于蕾，張君，張金喜，馬寶成

(1.清華大學(xué)土木系建筑材料研究所，北京100084;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京100088;3.北京工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，北京100124)

水泥混凝土宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的研究，早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)發(fā)展成為對(duì)水泥混凝土性能劣化機(jī)理研究的最主要學(xué)科方向之一［1］。國(guó)際著名水泥混凝土材料專(zhuān)家Neville指出“孔隙可以用于預(yù)測(cè)混凝土的各方面性能”［2］。已有大量研究表明混凝土宏觀性能和微觀孔構(gòu)造特征參數(shù)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。雖然國(guó)內(nèi)外研究普遍認(rèn)同混凝土孔結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響混凝土宏觀性能，但多定性結(jié)論［3-7］，建立孔構(gòu)造特征參數(shù)同混凝土宏觀性能數(shù)量關(guān)系的研究很少，建立多種劣化因素作用下宏微觀關(guān)系的研究更是少見(jiàn)。

研究以交通基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常承受的干濕循環(huán)(大氣相對(duì)濕度周期變化)、氯鹽侵蝕(除冰鹽，沿海地區(qū)，大氣中存在氯離子)、碳化(CO2占大氣組成0.03%)和凍融循環(huán)(四季交替，季節(jié)凍土)4種劣化因素為對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行模擬自然環(huán)境的多種劣化因素綜合作用的混凝土耐久性試驗(yàn)。建立宏微觀數(shù)量關(guān)系，以期能從微觀角度定量描述混凝土的宏觀性能。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥采用普通42.5號(hào)硅酸鹽水泥;粉煤灰為F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰;普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.78;粗集料粒徑范圍5～15 mm;自來(lái)水;聚羧酸減水劑，減水率20%;松香引氣劑，摻量0.1‰時(shí)，新拌混凝土含氣量約為3%。

1.2 試驗(yàn)配合比

試件制備與成型依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)進(jìn)行，配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

干濕循環(huán)與氯離子綜合作用階段，選用鹽害促進(jìn)試驗(yàn)機(jī)，保證在不干擾試件，保持試件靜止?fàn)顟B(tài)下，對(duì)浸泡、烘干及冷卻過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。試驗(yàn)機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖Fig.1 Operating principle

將試件擺放在干燥箱中，設(shè)定干燥溫度(50± 5)℃，恒溫水箱水溫(25±5)℃，鼓風(fēng)干燥24 h后，水自動(dòng)從恒溫鹽水箱進(jìn)入干燥箱，設(shè)定試件浸潤(rùn)24 h，水自動(dòng)從干燥箱回流至恒溫水箱，如此干濕循環(huán)作用15次。

將相同配合比相同數(shù)量的另一批試件放入干燥箱，在恒溫水箱中注入鹽水，設(shè)定恒溫水箱中水溫(25±5)℃，鹽水濃度(3±0.5)%，鼓風(fēng)干燥24 h后，鹽水自動(dòng)從恒溫鹽水箱進(jìn)入干燥箱，設(shè)定試件浸潤(rùn)24 h，鹽水自動(dòng)回流至恒溫水箱，如此干濕循環(huán)與氯鹽侵蝕耦合循環(huán)作用15次。

將干濕循環(huán)與氯鹽侵蝕綜合作用后的試件放入碳化箱，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)［8］中碳化試驗(yàn)的溫度、濕度、二氧化碳濃度條件設(shè)定后，碳化28 d。取出試件放入自動(dòng)快凍快融試驗(yàn)設(shè)備中，按照快凍法試驗(yàn)條件及凍融破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

每個(gè)環(huán)境作用階段結(jié)束，依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)［9］進(jìn)行試件抗壓強(qiáng)度及動(dòng)彈模量測(cè)量。

每個(gè)環(huán)境作用階段結(jié)束，取一立方體試塊，用小錘敲打成大塊后，用顎式破碎機(jī)破碎，將碎顆粒放入標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，取0.075～2.36 mm粒徑試樣，人工挑選純砂漿顆粒20 g左右(要求:無(wú)針片狀顆粒，無(wú)石子裹覆，無(wú)成型面，近似圓形)，放入超聲波清洗儀清洗5 min，取出放入托盤(pán)攤開(kāi)，放入烘干箱中，(25±5)℃烘 20 min后(105± 5)℃烘24 h，取出晾涼，用分析天平稱量4～5 g左右，依據(jù)《用壓汞法和氣體吸附法評(píng)價(jià)材料的孔徑分布和孔隙率》(ISO 15901)［10］進(jìn)行水泥混凝土孔徑分布測(cè)定。

1.4 試驗(yàn)階段編號(hào)

