多种不利因素作用下的水工混凝土老化机理研究

2022-04-12郭鹏高

黑龙江水利科技 2022年3期

郭鹏高

(绥中县水利事务服务中心，辽宁绥中125200)

1 冻融破坏下的微观、宏观结构

水工混凝土普遍存在碱集料反应、碳化、溶蚀、裂缝和冻融等引起的老化问题，混凝土损伤是各种因素交互作用的结果，而非单一因素的简单叠加，其破坏过程非常复杂。因此，研究多种不利因素交互作用下的老化机理具有重要意义。

冻融破坏是指在冻融和温度交变作用下饱水状态的混凝土所产生的破坏，宏观上的冻融破坏表现出力学性能下降、粗细骨料分离、剥落、开裂等，如徐中如院士[1]研究了水工结构的老化机理和安全隐患，并探讨了冻融循环过程中混凝土、砂浆、水泥石等水泥基材料的宏观破坏特征和物理力学性能变化特点。然而，从微观结构上探讨混凝土冻融破坏的研究较少。

一般地，从微观结构上冻融破坏表现出以下特征：

1)孔结构的变化：测定冻融前后40mm×40mm×160mm砂浆试件和水泥净浆试件的孔体积，结果显示冻融作用大大提高了砂浆和水泥石的孔隙率，尤其是毛细孔(孔径>50μm)体积明显增大。如砂浆的孔体积从冻融前的0.0526 cm2/g明显增大至0.0741 cm2/g，毛细孔所占比例从冻融前的42.5%增大至41.67%；水泥浆的孔体积从0.1206 cm2/g明显增大至0.1983 cm2/g，毛细孔所占比例从17.20%增大至29.15%。这是由于一些微孔孔径、体积在反复冻融过程中不断增大，经冻融循环产生一定的微裂纹。

2)显微结构的变化：净浆结构冻融前具有较少细孔，结构整体较为致密，冻融后出现许多蜂窝状大孔，结构逐渐稀疏，冻融作用增大了其平均孔径。这是由于水泥基试件受净水压力和冻融的双重作用，结构内部总的孔径大、大孔径的孔增多，结构疏松。该条件下，水泥净浆试件的圆形断面边界两边的孔结构存在较大差异，并且能够看到明显的裂纹，试件中心处的孔径相对较小，整体致密，而裂缝两边的孔径很大，结构输送[2-3]。

3)水泥砂浆的结构变化：受冻融前混凝土中的水泥砂浆结构致密，硬化的水泥石能够完全包裹住骨料，结合力较强，水泥石受冻融作用后变得稀松，骨料与水泥石脱离而形成裂纹。

2 水工混凝土结构失稳机理

2.1 宏观裂缝类型

宏观裂缝有以下4种类型：

1)不利荷载裂缝：一般是指混凝土在不利荷载作用下因超标应力而产生的部分裂缝。

2)收缩裂缝：包括碳化、干燥、沉降和塑性收缩裂缝。

3)温度裂缝：因寒潮、基岩高差、新老混凝土结构、基岩约束和温控不当等引起的裂缝。

4)碱集料反应裂缝：是指在碱性骨料作用下而形成混凝土裂缝。

2.2 结构失稳机理

结合试验分析成果，在荷载作用下混凝土微观裂缝及应变曲线的演变过程，应力应变曲线，见图1，以此探讨结构的失稳机理。

图1 应力应变曲线

从图1可以看出：①砂浆与骨料结合面在达到极限应力的30%时开始出现结合裂缝；②外荷载达到30-50%极限应力时结合裂缝呈缓慢发展；③在达到极限应力的70%时形成砂浆裂缝，砂浆裂缝在达到极限应力75%时发展缓慢，该过程中结合裂缝不断增大；④砂浆裂缝在外荷载作用达到界限应力时快速增大，并进一步生成宏观裂缝，混凝土承载力下降，结构应变软化并出现裂缝失稳破坏[4]。

总体上，可以将裂缝失稳划分成3个阶段，并用能量描述其扩展特征[5]：①第1阶段：发生变形所需的塑性功及自由表面形成所需的表面能大于缝端区域释放的应变能力，该过程处于稳定状态，不会发生裂缝的扩展；②第2阶段：缝端区域产生不可逆变形所需的塑性功及形成自由表面所需的表面能等于缝端区域释放的应变能力，该阶段处于裂缝扩展临界状态；③第3阶段：缝端区域产生不可逆变形所需的塑性功及形成自由表面所需的表面能小于缝端区域释放的应变能力，该阶段会发生裂缝扩展失稳。

3 碳化对混凝土结构的影响

3.1 碳化过程及其影响因素

混凝土的碳化过程包括水泥其他水化产物、混凝土中的Ca(OH)2与CO2在水存条件下发生的物理或化学反应和CO2向混凝土内部扩散两个过程，并且化学反应速率远大于扩散过程速度，所以CO2的扩散过程控制总的碳化过程[6]。

