轴心受压荷载-硫酸盐作用下粉煤灰混凝土的损伤层厚度和抗压强度研究

田飞翔,李海波,童立强,逯静洲

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

混凝土材料以其来源广泛、施工方便、耐久性好等优点在土木工程领域广泛应用,但是在早期混凝土结构设计不考虑环境影响,往往在环境恶劣的地方混凝土结构不能达到设计使用年限．影响混凝土结构耐久性的因素众多包括冻融作用、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀等,其中硫酸盐侵蚀是重要影响因素之一[1-2]．我国有广阔的内陆湖泊和盐碱地带,同时东部有广阔的沿海地区,混凝土结构受硫酸盐侵蚀严重．

高润东等[3]研究不同配比的混凝土在干湿循环作用下受硫酸盐侵蚀劣化规律．王海龙等[4]则模拟了混凝土在不同质量分数Na2SO4的干湿循环作用．朱孔峰等[5]通过对历经荷载作用后受硫酸盐侵蚀混凝土进行单轴压缩试验,研究了荷载水平和溶液浓度对混凝土力学性能的影响．掺加矿物掺合料能显著改善混凝土的耐久性能,尤其是能改善耐硫酸盐性能[6]．余振新等[7]研究了混凝土在弯曲荷载-干湿交替-硫酸盐侵蚀3种因素耦合作用下的损伤劣化过程中,指出粉煤灰和矿粉等矿物掺合料可显著提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力．李阳等[8]研究了在冻融与硫酸盐侵蚀双因素下粉煤灰对混凝土耐久性能的影响,结果表明粉煤灰可以提高混凝土抗冻和抗硫酸盐侵蚀能力．曹杰荣等[9]研究了在海洋环境下混凝土受硫酸盐侵蚀的机理,研究结果表明混凝土在不同腐蚀区带硫酸根离子传输量和传输深度不同,海洋潮汐区和水下区腐蚀产物量大于大气区,对于P.I.52.5水泥制备的C40混凝土而言,掺加65%的矿粉有助于提升混凝土抗海洋硫酸根离子侵蚀能力．

目前对掺粉煤灰混凝土在荷载与环境因素耦合作用下的研究较少,并且简单地将混凝土划分为无承载能力的损伤区和有承载能力的未损伤区不能很好地反映混凝土真实劣化规律,因此本文提出以基于损伤区和过渡区关系影响因子的研究方法,以粉煤灰混凝土在轴压荷载和硫酸盐作用下的损伤层的变化反映损伤程度,以期为工程实践提供更好参考依据．

1 考虑影响因子修正的混凝土损伤层研究

近年来基于超声波无损检测混凝土损伤层被越来越多人关注,但是当前研究[10]中往往忽略掉损伤材料部分的承载力．混凝土材料在硫酸盐侵蚀作用下发生由表及里的破坏,但是混凝土损伤实际上是一个微观结构破坏逐步累计最终产生宏观裂缝损坏的过程,在这个过程中受损混凝土仍然保持部分承载能力．因此本文将损伤分为两部分:彻底丧失承载能力的损伤层,仍有承载能力的过渡区．

根据上述对损伤的定义混凝土材料可分为如图1所示的三部分:未腐蚀区A1、过渡区A2、损伤层A3,在此基础上分析混凝土损伤更符合实际情况．其中A2为具有承载力的硫酸根离子扩散区,A3由A2发展导致,因此提出影响因子γ用来表述二者关系．

总面积A可表示为

A1+A2+A3=A,

(1)

令

A3=γA2,

(2)

通过损伤面积定义混凝土损伤变量D:

(3)

将式(2)代入式(3)得

(4)

根据应变等价性假说[11],应力σ作用在受损材料所产生的应变等价于有效应力作用在无损材料上的应变:

(5)

令混凝土受损前的应力为σ,则受损后有效应力σ'为

(6)

PRASSIANAKIS等[12]的弹性模量计算公式

(7)

由式(5)、(6)、(7)可得

(8)