為明確各劣化作用階段試件受作用情況，將各試驗(yàn)階段進(jìn)行編號(hào)如表2所示。NONE代表對(duì)照組，對(duì)照組一直放在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，每個(gè)階段末取出與試驗(yàn)組一同進(jìn)行平行試驗(yàn)。DW代表干濕循環(huán)作用，NCL代表氯鹽侵蝕，C代表碳化作用，F(xiàn)T代表凍融循環(huán)作用;DW+NCL代表干濕循環(huán)和氯鹽侵蝕綜合作用，DW+NCL+C代表干濕循環(huán)、氯鹽侵蝕和碳化3因素綜合作用，DW+NCL+C+FT代表干濕循環(huán)、氯鹽侵蝕、碳化以及凍融循環(huán)4因素綜合作用。

表2 試驗(yàn)階段編號(hào)及說(shuō)明Table 2 Experiment step mark and introduction

2 微觀孔結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能影響量化

2.1 相對(duì)變化率指標(biāo)

相對(duì)變化率指標(biāo)用來(lái)表征水泥混凝土經(jīng)受環(huán)境因素i作用后的性能變化情況，計(jì)算公式如下:

式中:Ri代表環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標(biāo)相對(duì)變化率，%;Pi代表環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值;P0代表標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值。

2.2 加權(quán)孔級(jí)配指標(biāo)

由于凝膠孔、過(guò)渡孔、毛細(xì)孔、大孔對(duì)水泥混凝土宏觀性能的影響情況并不相同，且各孔含量隨多因素作用此消彼長(zhǎng)，選擇其中某一指標(biāo)作為參數(shù)表征孔級(jí)配特點(diǎn)欠妥，運(yùn)用歸一化方法［11］，引入“加權(quán)孔級(jí)配”概念，它可以綜合表征水泥混凝土各類(lèi)孔對(duì)某一宏觀性能的影響，用符號(hào)RWPG表示。記凝膠孔對(duì)宏觀性能增長(zhǎng)的權(quán)重系數(shù)為ωG，過(guò)渡孔對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)ωT，毛細(xì)孔對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為ωC，大孔對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為ωM，則

式中:RG為環(huán)境因素i作用后，凝膠孔含量變化率，%;RT為環(huán)境因素i作用后，過(guò)渡孔含量變化率，%;RC為環(huán)境因素i作用后，毛細(xì)孔含量變化率，%;RM為環(huán)境因素i作用后，大孔含量變化率，%;ωG為凝膠孔對(duì)某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù); ωT為過(guò)渡孔對(duì)某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù);ωC為毛細(xì)孔對(duì)某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù);ωM為大孔對(duì)某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)AHP算法中的標(biāo)度原理［12］，以提高抗壓強(qiáng)度為判斷準(zhǔn)則，標(biāo)度各孔級(jí)配參數(shù)，對(duì)各孔級(jí)配指標(biāo)兩兩比較，建立判斷矩陣如下

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與式(3)，按照式(2)計(jì)算得到各孔級(jí)配指標(biāo)的排序結(jié)果為:(0.60，0.30，0.07，0.03)。記為

同理，對(duì)于混凝土抗氯離子滲透性有:

對(duì)于混凝土抗剝蝕性有:

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

宏觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果列于表3，微觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果列于表4～6。

表3 宏觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Macro-performance test data

表4 1#混凝土微觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Pore structure test data on 1#concrete

表5 2#混凝土微觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Pore structure test data on 2#concrete

表6 3#混凝土微觀指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Pore structure test data on 3#concrete

2.3.2 微觀孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)分析

由式(1)及表3～6所列試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)宏微觀指標(biāo)的相對(duì)變化率，將宏觀性能表征指標(biāo)變化率與微觀孔結(jié)構(gòu)表征指標(biāo)變化率進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析［11］，得到不同孔結(jié)構(gòu)表征指標(biāo)對(duì)水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度，如表7～9所示。

表7 1#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)與宏觀指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation degree between pore structure and macro performance for 1#concrete

表8 2#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)與宏觀指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 8 Correlation degree between pore structure and macro performance for 2#concrete

表9 3#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)與宏觀指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Table 9 Correlation degree between pore structure and macro performance for 3#concrete

2.4 孔級(jí)配參數(shù)的整合

根據(jù)2.2節(jié)各孔級(jí)配指標(biāo)對(duì)強(qiáng)度的權(quán)重值，與2.3節(jié)各孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)對(duì)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度，加權(quán)計(jì)算孔級(jí)配參數(shù)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)度:

由此得到3種配合比水泥混凝土孔級(jí)配參數(shù)對(duì)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度分別為0.783 2，0.626 8，0.682 2。

