基于Wiener退化的混凝土加速试验耐久性研究

2020-12-10乔宏霞路承功

硅酸盐通报 2020年11期

乔宏霞，付勇，路承功，郭飞

(1.兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050；2.兰州理工大学，西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,兰州 730050)

0 引言

我国西部盐渍土面积约占我国盐渍土面积的60%[1-2]，盐渍土中含有大量对混凝土服役寿命起决定作用的硫酸盐、氯盐等腐蚀性离子,酒泉地区属于西部典型的盐渍土地区[3],且酒泉气候环境十分恶劣,混凝土结构常年受日照、风吹、紫外线辐射、干湿循环等多重因素影响,以及土壤和地下水中含有较多的腐蚀性离子，这些都对当地混凝土结构的耐久性造成了严重的影响,研究这种环境下混凝土的劣化机理和耐久性退化过程对提高该地区混凝土服役寿命是很有必要的。

众多学者基于不同的退化模型对混凝土结构寿命进行了研究[4-6]，导致混凝土的劣化因素较多和服役时所处的环境差异较大，从而导致混凝土的寿命预测模型较多。目前普通混凝土的寿命预测模型有氯离子扩散模型、碳化模型和冻融循环模型等。对于氯离子扩散模型，主要基于Fick第二定律[7-8]进行研究。如余红发等[9]研究了各种不同因素对混凝土寿命的影响，罗大明等[10]用贝叶斯理论,考虑了不同的因素对氯离子扩散系数的影响模型；糜人杰等[11]根据实验数据拟合得出了碳化深度预测模型；徐亦斌[12]建立了干湿循环条件下考虑荷载与碳化共同作用的氯离子传输模型;屈锋[13]研究盐冻损伤对混凝土耐久性的影响,预测盐冻环境混凝土结构耐久性使用寿命。

混凝土耐久性方面的研究目前主要集中在干湿、冻融、碳化、氯盐和硫酸盐单一因素的作用下，并且以硫酸钠溶液作为主要的硫酸盐侵蚀溶液，而基于西部盐渍土地区实际腐蚀环境方面的研究很少。基于一元Wiener随机过程能够很好地反映产品性能退化过程，因此被广泛地应用在产品性能退化建模分析中。文献[14-15]分别将其应用在光伏并网逆变器模型辨识、电子产品的剩余寿命预测，然而将一元Wiener退化过程应用于混凝土寿命预测尚不多见。因此本文从酒泉地区混凝土服役的实际侵蚀环境出发,设计了模拟该地区混凝土构筑物在硫酸盐、氯盐、辐射等多重因素下的室内加速试验，通过试验结果分析混凝土耐久性退化规律，利用一元Wiener随机过程对加速试验进行可靠性建模分析。

1 实验

1.1 原料及仪器

试验所制备试件用到的主要材料有祁连山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其各项指标如表1所示；兰州地区粗集料，含水率0.15%,含泥量0.5%；兰州某公司提供的细骨料，细度模数3.18，含水率3.3%；兰州二热厂提供的Ⅱ级粉煤灰，含水量0.3%，活性指数81%；西安百盛化工公司提供的羟系减水剂，减水率为18%。混凝土试件质量通过电子天平测定，试件超声声速通过NM-4A非金属超声检测分析仪测定。

表1 P·O 42.5水泥的各项指标Table 1 Various indicators of P·O 42.5 cement

1.2 实验过程

考虑到酒泉地区具有气候环境恶劣、土壤中腐蚀性离子较多等特点，模拟混凝土试件在酒泉地区 1 d的劣化过程。按表2的配合比制备尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，将制备好的试件(A组、B组、C组)全浸泡在复合盐溶液中4 d,复合盐溶液中各种盐浓度如表3所示，之后放入硫酸盐干湿循环箱中，模拟室外劣化环境，流程如图1所示，根据当地1 d的日照强度来调节钠灯光照强度，弱光照时开两个60 W钠灯，强光照时开四个60 W钠灯，每7 d测试一次试件的质量和Z、M、R、L端的超声声速,超声声速测点分布如图2所示，当做到14次循环即98 d时停止试验。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

