盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性分析

2023-12-14王萧萧冯蓉蓉荆磊刘曙光闫长旺

科学技术与工程 2023年32期

王萧萧, 冯蓉蓉, 荆磊*, 刘曙光, 闫长旺

(1.内蒙古工业大学土木工程学院, 呼和浩特 010051; 2.内蒙古工业大学内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室, 呼和浩特 010051;3.内蒙古工业大学矿业学院, 呼和浩特 010051; 4.生态型建筑材料与装配式结构内蒙古自治区工程研究中心, 呼和浩特 010051)

内蒙古属于寒旱地区,冬季漫长且寒冷干燥,降水量无显著变化,干旱频率高,潜在蒸散量大[1]。沿河套灌区分布的大多数农业“重灌轻排”,导致排水工程过少,造成该地区盐渍化严重[2],使得服役于该地区的水工建筑物遭受多重环境因素(如干湿、冻融、盐渍环境侵蚀)的耦合作用[3]。恶劣的服役环境导致大量水工混凝土结构破坏,提前退役,从而造成了巨大的经济损失。内蒙古有着非常丰富的浮石矿床,乌兰哈达火山群由30多座不同大小的火山组成,其浮石体积含量在1×108m3以上[4],这种天然材料具有多孔、轻质高强、耐酸碱腐蚀、热工性能好等优点[5]。将天然浮石作为粗骨料制备混凝土,其多孔结构特征可有效抵抗冰结晶膨胀压力[6],并且天然浮石混凝土(natural pumice concrete,NPC)在氯盐侵蚀环境中的抗侵蚀能力可以满足工程使用要求[7-8]。因此开展盐侵-冻融-干湿协同耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性和可靠性研究,为其在河套灌区渠道衬砌工程中的应用提供理论参考。

寒冷地区的水利工程混凝土服役性能退化,主要是受到腐蚀介质的侵蚀、温度、湿度的变化等多种损伤因素耦合作用引起的。中外学者对浮石混凝土的耐久性开展了深入研究。刘思盟等[9]进行了橡胶浮石混凝土的抗冻性试验研究,并建立了橡胶浮石混凝土冻融损伤预测模型。Polat等[10]研究了冻融循环作用下天然浮石混凝土的物理力学性能变化规律。Samimi等[11]进行了硫酸盐侵蚀下浮石混凝土的力学性能及耐久性研究。刘倩等[7]研究了天然浮石混凝土在氯盐侵蚀与干湿循环耦合作用下的损伤规律和侵蚀机理。王仁远等[12]研究了天然浮石混凝土在风吹沙蚀和冻融耦合作用下的耐久性变化规律和破坏机理。同时,专家学者对浮石混凝土的耐久性进行了可靠性评估。高矗等[13]对不同损伤应力作用后的天然浮石混凝土抗冻性分析,建立了基于GM(1,1)的抗冻性预测模型。乔宏霞等[14]基于西部地区混凝土寿命退化过程采用Weibull分布函数对寿命进行预测和可靠性评估。目前对于浮石混凝土耐久性的研究集中于单一或双重因素作用下的退化规律研究,对于天然浮石混凝土受多重因素(如冻融、干湿、多种盐离子侵蚀)耦合作用下耐久性研究及可靠性评估尚不充分。

鉴于此,选用河套灌区渠道衬砌实际服役的环境溶液,通过开展盐侵-冻融-干湿耦合作用下的天然浮石混凝土耐久性能试验,研究质量损失率和相对动弹模量的变化规律,结合环境扫描电镜及能谱分析等方法揭示天然浮石混凝土耐久性退化机理。以盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土相对动弹模量实测数据为依据,建立基于Weibull分布的天然浮石混凝土可靠度模型,定量研究盐侵-冻融-干湿耦合作用对天然浮石混凝土耐久性影响并预测其耐久性寿命。研究可以为河套灌区天然浮石混凝土的工程应用提供理论指导。

1 材料与试验方法

1.1 材料和配合比

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)以及《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2020),制备LC20、LC25、LC30不同强度等级的天然浮石混凝土,配合比如表2所示。