其中:E为初始弹性模量,E'为试验后弹性模量,V为初始波速,V'为试验后波速．

由式(4)、(8)可得

(9)

(10)

式中:F0为初始抗压强度,Fn为侵蚀n天后的抗压强度．根据损伤变量D:

(11)

得到考虑影响因子γ的损伤层厚度d:

(12)

2 设计试验

2.1 试验概况

为了验证上述研究方法的合理性,设计试验进行验证,详细试验参考文献[14]．试验采用42.5R普通硅酸盐水泥,威海某电子厂出产的粉煤灰,细度模数为2.8的天然河砂,最大粒径16 mm的连续级配碎石,符合国家规定的自来水．依照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)[13]进行配合比设计,水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水=1∶0.43∶2.79∶5.19∶0.67．采用YAW-2000D型微机控制电液伺服压力试验机测得28 d混凝土立方体抗压强度31.63 MPa．

2.2 试验方法

试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,铸模24 h后拆模放入标准养护室养护28 d,然后再清水养护90 d,自然风干后完成养护．轴压荷载的施加采用NELD-CS710型混凝土徐变仪及相关设备完成．为保证试验轴压荷载和硫酸盐侵蚀能时时耦合,在实验时将试件放入截面尺寸略大于试件的长方形不锈钢盒中,盒内注满Na2SO4溶液然后由徐变仪施加轴压荷载．荷载轴压应力比分别为:0%、30%、45%、60%,Na2SO4溶液浓度分别为5%、10%,在指定周期利用ZBL-U510型非金属超声波检测仪测波速、测试受损混凝土的单轴抗压强度,计算损伤层厚度．为方便记录分析,对不同工况下的试件进行编号,详见表1．

表1 不同工况下的试件编号Tab.1 Test piece number under different working conditions

3 结果分析

3.1 损伤层厚度

通过式(10)计算γ后代入式(12)计算相应损伤层厚度,并绘制成图2．可以看出在相同应力比的轴压荷载作用下Na2SO4溶液浓度变化不会改变混凝土损伤层厚度变化趋势,但是F60系列试件与F0、F30、F45系列试件变化明显不同．

F0、F30、F45系列试件的损伤层厚度随侵蚀龄期增长呈现先负后正的变化趋势．在F0系列试件的实验前中期损伤层呈现负值是因为硫酸盐与混凝土反应生成的晶体逐步填充混凝土的内部缺陷,混凝土密实程度增加．到一定程度时,晶体继续增长产生的膨胀力造成混凝土内部结构损坏,这时损伤层变化趋势向正值变化;当填充效果小于破坏效果时损伤层开始出现,即损伤层厚度开始呈现正值且随着侵蚀龄期增长损伤层越来越大,在混凝土试件上反映为混凝土表面出现松散层,产生浆体剥落、掉角等现象．F30、F45系列试件则是在外部荷载作用下混凝土初始内部裂缝和孔隙被压缩,此时硫酸盐与混凝土反应生成的晶体会提前接触孔隙壁产生膨胀力进而导致混凝土结构的破坏,在图2中直观反映为F30、F452个系列的负损伤层厚度峰值小于F0系列．F60系列试件损伤层未出现负值,即当轴压荷载应力水平为0.60时混凝土在Na2SO4溶液作用下只呈现损伤劣化状态．由此可知轴压荷载会抑制硫酸盐在实验前中期对混凝土的填充密实效果,当轴压荷载足够大时硫酸盐对混凝土的填充效果消失,混凝土直接进入损伤阶段．