表3 复合盐溶液中的各种盐浓度Table 3 Various salt concentrations in the compound salt solution

图1 模拟室外劣化环境Fig.1 Simulated outdoor deterioration environment

图2 动弹性模量测点分布 Fig.2 Distribution of measuring points of dynamic elastic modulus

ω1=(mr-0.95)/0.05

(1)

(2)

式中：mr表示混凝土试件相对质量；υ0、υt分别为混凝土试件初始超声声速和一定循环时间下t时刻的超声声速，km/s。每7 d作为一个循环,一周结束后,对试件的质量和超声波声速进行测试，计算得到相应评价参数ω1和ω2。

2 结果与讨论

2.1 加速试验下混凝土耐久性评价指标分析

试件在标准条件养护后进行第1次质量和超声检测，以此为基础数据，7 d为一个大循环,采集了98 d的试验数据。根据试验数据分别绘制了3组试件耐久性评价变化曲线，如图3所示。图中ω2-D、ω2-L分别表示横向相对动弹性模量评价参数和纵向相对动弹性模量评价参数。

从图3中可以看到,3组试件初期质量和超声都有所增加，随着循环次数的增加开始慢慢下降。ω1由最初的1.0到14 d达到峰值，分别增加了10.1%、11.1%、11.0%,质量都在14 d达到最大值,14 d后随着循环次数的增加质量开始减少,性能逐渐劣化,究其原因是水泥水化后生成大量的水化铝酸钙(C-A-H)和水化硅酸钙(C-S-H)等物质，在干湿循环交替作用下，复合盐溶液中的离子通过混凝土表面的孔隙进入混凝土内部，和水泥水化产物进一步反应,生成三硫型水化硫铝酸钙(AFt)和碳硫硅钙石填充在混凝土试件骨料之间孔隙中，使得混凝土结构变得更加密实，从而导致质量有所增加，随着干湿循环次数的增加，反应持续消耗大量的C-S-H和Ca(OH)2，导致混凝土内部碱性下降，破坏了C-S-H凝胶材料存在的稳定环境,迫使其不断分解的同时和持续侵入混凝土内部的硫酸根离子反应，使得C-S-H凝胶材料严重消耗，导致混凝土粘结力下降,混凝土表面出现开裂和剥落现象，从而加剧了混凝土的劣化。

3组试件相对动弹性模量评价参数在14 d几乎都达到峰值，分别增加了13.9%、14.4%、13.3%，14 d后ω2值小幅度下降，究其原因主要是粉煤灰活性掺合料作为辅助胶凝材料，可以改善凝胶的化学组成，粉煤灰的二次水化反应[16]可改善水泥石之间的界面结构，水化后期Ca(OH)2、粉煤灰和高钙硅比的C-S-H凝胶发生二次水化反应,生成低钙硅比的C-S-H 凝胶，此凝胶能够填充那些对水泥石强度和耐久性极为不利的孔隙空洞,使水泥石的结构更加致密,优化水泥石的孔结构，从而导致混凝土超声声速有所提高,随着腐蚀产物的增多，部分腐蚀产物吸水后体积膨胀，导致混凝土开裂和剥落,混凝土耐久性逐渐退化。

图3 混凝土试件耐久性评价参数变化曲线Fig.3 Variation curves of durability evaluation parameters of concrete specimen

在模拟酒泉地区气候与腐蚀环境的室内加速试验中，ω1和ω2均可有效表征试件逐渐劣化过程，其相对动弹性模量评价参数比相对质量评价参数对于自然环境因素更敏感，因此以相对动弹性模量作为耐久性评价参数更能反映试件真实的损伤情况，并且L端的相对动弹性模量更能反映混凝土试件劣化的整体效应，因此本文基于L端的相对动弹性模量来研究混凝土的可靠度函数。

2.2 加速试验下混凝土损伤机理及微观分析

为了描述室内加速试验下混凝土试件的真实损伤机理，在98 d循环结束后，对A组试块内部20 mm处的混凝土进行X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)微观试验分析。图4、图5分别为A组试件放大2 000倍、5 000倍的SEM照片，图6为A组试件的XRD谱。

