張 偉，溫玉霞

(1.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局義長灌城管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局總干渠管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100)

水工混凝土結(jié)構(gòu)處于具有侵蝕介質(zhì)的環(huán)境下時，其耐久性就會發(fā)生劣化，很多混凝土結(jié)構(gòu)并沒有達到設(shè)計使用壽命[1- 2]。因此，如何提高水工混凝土的耐久性以及如何對其耐久性劣化過程進行準確評估，成為工程及學(xué)術(shù)界的熱門話題之一。

影響水工混凝土耐久性的因素有很多，比如人工砂中石粉含量[3]、礦物摻合量[4]、外加劑的摻合量[5- 7]等。外部環(huán)境同樣也是混凝土耐久性的主要制約條件，如鹽凍環(huán)境、凍融循環(huán)，酸性腐蝕等[8- 9]。水工混凝土經(jīng)常暴露于大氣環(huán)境中，因而會受到碳化作用；處于水位變化的地區(qū)，混凝土還會受到干濕循環(huán)的作用，同時在一些污染比較嚴重的地區(qū)，水環(huán)境中含有較多的酸性物質(zhì)，對混凝土造成侵蝕。目前，很多關(guān)于混凝土的力學(xué)行為研究主要還是集中于單一因素的研究，對復(fù)雜壞境、多場耦合作用下的混凝土耐久性研究還是比較少見，因而本文在前人研究基礎(chǔ)上[10]，對不同配合比下的水工混凝土在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)”作用下的耐久性進行了評價研究，可為工程設(shè)計提供經(jīng)驗借鑒。

1 水工混凝土耐久性評價體系建立

可通過數(shù)學(xué)方法來表達各因素之間的相關(guān)關(guān)系，現(xiàn)實中通常采用灰色關(guān)聯(lián)度的方法，灰色關(guān)聯(lián)度越大，表示關(guān)系越密切；灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法一般分為：確定評價指標、獲取數(shù)據(jù)及確定主行為序列、將數(shù)據(jù)無量綱化、進行關(guān)聯(lián)度計算、指標對比排序等五個步驟。其中，計算關(guān)聯(lián)度的方法有很多種，本文采用鄧氏關(guān)聯(lián)度模型進行計算表達：

R=W×E

(1)

式中，R—關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果矩陣；W—指標權(quán)重矩陣；E—關(guān)系度矩陣。

采用層次分析法進行主管權(quán)重的賦值，首先構(gòu)建判斷矩陣：

(2)

通過判斷矩陣P，求解出最大特征根λ和特征向量w1(a，b，c)，a、b、c表示評價指標，本文研究指標對象為動彈性模量、抗壓強度、質(zhì)量損失三項。

采用嫡權(quán)法進行客觀權(quán)重賦值，其嫡權(quán)矩陣為：

(3)

(4)

式中，W2—客觀權(quán)重矩陣。

再將w1和W2按照式(5)進行耦合計算，得到各評價指標的實用權(quán)重為：

(5)

將式(5)得到權(quán)重矩陣以及關(guān)系度矩陣相乘，即可得到灰色關(guān)聯(lián)度值。通過對關(guān)聯(lián)度值分析，將混凝土的耐久性分為五個等級，見表1。

表1 關(guān)聯(lián)度取值范圍對應(yīng)耐久性評價等級

2 耐久性劣化過程試驗研究

2.1 試驗簡介

試驗采用水泥為當?shù)厮鄰S生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，細骨料細度模數(shù)為2.75，表觀密度2590kg/m3，粗骨料為5～25mm連續(xù)級配，表觀密度2750kg/m3，粉煤灰主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣等，密度為2.05g/cm3，試驗過程中加入一定量的引氣劑。試驗共分為三組配合比，具體配比設(shè)計情況見表2。按照各組試驗配合比制作成邊長為10cm的標準正方形試件，分別進行碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用下的動彈性模量測試、抗壓強度測試以及質(zhì)量損失測試(硫酸鈉溶液濃度為5%，碳化箱中CO2濃度為0.5%，干濕循環(huán)次數(shù)為120次)。

表2 水工混凝土配合比設(shè)計 單位：kg/m3

2.2 動彈性模量劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的相對動彈性模量值隨循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律如圖1所示。從圖中可以觀察到：相對動彈性模量(0～30次)均略有上升，而后呈逐漸下降趨勢，且后期減小過程越來越快，表明后期混凝土經(jīng)過多次的干濕循環(huán)和碳化腐蝕后，其內(nèi)部損傷達到一個閾值，因而其動彈會加速下降；水膠比為0.45和0.5時，其相對動彈性模量相差不大，而水膠比達到0.55，且干濕循環(huán)50次后，其相對動彈性模量的下降速度明顯大于0.45和0.5水膠比下的下降速度，可見適當減小水膠比，可提升水工混凝土在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用下的耐久性。