通过图2可看出Na2SO4溶液浓度一定时,随着应力水平增加,负损伤层峰值降低,即应力水平越大,Na2SO4溶液在实验前中期对混凝土的填充密实效果越差,当外部荷载增加到某个界限值时混凝土在硫酸盐侵蚀作用下不会出现填充密实作用,这个界限值位于45%和60%应力水平的轴压荷载之间;混凝土最终损伤层厚度随应力水平先降低后增大,转折点位于30%和45%应力比的轴压荷载之间,将此点对应的荷载称为临界值,轴压荷载小于临界值时,最终损伤层厚度随荷载会随荷载增加而降低,既增大荷载会抑制混凝土被硫酸盐侵蚀劣化的作用,如果轴压荷载大于临界值时,增大荷载会导致最终损伤层厚度增大,既增大荷载会促进硫酸盐对混凝土的侵蚀效果．应力水平一定时,增加Na2SO4溶液的浓度会使得混凝土负损伤层厚度提前达到峰值,但是由于在相同荷载作用下混凝土压缩程度不变,负损伤层厚度峰值无发生较大变化;最终损伤层厚度会随硫酸盐溶液浓度增加而增大．

3.2 推算混凝土抗压强度

依据前文所述:损伤层不能承载压力,过渡区由于孔隙结构没有改变可以承压,所以硫酸盐腐蚀后的混凝土完全由过渡区和未腐蚀层来承压,它们所能承受的压力与未腐蚀混凝土的相等,则:

F0·(A1+A2)=Fn·A.

(13)

根据式(13)得到各个龄期的强度,详见表2．

表2 推算各龄期混凝土强度Tab.2 Calculate the strength of concrete at various ages MPa

通过计算强度与实测强度可求相对误差ρ,通过相对误差来验证影响因子合理性．

(14)

通过式(14)可计算反算强度与实测强度的误差,其中F'n为推算各龄期强度,详见表3．

表3 相对误差ρTab.3 Relative error %

由表3可知,反算强度与实测强度之间误差较小,因此表3中推算强度与实测强度能较好地吻合,基于影响因子的粉煤灰混凝土在轴压荷载和硫酸盐耦合作用下耐久性分析时合理的．

3.3 试验对比验证

为充分说明本文研究方法的适用性,在此引入文献[15]的试验数据进行验证．该试验以普通混凝土为研究对象,设计0%、15%、30%、45%4种应力水平的轴压荷载和5%、10%2种浓度的Na2SO4溶液耦合作用来研究混凝土的长期性能．

选取4种工况分别以A、B、C、D表示,其中A为0%的轴压荷载和5%浓度Na2SO4溶液耦合,B为0%的轴压荷载和10%浓度Na2SO4溶液耦合,C为30%的轴压荷载和5%浓度Na2SO4溶液耦合,D为30%的轴压荷载和10%浓度Na2SO4溶液耦合．依据式(12)、(13)、(14)进行计算,结果如表4所示．

表4 对比实验验证Tab.4 Comparative experiment verification

表4中强度误差较小,推算强度基本符合实测强度,证明本文提出的研究方法适用文献[15]的试验研究．

4 小 结

(1)本文将混凝土划分为未腐蚀区、过渡区、损伤层,更加贴合实际工程状态．研究基于影响因子的粉煤灰混凝土在综合考虑在不同应力水平和Na2SO4溶液浓度作用下的损伤层能够直观反映混凝土的腐蚀状态,对研究粉煤灰混凝土耐硫酸盐腐蚀性能具有重要的意义．

(2)混凝土在硫酸盐溶液作用下会出现增强,表现为损伤层为负值的现象,即出现负损伤层．负损伤层厚度峰值与轴压荷载的应力水平有关但是与硫酸盐浓度关系较小,应力水平越大负损伤层厚度峰值越小,硫酸盐浓度变化不会使负损伤层厚度峰值发生明显变化．最终损伤层厚度与硫酸盐浓度和应力水平有关,硫酸盐浓度越大则最终损伤层厚度越大;30%和45%应力比的轴压荷载之间存在一个临界值,当荷载小于临界值时增大荷载会抑制硫酸盐对混凝土的侵蚀作用,荷载小于临界值时增大荷载会促进硫酸盐对混凝土的侵蚀作用．

(3)依据本文提出的研究方法计算出强度验证误差在15%以内,说明具有较好的适用性,但是仅依靠宏观数据仍然有些不足,后续需要通过检查腐蚀离子侵蚀厚度检查和微观试验等进行进一步校对完善．