假设混凝土碳化区的CO2浓度为0、表面浓度为C0，从外部到内部CO2浓度线性减小，吸收CO2后单位体积混凝土发生化学反应为恒定量值，则CO2遵循Fick第一定律向混凝土内扩散。针对时间变化与碳化深度间的关系，有学者提出理论数学模型，其表达式为：

(1)

式中：hD、vD、t为碳化深度、碳化速度系数和碳化时间；DCO2、C0为有效扩散系数和环境中CO2的浓度；m0为单位混凝土吸收的CO2量。其中，各种环境因素和混凝土的本身性质决定了m0、C0、DCO2数值。

此外，徐中如等通过碳化试验提出混凝土碳化深度与各碳化龄期之间的关系[7-8]，其表达式为：

hD=vDtβ

(2)

式中：β为计算参数，该数值一般<按Fick第一定律推导的数值，这是由于混凝土作为一种非均质体主要由粗细集料、水泥石构成，而碳化只是针对水泥石，CO2向粗集料内部扩散速度较缓慢，水泥石的分布特点对CO2的扩散影响较大，所以实际碳化过程与公式(1)的两个基本假定有较大出入；vD为碳化速度系数包括环境中CO2的浓度C0、混凝土中CO2的有效扩散系数DCO2和单位体积混凝土吸收的CO2量，其中混凝土自身特性决定了m0和DCO2，而环境因素与C0直接相关。所以，外部环境因素和材料自身因素是决定混凝土碳化速度的两大因素。

3.2 碳化对结构性能的影响

脱水过程在一定程度上与碳化对水泥石结构的影响相类似，碳化会导致混凝土发生不可逆的缓慢收缩甚至表面微裂缝，其实质就是水泥石孔结构和孔孔隙率的改变，这种改变对水泥基的渗透性势必会造成影响[9]。因此，碳化降低结构的总孔隙率是碳化影响混凝土孔隙结构的主要表现形式。

4 渗流溶蚀对水工结构的影响

4.1 渗流溶蚀病害

在水压力作用下混凝土作为一种多孔介质会发生渗漏，从而产生溶蚀。其作用机理为：水泥石中的Ca(OH)2随渗漏水溶解流失，水泥石中的Ca2+离子浓度下降并致使水化产物中的其他离子溶出，这种溶蚀现象降低了混凝土的抗渗性和强度。

4.2 渗流溶蚀过程分析

水泥石中的Ca2+离子随渗流过程逐渐溶出，其中Ca(OH)2属于这些Ca2+离子的最初来源，水泥石中的Ca2+离子浓度会随Ca(OH)2的溶出进一步下降，水化产物溶解平衡逐渐被打破，并导致水化产物的其他离子和Ca2+离子的溶出，提高了Si/Ca值。水中的CO32-也可以与Ca2+离子反映生成CaCO3，在较小渗流流速下粗糙的混凝土裂缝表面有CaCO3结晶附着，这为裂缝的自愈提供了必要条件。然而，渗流水逐渐带出CaCO3形成析出物后将逐渐降低这种自愈能力；同时，CaCO3的不断析出也会给水工结构的耐久性和强度带来危害。

5 水工混凝土组合老化机理

5.1 压力作用下的渗流机理

各种荷载及其组合是水工混凝土结构产生裂缝的关键，而裂缝是发生渗流的根本原因。因此，结合相关研究有必要深入探讨水工混凝土在压力作用下的渗流机理：

5.1.1 荷载对渗透性的影响

随应力比η的变化不同强度、不同配合比的混凝土试件渗透系数k的变化特征，不同应力比η/%下的渗透系数k，见表1。从表1可以看出：①混凝土抗压强度与渗透性高度相关，渗透系数越小则混凝土强度越高；②随应力比变化各试件渗透系数的变化规律相同，应力比<60%条件下，随应力比的增大各试件渗透系数呈明显减小趋势；③渗透系数在应力比接近60%时达到最小，渗透系数在渗透系数>60%后快速增加。混凝土渗透性受应力作用而发生改变，这显然与裂缝状态、集料-水泥浆体界面强度等结构变化相关。

表1 不同应力比η/%下的渗透系数k

压力引起一定范围内的新生裂缝及混凝土中与荷载方向偏差较小或与荷载方向平行的原生裂缝，从而增大了结构的渗透性；同时，在一定程度上垂直于压力方向的原生裂缝存在“压合”作用，这降低了结构的渗透性。所以，这两种作用的综合效应即为压力对渗透性的影响。针对综合效应，水泥浆体—集料界面缝在混凝土承受压力f<极限应力fc的30%时能够保持稳定不发生扩展，界面缝在f达到极限应力fc的30-50%时将在过渡区内缓慢扩展，裂缝在f达到极限应力fc的50%以上时就可以扩展到水泥基材中，而f>fc的75%时裂缝在水泥基材中会进一步扩展直至混凝土发生破坏。

5.1.2 混凝土强度、应力比与渗透系数的关系

在应力比≤60%时，随应力比的增大渗透系数呈减小趋势，结合其变化趋势两者之间存在负指数函数关系。因此，可以利用以下公式拟合表1中的试验数据，各参数拟合值，见表2，拟合公式为：

k=k0e-xη

(3)

