盐冻循环对湿筛混凝土损伤演化研究

2019-05-21雷康陈波

人民珠江 2019年5期

雷康，陈波

(1. 湖北凯耀宏建设工程有限公司，湖北潜江 433100；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

中国水能资源丰富，截至2013年底已建各类大坝97 721座，现今工程建设主要集中在中西部地区，这些地区昼夜温差大，在冬季气温大都会降到0℃以下。加之区域多含盐滞性地下水，导致大多混凝土结构都受到了严重损伤，对其高效运行产生了极大影响，如盐锅峡的坝基工程、青海朝阳水电工程、甘肃省靖会电力提灌项目等都出现了一定程度损伤问题[1]。

可见盐冻循环作用下的水工混凝土的损伤、劣化演化的研究对解决实际工程问题具有一定的应用价值，对拓展混凝土耐久性学科具有深远的科学价值，存在诸多问题亟待解决。且目前该领域研究较少，加之国内外基于常态混凝土受盐冻循环作用而引起的结构损伤问题已经开展了较为深入的研究，取得了诸多科学成果。徐存东等[2]通过掺入一定量的引气剂和粉煤灰提高严寒地区混凝土的抗侵蚀能力。李文霞[3]等对混凝土材料进行干湿循环、冻融循环以及硫酸盐侵蚀试验后发现，硫酸盐会显著的加速混凝土材料的劣化。姜磊等[4]通过试验研究建立考虑冻融循环次数的材料损伤准则，发现混凝土的应力峰值、弹性模量随冻融次数的增加而降低。以上研究为探究大体积水工混凝土在盐冻循环作用下的损伤问题垫定了坚实的基础。本文以水位干湿变区域湿筛混凝土为研究对象，利用动弹性模量测试仪技术对被检目标进行检测，基于快冻法推导相对动弹性模量与冻融循环次数之关系，并建立了混凝土损伤演化方程，探究水位变化区处混凝土损伤劣化的规律，以期为实际工程提供相应的技术指导。

1 试验方法

1.1 试验原料和混凝土配合比

试验选用PO42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料选用级配良好的人工碎石，其中小石粒径为5～20 mm，中石粒径为20～40 mm，大石粒径为40～80 mm，中砂选用级配良好的天然河砂，含水率为4.7%，细度模数为2.8，粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰；减水剂、引气剂选用JM-II型高效减水剂、引气剂AIR202；水为自来水，浇筑配合比设计[2]见表1，具体规程参考水工混凝土配合比设计规范。

表1 单位立方米混凝土材料用量

1.2 试件制作

研究进行三级配水工湿筛混凝土试验，试件浇筑依据水工混凝土浇筑规程，将原材料中大于30 mm的粗骨料进行筛除。取过筛之后的混凝土浇筑试件，具体试验分组见表2。湿筛混凝土试件成型后，用塑料膜覆盖，以防止水分蒸发，并在20℃±5℃的室内静置48 h，随后拆模并统一编号。拆模完成后，立即将试件放入温度为20℃±5℃、标准养护室内养护至规定期限。

表2 混凝土试件分组

1.3 试验工况设计和损伤检测

本试验中混凝土试件浸泡溶液为5%(质量分数)Na2SO4溶液，试验在2种工况下进行。

a) 工况1 即水冻循环。试件养护至规定龄期前4 d时，将试件放入20℃±3℃的水中浸泡4 d，吸水饱和。浸泡至规定龄期后，按照组别向试件盒中注入高于试件顶面20 mm的自来水，对应放入HDK-9型混凝土快速冻融试验机进行60、120、180、240、300、360次冻融循环试验。

b) 工况2 即盐冻循环，试件在养护至规范规定龄期4 d前，将其放入温度为20℃±3℃，质量分数5% Na2SO4配合溶液中自然浸泡4 d饱和后按组别将试件装入试件盒中，并向试件盒中注入5% Na2SO4配合溶液，溶液高于试件顶面20 mm。对应放入HDK-9型混凝土快速冻融试验机进行60、120、180、240、300、360次冻融循环试验。

放置控温试件，一次冻融循环历时2.5～4 h，其中降温历时1.5～2.5 h，升温历时1.0～1.5 h；降温和升温终了时，试件中心温度应分别控制在-17℃±2℃和8℃±2℃，试件中心和表面的温差小于28℃。

在以上2种工况下利用NEL-DTA型动弹性模量测试仪检测每个周期下混凝土试件的动弹性模量。

2 盐冻循环作用下混凝土损伤研究

2.1 混凝土外观损伤特征

不同冻融循环次数后，水冻和盐冻2种情况下的湿筛混凝土试件的外观损伤见图1、2，由图可以看出，试件在经历2种工况下的冻融循环试验之后先后经历了混凝土表面出现麻点坑洞、胶凝材料的流失，细骨料外露、粗骨料出现，混凝土棱角脱落等3个阶段。

a) 60次 b)120次 c)180次

d) 240次 e)300次 f)360次图1 水冻作用下的外观损伤

a) 60次 b)120次 c)180次

d) 240次 e)300次 f)360次图2 盐冻作用下的外观损伤

对比图1、2可以看出，当冻融循环次数相同时，盐冻试验条件下混凝土外观损伤程度强于水冻循环试验，180次冻融循环后，盐冻试件和水冻试件的表观特征差异显著，并且随着冻融循环次数的增加，盐冻循环侵蚀作用对混凝土表观损伤比单一水冻循环要大得多。可见，盐冻作用在加快混凝土表面损伤速度的同时，也加重了其损伤程度。