圖1 相對動彈模量變化規(guī)律

2.3 抗壓強度劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可以看到：抗壓強度耐腐蝕系數(shù)的變化規(guī)律與相對動彈性模量的變化規(guī)律保持一致；在前期，受碳化和硫酸鹽的侵蝕，在混凝土微孔隙和裂隙處產(chǎn)生碳酸鈣鈣礬石填充物，混凝土密實度提高，使強度略有增加，當侵蝕和循環(huán)作用到一定程度后，內(nèi)部出現(xiàn)膨脹和剝落，抗壓強度逐漸下降；水膠比越大，內(nèi)部越不密實，后期受侵蝕的強度劣化越明顯。

圖2 抗壓強度耐腐蝕系數(shù)變化規(guī)律

2.4 質(zhì)量劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的質(zhì)量損失率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。質(zhì)量損失率與抗壓強度的變化原理其實一致，即前期質(zhì)量增加是由于碳酸鈣鈣礬石的產(chǎn)生并填充混凝土微裂隙，當侵蝕和循環(huán)作用到一定程度后，混凝土最薄弱的地方開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，因而質(zhì)量下降；水膠比越大，膨脹剝落作用越明顯，后期的質(zhì)量損失也越大。

圖3 質(zhì)量損失變化規(guī)律

3 復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性評價

根據(jù)式(2)得到構(gòu)建判斷矩陣為：

(6)

其中a=1.316，代入數(shù)據(jù)計算得λ=3.0083，W1=(0.3368，0.4858，0.1774)-1。以S2組實驗數(shù)據(jù)為例，計算得到的各評價指標的相對重要度的嫡權(quán)值矩陣為：W2=(0.347，0.3422，0.3108)-1。通過式(5)計算：可得S2組的實用權(quán)重矩陣為：W=(0.3650，0.4761)。

以實驗數(shù)據(jù)為依托，S2組在循環(huán)10次以后的關(guān)系度矩陣為：

E10=[0.914 0.878 0.814]

(7)

將W和E10相乘，得到最終的關(guān)聯(lián)度R10=0.882，同理，將不同循環(huán)次數(shù)下的實驗值帶入計算，即可得S2組最后的關(guān)聯(lián)度矩陣：

(8)

從R值的變化規(guī)律可以看出，混凝土的耐久性在侵蝕環(huán)境及循環(huán)作用50次后，由“較好”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹械绕顮顟B(tài)，這與上文試驗結(jié)果比較吻合。

根據(jù)上述計算過程，分別得到三組的關(guān)聯(lián)度值變化趨勢如圖4所示。從圖4中可以看出，不同配合比下關(guān)聯(lián)度值變化趨勢表現(xiàn)一致，均是先增加后減小的趨勢，這與相對動彈和抗壓強度的變化規(guī)律一樣，當循環(huán)次數(shù)達到30次后，關(guān)聯(lián)度逐漸減小，表明耐久性逐漸變差，當循環(huán)次數(shù)達到50次后，耐久性由“較好”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸械取?，當循環(huán)次數(shù)達到70次左右時，耐久性由“中等”變?yōu)椤拜^差”狀態(tài)，當循環(huán)次數(shù)達到100次左右時，耐久性狀態(tài)表現(xiàn)為“差”。由此，可以得出不同配合比的混凝土隨侵蝕循環(huán)次數(shù)耐久性的等級評定表，見表3。在大水膠比(0.55)下，混凝土將率先在70次后進入耐久性“較差”狀態(tài)，而0.45和0.5水膠比下，均可達到90次后才進入“較差”狀態(tài)，這對于工程設(shè)計實踐具有重要的參考意義。

4 結(jié)論

針對0.45、0.5以及0.55三組不同水膠比配合比下的混凝土試驗組進行耐久性劣化規(guī)律及評價研究，認為在0.45和0.5水膠比下的混凝土可在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)”作用下堅持更長時間(90次)，其耐久性表現(xiàn)更優(yōu)，而在0.55水膠比下，耐久性稍差，僅能堅持70次左右的循環(huán)侵蝕作用，這對于水工混凝土的合理設(shè)計使用具有重要意義。

圖4 各組關(guān)聯(lián)度值變化規(guī)律

表3 耐久性隨侵蝕循環(huán)次數(shù)評價等級結(jié)果