式中：k为应力比η<60%时混凝土渗透系数；k0、α为无应力状态下的渗透系数和回归系数。

表2 各参数拟合值

由表2可知：①应力比与渗透系数高度相关；②抗压强度与试件渗透性高度相关，即强度越高混凝土试件的渗透系数越小。

综上所述，混凝土渗透性受荷载影响较大，压应力<60%时荷载与混凝土垂直方向会产生原生裂缝，随应力比的增大混凝土渗透系数受一定程度的“压合”作用而近似呈负指数函数减小趋势。在应力>70%极限应力的条件下，裂缝“压合”对渗透性的影响作用已小于荷载引起的裂缝扩张作用。

5.2 弯曲荷载作用下的碳化

CO2通过微裂缝向混凝土内部扩散，而裂缝的形成与发展大多是由荷载所引起的。因此，混凝土碳化率必然会受到结构承受的荷载大小和形式的影响。Caste等学者试验研究了15cm×28cm×300cm梁构件的碳化深度，并认为承受正常荷载时的碳化深度更大。应力与碳化深度存在的关系如下，其表达式为：

(4)

式中：hDso、hσs试件受应力为0和σs处截面上的碳化深度；hDs为有效深度；h为受力方向与试件平行面的高度；σs为弯曲应力；β为经验系数。

弯曲应力的存在加速了砂浆的碳化过程和水泥净浆的硬化，砂浆和水泥浆体的结构变化必然会与这种影响相关联。弯曲应力较大时会引起原生裂缝的扩展和新裂缝的形成，进一步加速碳化。一般地，荷载有促进和限制混凝土碳化收缩两种作用形式，一定应力范围内荷载有利于减缓混凝土的碳化。

5.3 碳化和冻融组合作用的试验研究

水工结构普遍存在碳化和冻融破坏等病害，混凝土的微观结构与其冻融破坏、碳化过程密切相关，水工结构反过来又会受冻融和碳化的影响。因此，混凝土冻融破坏、碳化为相互促进、相互制约的过程，同时碳化能够在不同程度上提高混凝土的抗冻性[10-13]。

5.3.1 原材料分析

混凝土试件及试验所用砂浆、水泥净浆，混凝土试件冻融配合比，见表3。在相对湿度≥90%、温度20℃±2℃、CO2浓度20%±5%标养条件下碳化14d和28d，然后开展冻融循环试验以探讨碳化对水泥基材料抗冻性的影响。

表3 混凝土试件冻融配合比

为了探讨水泥材料碳化性能受冻融循环的影响，利用C-4059型自振频率测试纸测定经不同冻融循环和不同碳化时间后试件的自振频率，计算确定其相对动弹性模量。水泥基材料的相对动弹性模量，见表4。

表4 水泥基材料的相对动弹性模量

5.3.2 数据分析

从表4可以看出：①水泥基材料抗冻性经碳化作用能够得到一定的改善，冻融循环次数相同时，碳化后的混凝土、砂浆和水泥净浆试件的相对动弹性模量有所提高，即碳化试件发生冻融破坏时经历的冻融循环次数更多，但总体变化不太明显；②水泥基材碳化后生成的碳酸钙，沉积于试件内部的毛细孔中，改变了试件的微观结构，即>100μm的毛细孔体积减小而<100μm的有所增大，这种填充作用降低了其总孔隙率，水工结构更加致密。具体而言，>100μm的毛细孔体积减小则代表试件受到的总膨胀减少；由于增大了水分迁移难度，这使得渗透压力的增长变得缓慢，因此碳化增强了试件的抗冻性。在一定碳化程度下，试件的抗冻融破坏能力随碳化时间的延长而增强，碳化14d的试件抗冻性低于碳化28d。

5.4 冻融循环对抗碳化性能的影响

水泥基材料在经历不同冻融循环次数后的碳化试验结果，水泥基材料碳化和冻融后的碳化深度，见表5。

表5 水泥基材料碳化和冻融后的碳化深度

续表5 水泥基材料碳化和冻融后的碳化深度

从表5可以看出：①水泥基材料的抗碳化性能会受冻融作用而大大下降，混凝土、砂浆、水泥净浆以及强度较高或较低的试件，经冻融循环次数越多则抗碳化性能越差。如，经历15次冻融后A2、C2的28d碳化深度分别增加了近50%和70%，其他试件的增加幅度也较为明显；②结合前文分析，冻融循环作用下水泥基材料试件会产生渗透压力和膨胀压力，即水在运动过程中会将原先封闭的孔隙连通，结构内部组织疏松使得总孔隙率增大，并且试件的孔隙率及其受到的破坏程度随着冻融次数的增加而增大。按照碳化机理将增大其碳化系数，因此CO2能够更加迅速的扩散到结构内部，大大降低了其抗碳化性；③针对不同水泥基材料抗碳化能力，从小到大排序依次为混凝土<砂浆<净浆，这是由于试件的密实性和储备Ca(OH)2量的大小是决定水泥基材料碳化速率的关键因素。以上试件中，水泥净浆的密实性和储备Ca(OH)2量最高，所以其抗碳化性能最好。