海洋环境条件海水海砂混凝土加速试验力学损伤评估

2024-02-25何旭HEXu郁邦永YUBangyong司强SIQiang戴玉伟DAIYuwei

价值工程 2024年3期

何旭HE Xu；郁邦永YU Bang-yong；司强SI Qiang；戴玉伟DAI Yu-wei

（①常州工程职业技术学院建工学院，常州 213164；②河海大学土木与交通学院，南京 210098）

0 引言

海洋开发与岛礁建设伴随着大量的离岸土建工程，这需要大量砂石资源与水资源。海水海砂混凝土在沿海与离岸工程中的应用不仅能就地取材节省材料成本与运输成本，同时可以避免由于大量开采河砂引发的环境破坏与资源匮乏等问题。因此海水海砂作为建筑材料在沿海开发和离岸建设中具有重大的应用前景[1]。

通常海洋环境中混凝土的应用从下到上分为浸没区、潮汐区、浪溅区、大气区[2]。在科学研究中通常采用部分浸没的试验模型[3]，力学损伤沿试件高度存在明显差异。为了减少时间成本，学者们通常采用空气温湿循环并且增加侵蚀溶液浓度的方式加速混凝土的劣化[4]。加速侵蚀后混凝土的劣化时间与实际海洋环境中混凝土的劣化时间差异明显。这种力学损伤的时间差异以及沿高度分布的差异增大了海洋环境部分浸没海水海砂混凝土的寿命预测难度。目前没有这种加速效果以及寿命分析的相关研究，从而降低了部分浸没海洋环境加速试验模型的科学价值。

文章根据海水海砂混凝土部分浸没温湿循环加速试验结果，建立海水海砂混凝土力学损伤理论计算模型，并根据动弹性模量预测加速试验后海水海砂混凝土的劣化时间。这项研究对部分浸没温湿循环加速试验模型的应用以及该模型加速效果的研究提供理论支撑。

1 力学损伤模拟模型

在海水化学内侵蚀、外侵蚀、物理结晶侵蚀的联合作用下，温湿循环后部分浸没海砂混凝土不同高度力学强度（抗压强度与动弹性模量）均有一定程度损伤。力学强度损伤与温湿循环时间、试件高度、海水海砂混凝土初始力学强度有关，初始力学强度与细骨料种类和配比有关[5]。因此将温湿循环时间t 后的海水海砂混凝土不同部位力学强度表示为时间t 与初始力学强度（抗压强度fc或动弹性模量Ed）的函数（公式1）：

式中：fc，0—为试件初始抗压强度（MPa）；

Ed，0—为试件初始动弹性模量（GPa）。

以抗压强度函数f（t，fc，0）计算为例，首先考虑函数与初始抗压强度的关系。采用最小二乘法得到：

不同循环时间的ζ1、ζ2和ζ3不同，故ζ1、ζ2和ζ3可表示为：

由此得到抗压强度随循环时间t 与初始抗压强度fc的函数关系：

同理得到动弹性模量随循环时间t 与初始动弹性模量Ed的函数关系：

式中α1、α2、α3、β1、β2、β3、γ1、γ2、γ3均为计算系数。

根据规范GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[6]，动弹性模量降为原动弹性模量60%可认为混凝土损坏，由此根据公式（3）可计算出混凝土损坏时间与对应的损伤部位。

2 模型应用

2.1 部分浸没温湿循环加速试验

海砂混凝土根据拌和材料的不同可以分为海水硅质海砂混凝土（SSC）、海水珊瑚砂混凝土（CSC）和淡水淡化硅质海砂混凝土（DTC），其中SSC 与CSC 为海水海砂混凝土，淡化硅质海砂经过了脱盐处理使得DTC 的化学性质更接近于普通混凝土。海水海砂混凝土部分浸没温湿循环加速试验方案、力学测试方法与结果引用He[5]研究成果。混凝土试件大小为直径71.5mm 高度300mm 的圆柱体，底部70mm 浸没于8 倍海水溶液中，其余高度暴露于空气部分进行温湿循环。

根据实验数据计算海水硅质海砂混凝土初始力学强度与水灰比（W/C）的线性关系为：

海水珊瑚砂混凝土初始力学强度与水灰比的线性关系为：

将公式（4）与公式（5）带入公式（2）与公式（3）中，可以得到温湿循环时间t 后，SSC 或CSC 不同部位抗压强度与动弹性模量理论值。

将试件分为底部、中部与顶部三个部位：浸没区为第一层与第二层圆饼状试块，即为试件底部；试件中部为第三层至第六层；试件顶部为第七层与第八层。试件底部、中部、顶部力学强度即为所在高度范围对应圆饼状试块平均值。计算试件底部、中部与顶部抗压强度与动弹性模量见表1 与表2 所示。