失率越大，混凝土的抗冻性越差。

(2)随着冻融循环次数增加，3组试件的质量损失率逐渐增大，但质量损失率增长的速度却有所差异。对照组的3组试件，其质量损失率增速基本上都呈现出先加速后减速的趋势。但试验组的3组试件中，C组试件在冻融循环试验的早期阶段，其质量损失率增速就已经达到较高的程度，整体上呈现趋势为先减速后匀速。通过分析该现象，可能由于紫外线辐射对C组试件的表面砂浆造成不利影响，使其在冻融循环试验早期便形成了冻融损伤。

(3)在冻融循环次数低于125次时，A组试件(W/C=0.35)对照组与试验组的质量损失率没有明显差异，在循环次数125～200次阶段之间时，试验组的质量损失率相较于对照组更大，在循环次数200次之后，试验组与对照组的质量损失率基本保持一致；在冻融循环次数低于175次时，B组试件(W/C=0.40)试验组的质量损失率相较于对照组更大，在冻融循环次数大于175次后，试验组与对照组的质量损失率基本保持一致；在冻融循环次数低于150次，C组试件(W/C=0.45)试验组的质量损失率相较于对照组更大，在循环次数大于150次后，试验组与对照组的质量损失率基本保持一致。

从以上分析结果可知，紫外线辐射对低强混凝土的抗冻性影响主要体现在冻融循环的早期，而对高强混凝土影响，却需要经历一定次数的冻融循环后方能表现出来。

图5 各组试件的质量损失率

2.1.3 方差分析 从表2中虽可得出水灰比与冻融循环次数对质量损失率有明显的影响，但紫外线辐射对质量损失率是否有明显的影响难以直接判断，因此采用方差分析的方法来检验紫外线辐射对于质量损失率的影响是否显著。

以冻融循环次数与紫外线辐射为影响因素进行双因素无重复试验的方差分析，对于紫外线因素，F服从自由度为(1，11)的F分布，方差分析结果见表3。

表3 方差分析结果

由表3可以看出，紫外线辐射对A、B、C组混凝土质量损失率试验结果均有显著影响。

2.2 相对动弹性模量试验结果分析

2.2.1 相对动弹性模量试验结果 各组试件的相对动弹性模量试验结果见表4，各组试件在不同冻融次数下的动弹模量变化趋势如图6所示。

表4 各组试件相对动弹模量 %

图6 各组试件的相对动弹模量

2.2.2 相对动弹性模量结果分析

(1)在不同水灰比条件下，在对照组试件中，C组试件的相对动弹性模量下降最多，A组试件的相对动弹性模量下降最少。可以得出：在一定冻融循环次数下，水灰比越小，相对动弹性模量越高，混凝土的抗冻性越好，这与质量损失率试验结果相吻合。

(2)在不同紫外线辐射条件下，3组试件中考虑紫外线辐射的试验组试件相较于未考虑紫外线辐射的对照组试件，其动弹模量的变化规律有所区别，且在不同的冻融试验阶段，相对动弹模量随着水灰比的不同而有所差异。其中，A组试件在冻融循环试验的中期阶段，试验组的相对动弹模量相较于对照组更低，而在试验的其他阶段试验组与对照组的相对动弹模量基本一致；B组与C组试件在冻融循环试验前期阶段，试验组的相对动弹模量相较于对照组更低，在试验的其他阶段，试验组与对照组的相对动弹模量没有明显区别。

3 考虑紫外线辐射作用的冻融循环损伤模型研究

损伤度是用来描述材料受到荷载等外部因素以后，材料内部结构的受损伤状态以及这种状态对于材料的力学以及外观性能的影响。从损伤理论角度理解，混凝土结构中出现的各种微裂纹和微缺陷可以看作一个材料内连续分布的损伤场。相对动弹性模量指标在冻融循环试验中便于测量和分析，同时也是描述混凝土材料内部变化的一个重要指标，可以将相对动弹性模量用来定量地分析混凝土材料的内部损伤程度，因此损伤度Dn(损伤变量)定义如下：

(1)

式中：Dn为循环n次后混凝土的损伤度，%；En为冻融循环n次后动弹模量值，MPa；E0为混凝土初始动弹模量值，MPa。

由于混凝土材料的特殊性以及混凝土结构复杂的荷载作用，想要建立一个能适用所有状态下混凝土结构损伤本构方程是非常困难的，所以很多研究人员在理论研究的过程中，通过相应的条件假设和近似分析，总结了各种状态下不同的损伤模型。本文在已有的一些冻融循环损伤模型研究基础上，通过数据拟合为本次试验结果建立合适的损伤模型。

(1)修正的Loland混凝土损伤模型[16]：

(2)

式中：D为冻融循环n次后混凝土的损伤度;D0为试验开始时的损伤度，D0=0；β为材料参数；σmax为混凝土在一个冻融循环作用内所承受的最大平均静水压力；n为冻融循环次数。

由于混凝土内部液相压力测量复杂，上式简化为：

D=1-[1-pn]k

(3)

式中：p，k可由试验结果拟合确定。

将试验的数据代入上述损伤模型中，可以得到各组试件的冻融损伤模型，见表5。

各组拟合曲线与试验实测值的对比图见图7～12所示。

表5 各组试件拟合曲线公式

图7 A(S)组损伤度拟合曲线图8 A(D)组损伤度拟合曲线图9 B(S)组损伤度拟合曲线

图10 B(D)组损伤度拟合曲线图11 C(S)组损伤度拟合曲线图12 C(D)组损伤度拟合曲线

由图7～12可知，A组试件的损伤度随着冻融循环次数的增加呈现出先加速后减速的趋势，而C组试件的损伤度在试验刚开始阶段增加较快，然后匀速增加。造成这种区别的原因可能是C组试件表面受到紫外线作用更为显著，在冻融循环开始阶段表面的砂浆就快速损伤，这与之前紫外线对低水灰比混凝土抗冻性的影响在更早的时段表现出来的结论相吻合。

各组拟合得到的损伤度模型与试验结果较为吻合，且相关系数R都在0.93以上，说明损伤模型与试验数据拟合精度较高，所以建立的冻融循环损伤度模型对本次试验结果来说是合理的。该损伤度模型对于试验组及对照组的拟合结果都较好，且没有较大区别，所以紫外线辐射因素造成的耐久性影响也处于该冻融循环损伤模型的合理范围内。

4 结 论

本文通过对紫外线辐射与冻融循环试验方法的设计，对不同水灰比的面板混凝土进行了紫外线辐射试验及冻融循环试验。通过对试验数据分析，得出以下结论：

(1)在其他条件一定的情况下，水灰比越低的混凝土抗冻性能越强，表现为质量损失率低，相对动弹性模量大，因此对于有抗冻性要求的混凝土选择合适的水灰比十分重要。

(2)经紫外线辐射的混凝土抗冻性能变差，且随着水灰比的不同在冻融循环试验的不同阶段表现出来。紫外线辐射对低强混凝土的抗冻性影响主要是在冻融循环的早期表现出来，而对高强混凝土在进行一定次数的冻融循环试验后才能表现出来。这可能是由于紫外线辐射对混凝土的表面砂浆造成了不利影响，使之在冻融损伤早期便快速剥落，而由水灰比不同，高强混凝土冻融损伤产生的时间更晚。在一定冻融循环次数后紫外线辐射对混凝土抗冻性的影响逐渐消失，本次试验在275次冻融循环后，经紫外线辐射的混凝土抗冻性与未经辐射的混凝土相同。

(3)本文选用的冻融循环损伤模型能较好地拟合考虑紫外线作用的冻融循环损伤。