表2 天然浮石混凝土配合比Table 2 Mix ratio of natural pumice concrete

1.2 试验方法

试验分别以清水和盐溶液为介质进行清水-冻融-干湿循环和盐侵-冻融-干湿循环,依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的“快冻法”进行冻融循环试验,冻融循环试验过程如图1所示。干湿循环试验采用直立式半浸入方式进行,即试件在介质内浸泡17 h,随后放入80 ℃烘箱中烘干6 h,烘干结束后将试件在干燥环境中冷却1 h至室温,为1次完整的干湿循环,干湿循环试验过程如图2所示。试验采用首先6次冻融循环,然后再进行6次干湿循环作为1次介质-冻融-干湿循环试验。每经历1次介质-冻融-干湿循环后,对试件进行质量和超声波波速的检测,超声波波速与相对动弹模量之间的关系可表示为

图1 冻融循环试验图Fig.1 Freeze-thaw cycle test diagram

(1)

式(1)中:E0为混凝土试样初始动弹模量;Et为经历t次冻融-干湿循环后试样的动弹模量;Er为经历t次冻融-干湿循环试验后试样的相对动弹模量;V0为混凝土初始超声波波速;Vt为经历t次冻融-干湿循环试验后试样的超声波波速。

当天然浮石混凝土试件的质量损失率达到5%或者相对动弹模量下降到60%时,则停止试验。

表3为天然浮石混凝土的试验工况。采用环境扫描电镜对试样进行电镜扫描及能谱化学成分分析,探究多因素耦合作用下天然浮石混凝土的退化机理,并基于概率统计方法对天然浮石混凝土的退化轨迹进行可靠性评估。

表3 天然浮石混凝土的试验工况Table 3 Test conditions of natural pumice concrete

2 试验结果与分析

2.1 宏观性能损伤

图3为不同工况下天然浮石混凝土的质量损失率变化曲线。可以看出,工况一和工况二作用下天然浮石混凝土的质量损失率总体呈现出上升趋势,这是因为在冻融-干湿的循环作用下,天然浮石混凝土试样表面出现裂缝,孔隙结构被破坏,表面材料剥落导致质量损失。在相同循环周期下,工况二作用下质量损失率为工况一的1.16～1.36倍,在盐侵-冻融-干湿耦合作用下,浮石混凝土腐蚀破坏严重,盐溶液加速了混凝土表层材料的脱落。此外,与工况一显著不同的是,工况二作用下天然浮石混凝土在第一次盐侵-冻融-干湿循环后均出现质量损失率的负增长,这是因为在盐侵-冻融-干湿循环初期盐溶液进入试件内部孔隙,盐溶液与混凝土水化产物发生反应生成侵蚀产物,同时孔隙内盐溶液浓度升高导致盐溶液结晶,孔隙内的侵蚀产物与结晶产物共同填充了天然浮石混凝土的内部孔隙[15-16],而此时混凝土尚未出现剥落现象,导致天然浮石混凝土的质量增加。

图3 天然浮石混凝土在不同工况下的质量损失率Fig.3 Mass loss rate of natural pumice concrete under various test conditions

图4为不同工况下天然浮石混凝土相对动弹模量变化曲线。根据图4显示,随着冻融-干湿循环次数的增多,天然浮石混凝土相对动弹模量呈现显著的衰减规律。在相同的冻融-干湿循环周期下,工况二作用下的损伤速率是工况一的1.11～1.14倍,在盐溶液的侵蚀下天然浮石混凝土的劣化速率增加。强度最低的A2组相对动弹模量的衰减速率最快,经受6次盐侵-冻融-干湿循环作用后,相对动弹模量衰减了43.8%,而强度较高的B2、C2组的最大循环周期比A2组分别延长了16.7%和33.4%。由此表明,多因素耦合作用下天然浮石混凝土耐久性能的改善可以通过提高其强度来实现。天然浮石混凝土强度越低,密实度越差,表面孔隙、裂缝越多,盐溶液由混凝土表面裂隙进入混凝土的内部。盐溶液在混凝土内部扩散、结晶[17],在冻融循环与干湿循环的交替作用下导致混凝土内部裂缝扩展[18],造成混凝土内部缺陷,使得天然浮石混凝土耐久性降低。

