于 洋

(中鐵十九局集團第一工程有限公司, 遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

我國東北地區(qū)四季分明，氣候特征顯著。受溫差變化的影響，室外混凝土建筑均出現(xiàn)了不同程度的破損，加之近年來環(huán)境污染導致的酸雨增多，加重了混凝土建筑物的損傷劣化進程。大量混凝土建筑物承載能力降低，嚴重危害了人民的生命財產(chǎn)安全[1-2]。因此，有必要對酸性環(huán)境及凍融循環(huán)耦合作用下混凝土的損傷劣化性質(zhì)進行研究。

近年來，我國學者對混凝土損傷劣化方面的研究成果頗豐。方小婉等[3]對混凝土受外界環(huán)境影響后的物理力學性質(zhì)方面進行了研究，為下一步開展混凝土損傷實驗奠定了基礎(chǔ)。宿小萍等[4]綜合考慮了鹽浸、凍融及干濕三因素對混凝土的影響，通過電鏡掃描、化學成分鑒定及EDX能譜分析等手段對實驗結(jié)果進行了分析。黃靈芝等[5]通過凍融實驗，分析了混凝土損傷層厚度的變化情況，基于三維顆粒流數(shù)值模擬方法建立了損傷混凝土數(shù)值模型。閆景晨等[6]通過數(shù)字圖像技術(shù)(DIC)對幾種不同的混凝土在重復(fù)荷載作用下的損傷情況進行了細觀研究，分析了試樣內(nèi)部裂縫的時空演化規(guī)律。馮忠居等[7]通過室內(nèi)實驗對高寒地區(qū)橋梁樁基混凝土在復(fù)合鹽凍條件下的力學特性進行了研究，分析了各參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)、鹽濃度的變化規(guī)律。王晨霞等[8]通過加載實驗，對再生混凝土的抗凍性進行了研究，分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的損傷劣化情況，并建立了損傷模型。夏京亮等[9]對摻加不同類型巖石粉的混凝土試樣的抗動性進行了研究，對比分析了幾種巖石粉對混凝土抗凍性的效果。王建剛等[10]通過室內(nèi)加載實驗，對再生混凝土進行了不同碳化程度、不同凍融循環(huán)次數(shù)及干濕循環(huán)次數(shù)下的耐久性實驗研究。何曉雁等[11]通過抗壓強度實驗，掃描電鏡及X射線衍射實驗對不同橡膠摻量的混凝土進行了研究，分析了酸性腐蝕和凍融雙重影響后混凝土的物理力學性質(zhì)。張信龍等[12]針對寒區(qū)混凝土的損傷劣化問題，對不同尾礦砂摻量的混凝土進行了實驗研究，分析了酸性環(huán)境及凍融作用下混凝土的破壞機制。李北星等[13]通過抗壓強度實驗及室內(nèi)檢測實驗，對酸性環(huán)境腐蝕、凍融循環(huán)作用后的混凝土進行了實驗研究。王凱等[14]通過酸性環(huán)境下混凝土動彈模量的退化規(guī)律，分析了酸性環(huán)境對混凝土的損傷劣化機制。張向東等[15]通過抗壓強度實驗，研究了煤矸石混凝土在酸性環(huán)境和凍融雙重作用下的損傷劣化機制。Han等[16]通過三軸壓縮實驗對不同化學溶液作用下混凝土的力學特性及凍融損傷機制進行了研究。Segovia等[17]對化學腐蝕作用下鋼筋水泥混凝土的損傷劣化機制進行了研究，建立了一個力學和電化學模型。Ding等[18]通過室內(nèi)實驗，對凍融循環(huán)和干濕循環(huán)耦合作用下混凝土的物理力學性質(zhì)進行了分析。Shi等[19]通過稀釋除冰劑對硅酸鹽水泥混凝土的凍融損傷和化學變化進行了實驗研究