同理，計(jì)算3種配合比水泥混凝土孔級(jí)配參數(shù)對(duì)非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)的關(guān)聯(lián)度分別為0.783 2，0.590 2，0.440 3.對(duì)損傷的關(guān)聯(lián)度分別為0.765 9，0.618 5，0.553 2。

2.5 孔徑分布參數(shù)優(yōu)選

基于灰色關(guān)聯(lián)理論及孔徑分布參數(shù)的實(shí)際意義，結(jié)合前人研究，設(shè)定孔徑分布參數(shù)優(yōu)選原則:1)將同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中關(guān)聯(lián)度相近指標(biāo)剔除;2)將同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中關(guān)聯(lián)度較小指標(biāo)剔除;3)考慮同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中不同指標(biāo)幾何意義及物理意義差異;4)參考前人對(duì)孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)與宏觀指標(biāo)關(guān)系研究。

如圖2所示，對(duì)于不同配合比水泥混凝土，孔徑分布特征參數(shù)中分形維數(shù)、平均孔徑、最可幾孔徑指標(biāo)與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度隨水泥混凝土配合比不同變化趨勢(shì)相似，按優(yōu)選原則1，可選三者其中任一指標(biāo)代表孔徑分布參數(shù)與強(qiáng)度建立關(guān)系。根據(jù)優(yōu)選原則2，臨界孔徑指標(biāo)與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)度較低，予以剔除。

圖2 不同配合比混凝土孔徑分布參數(shù)對(duì)強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度Fig.2 Correlation degrees between compress strength and pore diameter distribution parameters for different concretes

考慮優(yōu)選原則3，最可幾孔徑幾何意義是出現(xiàn)幾率最大的孔徑，也即孔徑分布曲線峰值所對(duì)應(yīng)的孔徑，物理意義是小于該孔徑則不能形成連通的孔道，而連通性與混凝土抗?jié)B關(guān)系較強(qiáng)，在強(qiáng)度分析中予以剔除。

優(yōu)選原則4，考慮前人對(duì)孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系的研究［2-5］，選擇能夠綜合表征孔徑分布情況的分形維數(shù)指標(biāo)作為孔徑分布參數(shù)建立同強(qiáng)度的關(guān)系。

同樣的分析方法，選取臨界孔徑作為孔徑分布參數(shù)及平均孔徑分別建立其同抗氯離子滲透性及損傷同孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2.6 孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對(duì)宏觀性能的影響權(quán)重

由2.4節(jié)孔級(jí)配參數(shù)整合與2.5節(jié)孔徑分布指標(biāo)優(yōu)選，將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，將4種孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對(duì)各宏觀性能影響程度權(quán)重匯編于表10。

表10 孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對(duì)宏觀性能影響權(quán)重Table 10 Weight value from pore structure to macro performance

3 宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)定量關(guān)系模型

由2.5節(jié)及表8，建立水泥混凝土宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系:

表11 模型權(quán)重參數(shù)取值Table 11 Weight value in model

4 結(jié)論

研究以交通基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常承受的干濕循環(huán)(大氣相對(duì)濕度周期變化)、氯鹽侵蝕(除冰鹽，沿海地區(qū)，大氣中存在氯離子)、碳化(CO2占大氣組成0.03%)和凍融循環(huán)(四季交替，季節(jié)凍土)4種劣化因素為對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行模擬自然環(huán)境的多種劣化因素綜合作用的混凝土耐久性試驗(yàn)。測(cè)試不同劣化階段水泥混凝土的抗壓，抗?jié)B及抗凍性能;用壓汞法測(cè)得對(duì)應(yīng)劣化階段水泥混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)值;基于灰色關(guān)聯(lián)理論，對(duì)微觀孔結(jié)構(gòu)指標(biāo)與宏觀性能指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，具體結(jié)論如下:

1)將宏觀性能表征指標(biāo)相對(duì)變化率與微觀孔結(jié)構(gòu)表征指標(biāo)相對(duì)變化率進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到不同孔結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)與水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度。

2)依所研究的宏觀性能指標(biāo)，對(duì)孔徑分布參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)孔級(jí)配參數(shù)進(jìn)行整合，最終保留了與宏觀性能指標(biāo)聯(lián)系最為緊密的微觀孔結(jié)構(gòu)特征指標(biāo);將不同孔結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)對(duì)水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，得到4種孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對(duì)各個(gè)宏觀性能影響程度的權(quán)重值。

3)建立了各宏觀指標(biāo)與微觀孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)相對(duì)變化率之間的量化關(guān)系模型，該量化關(guān)系模型可以用來(lái)評(píng)價(jià)宏觀性能在多種劣化因素綜合作用后的劣化程度。所得宏觀性能衰變指數(shù)用來(lái)衡量由于微觀孔結(jié)構(gòu)特征的變化導(dǎo)致的宏觀性能變化情況。

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