图4 天然浮石混凝土在不同工况下的相对动弹模量Fig.4 Relative dynamic modulus of natural pumice concrete under various test conditions

2.2 微观机理分析

为了进一步研究盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性退化机理,对A2组天然浮石混凝土进行环境电镜扫描及能谱化学成分分析。

图5 A2组天然浮石混凝土裂缝电镜扫描图Fig.5 SEM images of cracks in natural pumice concrete of group A2

图6 A2组天然浮石混凝土水泥石电镜扫描图Fig.6 SEM images of cement stone in natural pumice concrete of group A2

图7 A2组石块状物的能谱化学成分分析Fig.7 Chemical composition analysisof cement-stone in the A2 group using the energy dispersive spectrum

(2)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2

(3)

3CaSO4·2H2O+Al2O3·xH2O+(26-x)H2O

(4)

在冻融-干湿循环作用初期,盐溶液由天然浮石混凝土表面的微裂缝进入混凝土内部孔隙,与天然浮石混凝土内部的水化产物进行化学反应,生成的膨胀性腐蚀产物以及盐结晶产物[21]填充了浮石混凝土内部孔隙。研究表明,晶体体积膨胀率往往高达130%～300%[22],由此产生的膨胀力导致混凝土的微裂纹进一步扩展贯通,加剧了外部盐溶液的渗透,由此产生了更大的渗透压力与结晶压力。上述反应产物吸水后体积膨胀导致混凝土内部微裂缝的开展。随着冻融循环与干湿循环的交替进行,孔隙中结晶应力和静水压等作用超出孔壁极限抗拉强度而产生裂缝[23],为后期干湿-冻融破坏提供了侵蚀通道与侵蚀空间,盐溶液侵蚀破坏加剧,混凝土内部出现较大孔隙与贯通裂缝等缺陷,天然浮石混凝土表面骨料、胶凝材料出现剥落现象,天然浮石混凝土的劣化速度加快。这也验证了在盐侵-冻融-干湿耦合的作用下天然浮石混凝土的质量与相对动弹模量总体呈现减低趋势,宏观性能变差的原因,微观试验结果为上述宏观性能试验结果做出良好的论证。

3 天然浮石混凝土可靠性评估

在多种因素耦合作用下,混凝土未达到设计规定的使用寿命,就出现剥落、膨胀等现象,通过可靠性评估,科学预测混凝土寿命有着重要意义。在可靠性评估中Weibull分布具有使用较广泛和适用性高等特点,并依据可靠度、概率密度等函数表达,可靠度为混凝土在设计的时间内和多因素耦合作用下仍能继续服役的概率[24-25]。

3.1 阈值确立

根据上述宏观性能试验结果,在不同溶液中进行的冻融-干湿循环试验中,相比于质量损失率,相对动弹模量总是先达到规范要求而停止试验,因此选取相对动弹模量作为混凝土的损伤评价参数能更准确反映天然浮石混凝土的损伤程度。基于相对动弹模量损伤评价参数定义损伤度D=1-Er,以损伤度D为退化数据并作为耐久性评价指标,当D=0.4时认为天然浮石混凝土达到破坏状态[26],为试件的失效阈值。基于多项式回归[27]对多因素耦合作用下损伤度与天然浮石混凝土寿命进行拟合,进而得到天然浮石混凝土在多因素耦合作用下损伤度D=0.4的伪失效寿命,即阈值寿命,结果由表4所示。

表4 多因素耦合作用下天然浮石混凝土的阈值寿命Table 4 Threshold life of natural pumice concrete when many elements are combined

3.2 拟合度检验与模型建立

假设天然浮石混凝土内部是均匀连续的,多因素耦合作用下其内部各点均服从相同损伤退化规律[28]。采用二参数Weibull(以下简称Weibull)分布模型[29],对表4中多因素耦合作用下天然浮石混凝土阈值寿命数据进行A-D检验,判断其阈值寿命是否服从Weibull分布。表5为天然浮石混凝土阈值寿命的Weibull分布检验,由表5可知,天然浮石混凝土阈值寿命服从Weibull分布,因此基于Weibull分布对多因素耦合作用下天然浮石混凝土寿命建立可靠度模型并进行可靠性评估。