綜上分析，已有結(jié)論對混凝土受凍融及酸性環(huán)境腐蝕影響進行了較為詳細的研究，但對碳酸鹽-凍融耦合對混凝土物理力學特性的研究相對較少?；诖耍P者在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合沈陽某高層民用建筑的工程背景，對不同碳酸鹽侵蝕時間、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試樣進行了加載前后的實驗研究，分析了二者對混凝土的物理力學性質(zhì)損傷劣化規(guī)律及破壞機理，并通過Origin軟件建立了凍融、酸性腐蝕時間耦合作用下的預(yù)測模型，以期能夠為工程實際提供可靠的技術(shù)支持。

1 實 驗

1.1 材料

水泥采用阜新鷹牌水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥；粉煤灰取自阜新清河門金山熱電廠的Ⅱ級粉煤灰；細骨料采用常見的普通河沙，細度模數(shù)為2.42；粗骨料采用不同級配碎石，粒徑區(qū)間為5.0～16.0 mm；減水劑采用阜新金凱化工有限公司生產(chǎn)的高效減水劑,w=0.5%；水采用普通生活用水。根據(jù)工業(yè)與民用建筑用混凝土相關(guān)設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合工程實際，每立方米混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

1.2 方法

為研究碳酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用下建筑混凝土的損傷劣化規(guī)律，以Na2CO3溶液模擬混凝土所處的碳酸鹽環(huán)境，分析Na2CO3溶液不同濃度、浸泡時間對混凝土的影響。將浸泡后的混凝土進行凍融循環(huán)實驗，分析凍融循環(huán)對混凝土的影響。最后，對Na2CO3溶液浸泡、凍融后的混凝土試樣進行單軸壓縮實驗，分析混凝土受碳酸鹽與凍融循環(huán)耦合作用后的力學特性。

(1)腐蝕實驗。將制備好的混凝土試樣置于質(zhì)量分數(shù)為15%的Na2CO3溶液中，設(shè)置浸泡時間分別為24、48、72、96 h。待浸泡達到浸泡時間后，擦干表面多余液體稱重，拍照記錄試樣表面侵蝕情況。

(2)凍融實驗。將腐蝕后的混凝土試樣置于快速凍融實驗箱中，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為10、20、30、40次。待達到指定凍融循環(huán)次數(shù)后，取出試樣再稱重，拍照記錄試樣表面破損情況，對實驗進行聲波檢測。

(3)單軸壓縮實驗。單軸壓縮實驗在MTS815.02多功能伺服三軸實驗系統(tǒng)上完成。實驗用混凝土試件為高100 mm、直徑50 mm的標準圓柱體。凍融循環(huán)實驗及單軸壓縮實驗具體操作過程與韓鐵林等[20]的研究方法相同，不再詳細介紹。

2 結(jié)果分析

2.1 物理性質(zhì)

圖1為加載前試樣的質(zhì)量損失率、聲波損失率凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同浸泡時間下混凝土試樣的質(zhì)量損失率km逐漸增大，縱波波速的損失率kv同樣逐漸增大；同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率同樣隨浸泡時間的延長逐漸遞增。根據(jù)實驗結(jié)果，以浸泡時間48 h為例，當凍融循環(huán)10次時，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率分別為0.32%和0.65%；當凍融循環(huán)增至40次時，兩指標的損失率分別增大至0.63%和1.36%。以凍融循環(huán)20次為例，當浸泡時間為24 h時，試樣的質(zhì)量損失率與縱波波速損失率分別為0.39%和0.59%；當浸泡時間延長至96 h時，量指標的損失率分別增大至0.69%和1.63%。可見，碳酸鹽與凍融循環(huán)顯著加速了混凝土的損傷劣化。

碳酸鹽與混凝土反應(yīng)能產(chǎn)生一定量碳酸鈣，并在溶液中溶解，導致試樣的質(zhì)量減輕，波速降低；凍融循環(huán)使得試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不斷承受收縮膨脹作用，顆粒間黏結(jié)強度降低，導致試樣表面出現(xiàn)剝落碎屑，進而導致試樣的質(zhì)量減輕，波速降低。碳酸鹽與凍融循環(huán)相互促進，其中，凍融循環(huán)引發(fā)的凍脹應(yīng)力可加快混凝土表面腐蝕產(chǎn)物的脫落以及內(nèi)部新裂縫的產(chǎn)生，并促使已有微裂縫擴展以至貫通，從而為碳酸鹽腐蝕介質(zhì)的進一步侵入提供快速通道。