针对复杂地质构造岩质边坡地震稳定性方面的研究仍需进一步深入探讨。尤其是含软弱结构面岩质边坡是一种常见的地质体，在静力作用下的受力特征、稳定性判识方法等方面的研究取得了较多的研究成果。但是，地震作用下复杂地质构造岩质边坡动力响应特征、破坏机制及稳定性判别方法还需要进一步研究。针对复杂地质构造岩质边坡地震动力响应特征及其动力稳定性评价，主要存在如下问题：

图4 A组试件放大2 000倍SEM照片Fig.4 2 000 times SEM image of group A specimen

图5 A组试件放大5 000倍SEM照片Fig.5 5 000 times SEM image of group A specimen

图6 A组试件XRD谱Fig.6 XRD pattern of group A specimen

从XRD谱并结合SEM照片可以观察到，A组试块内部20 mm处的混凝土表面附着较多呈层状、絮状及薄片状的物质，这些物质为C-S-H 凝胶，由于C-S-H凝胶呈无定型而造成形状的不同,此凝胶材料在初期有利于改善混凝土内部孔隙结构,使试件耐久性评价参数有一定幅度的增加，后期腐蚀产物增多并且吸水体积膨胀而使试件劣化加快。从XRD谱中未观察到水泥水化产物Ca(OH)2,表明在劣化过程中Ca(OH)2被严重消耗，使得混凝土内部碱性降低,具有粘性的C-S-H凝胶材料被大量反应和分解,混凝土内部的粘结力逐渐下降,导致混凝土试件表面出现剥落和开裂现象,加剧了混凝土试件的劣化过程。

3 基于Wiener随机过程的退化模型

3.1 一元Wiener退化过程相关知识

混凝土的耐久性退化趋势为随机过程，在本试验中，假设混凝土的耐久性退化过程可以用一元Wiener退化过程来描述[17]。即：

X(t)=λt+σbB(t)

(3)

式中：λ为漂移系数,表征退化速度；σb为扩散系数；B(t)为标准布朗运动，表征衰退过程的动态。

设混凝土试件失效的阈值为l。根据相关规定认为，混凝土试件弹性模量损失量达到40%时，即认为混凝土结构失效，因此本文中评价混凝土耐久性退化指标的相对动弹性模量达到0.6时，即认为混凝土试件失效。当累计退化量X(t)首次达到l时，认为混凝土试件失效，对应的时间T即为混凝土试件的服役寿命。如式(4)所示。

T=inf{t|X(t)≥l}

(4)

经过推导可知，混凝土试件退化量的可靠度函数R(t)和概率密度函数f(t)分别为：

(5)

(6)

式中：φ代表标准正态分布函数。

3.2 一元Wiener建模步骤过程

(1) 一元 Wiener过程的辨识：首先检验表征耐久性退化过程的相对动弹性模量是否符合一元Wiener 退化过程；

(2) 根据极大似然估计法对参数进行估计；

(3) 绘制可靠度曲线和概率密度图。

3.3 模型建立

如果一元连续时间随机过程(X(t),t>0)为一元Wiener过程，则需满足以下性质：

(2)[t1,t2],[t3,t4](t1

图7 相对动弹性模量增量分布图Fig.7 Incremental distribution of relative dynamic elastic modulus

(3)X(0)=0并且X(t)在t时刻连续。

如果B(t)为标准的布朗运动，则E[B(t)]=0,E[B(t1)B(t2)]=min(t1，t2)。

基于3组C50混凝土试件酒泉地区自然环境加速寿命试验，第i个试件在j时刻到j+1时刻的相对动弹性模量的增量为ΔXij=X(ti(j+1))-X(tij)。根据试验数据，采用统计直方图对相对动弹性模量增量进行分布检验[19]，如图7所示。从图7可以看出相对动弹性模量的增量服从正态分布。根据概率论相关理论可知，表征混凝土耐久性退化过程的相对动弹性模量满足一元连续时间随机过程性质，于是可知混凝土耐久性退化过程符合一元Wiener 退化过程。