2.2 动弹性模量检测结果

以混凝土相对动弹性模量En、损伤变量Dn对工况1、2条件下的混凝土损伤变量进行定量描述。表3为2种工况下试件在经历不同冻融循环次数后的动弹性模量，由表3可以看出，随冻融循环的加强，水冻和盐冻条件下的湿筛混凝土的动弹性模量逐渐降低，且盐冻情况下动弹性模量下降速度更快。

表3 不同冻融循环次数后的混凝土动弹性模量

混凝土试件的相对动弹性模量可以通过测试其在不同的测试条件下的动弹性模量并依据式(1)进行计算。

(1)

图3为不同冻融循环次数后材料的相对动弹性模量变化规律，从图3可以看出，随着冻融循环作用的加强，试件的相对动弹性模量不断降低。300次冻融循环次后，盐冻作用下材料相对动弹性模量下降到72.38%。可以看出，在冻融循环初期，盐冻作用下混凝土的相对动弹性模量下降较慢，这是因为硫酸盐降低了冰点，削弱了混凝土冻融破坏；然而，随着冻融循环次数增加，盐冻循环后混凝土的相对动弹性模量的下降幅度大于水冻。总的来说，硫酸盐侵加速了混凝土材料损伤破坏，增加了材料损伤劣化的速度。

a)水冻图3 不同冻融循环次数下试件的相对动弹性模量

b)盐冻续图3 不同冻融循环次数下试件的相对动弹性模量

由此可推出水冻及盐冻作用下湿筛混凝土的相对动弹性模量与冻融次数之间的关系见式(2)、(3)。

Es·n=-2.4238×10-4n2+5.6328×10-3n+98.589r=0.981

(2)

Ey·n=-3.0581×10-4n2+4.6732×10-3n+99.0795r=0.993

(3)

式中Es·n——水冻条件下的相对动弹性模量；Ey·n——盐冻条件下的相对动弹性模量；n——冻融次数；r——相关系数。

2.3 混凝土损伤演化方程

混凝土在一定程度上属于含有孔隙的材料，在浇筑和养护过程中不可避免地会出现很多细微的裂缝和缺陷，在冻融循环作用下，混凝土内部的细微裂缝和缺陷会不断地扩展，导致混凝土力学性能劣化损伤，极大地降低了混凝土的耐久性和使用寿命[4]。

在推导出混凝土损伤演化方程之前，先做出以下假设[5]：①在冻融之前，混凝土的初始损伤值为0；②混凝土冻融损伤是关于冻融次数的函数，不考虑材料孔隙率、冻融温度范围等其他因素影响；③损伤值随着冻融循环次数的增加而增加，且损伤值都是正值。

根据宏观唯象损伤力学的概念，定义混凝土损伤变量为[6]：

式中D(n)——不同冻融强度作用后的材料损伤；E(n)——不同冻融强度下材料的弹性模量；E0——冻融前混凝土的动弹性模量；n——冻融循环次数。

根据上述定义，计算水冻、盐冻2种条件下材料试件损伤随冻融作用的变化规律结果见表4、图4。

表4 不同冻融循环次数下的混凝土损伤量

a)水冻

b)盐冻图4 不同冻融循环次数下试件的损伤量

并根据表4中采用最小二乘法对数据进行拟合，得到水冻循环作用及盐冻循环作用下湿筛混凝土的损伤演化方程见式(5)、(6)。

Ds·n=2.4238×10-6n2-5.6×10-5n+0.0114

(5)

Ds·n=3.0581×10-6n2-4.6714×10-5n+0.0092

(6)

式中Ds·n——水冻条件下的混凝土损伤量；Dy·n——盐冻条件下的混凝土损伤量；n——冻融次数。

式(5)与苑立冬[7]建立的冻融循环作用下混凝土的损伤演化方程相比，具有一定的差异，主要原因是本试验采用的湿筛混凝土与其采用的常态混凝土在组成成分上有较大的差别，以至于冻融循环作用下混凝土的相对动弹性模量的变化幅度并不一致，因此以相对动弹性模量为损伤变量建立的损伤演化方程会存在不同。诸多学者[8-10]基于不同的试验条件研究建立了对应的损伤演化方程，形式指数函数、二次函数、对数函数等不尽相同。可知，实验前提的差异使得混凝土损伤的研究不存在统一标准。

肖前慧[11]基于冻融循环、酸雨、碳化耦合作用环境，探究常态混凝土在该服役环境下结构的损伤演化方程，其损伤方程与本文研究大体一致，但方程的系数存在一定差别。这是因为其试验前提条件与本文存在一定的差异，本文为冻融循环与硫酸盐侵蚀耦合外部环境且本文研究对象为湿筛混凝土，可见混凝土材料的配合比设计及其外部环境对其损伤研究具有一定的影响。