圖1 質(zhì)量、縱波波速損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 1 Relationship between mass, p-wave velocity loss rate and number of freeze-thaw cycles

2.2 碳酸鹽影響

對碳酸鹽不同浸泡時間、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試樣進行單軸壓縮實驗，計算不同實驗條件下試樣的抗壓強度及彈性模量，并繪制二者對浸泡時間、凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，以此來分析混凝土試樣的強度參數(shù)的劣化規(guī)律。

圖2 強度參數(shù)與碳酸鹽浸泡時間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between strength parameters and soaking time of carbonate

2.3 凍融循環(huán)影響

圖3為混凝土試樣的抗壓強度與彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線。由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同浸泡時間下試樣的抗壓強度、彈性模量均呈逐漸遞減變化趨勢。以浸泡時間48 h為例，當凍融循環(huán)10次時，混凝土試樣的抗壓強度為76.47 MPa，彈性模量為10.59 GPa；當凍融循環(huán)次數(shù)分別為20、30、40次時，試樣的抗壓強度分別減小了17.44%、32.66%和49.73%，彈性模量分別減小了22.24%、26.18%和38.67%?？梢?，混凝土在凍融循環(huán)下承載能力顯著降低，且凍融循環(huán)次數(shù)越多，試樣的承載能力越低。原因是混凝土在凍融循環(huán)作用下，其內(nèi)部孔隙中的水分不斷的進行固態(tài)與液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化，體積則不斷的在膨脹與收縮之間循環(huán)，混凝土孔隙周圍的骨架結(jié)構(gòu)不斷進行拉伸作用，使得骨架的承載能力降低。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部骨架在反復(fù)拉伸作用下迅速屈服，凍融導致的損傷逐漸減小，使得抗壓強度和彈性模量降幅逐漸減小，曲線逐漸趨緩。

圖3 強度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between strength parameters and number of freeze-thaw cycles

2.4 碳酸鹽-凍融耦合影響

圖4為混凝土強度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)、碳酸鹽浸泡時間的三維分布曲面。從圖4可以明顯看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)和碳酸鹽溶液浸泡時間的同時增加，混凝土試樣的抗壓強度、彈性模量均呈逐漸減小的變化趨勢。產(chǎn)生強度參數(shù)遞減的原因與前文一致，需要補充的是在碳酸鹽-凍融耦合作用下，混凝土試樣的劣化程度加重，碳酸鹽侵蝕導致試樣表面及內(nèi)部孔隙增大，孔隙中水分增多，凍融循環(huán)導致孔隙中水分凍結(jié)膨脹作用更強，進而骨架結(jié)構(gòu)拉伸更嚴重。采用Origin軟件對抗壓強度、彈性模量同時隨凍融循環(huán)和浸泡時間進行三維曲面擬合，發(fā)現(xiàn)兩參數(shù)與凍融循環(huán)和浸泡時間之間關(guān)系為

(1)

式中：Z——強度參數(shù)；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

t——碳酸鹽浸泡時間；

Z0、B、C、D——擬合參數(shù)。

混凝土抗壓強度的擬合參數(shù)Z0、B、C、D分別為23.41、86.72、186.06、44.44，相關(guān)系數(shù)R2為0.983 7。混凝土彈性模量的擬合參數(shù)Z0、B、C、D分別為5.10、12.02、95.51、37.20，相關(guān)系數(shù)R2為0.920 3。由此可知，文中混凝土的強度參數(shù)與凍融循環(huán)和浸泡時間相關(guān)度均在0.9以上，具有較好的相關(guān)性。

圖4 強度參數(shù)與凍融循環(huán)、浸泡時間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between strength parameters and freeze-thaw cycle and soaking time

3 結(jié) 論

(1)逐漸增加凍融循環(huán)次數(shù)，不同浸泡時間下混凝土試樣的質(zhì)量損失率和縱波波速的損失率逐漸增大。同一凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣質(zhì)量損失率與縱波波速損失率同樣隨浸泡時間的延長逐漸遞增。

(2)同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著碳酸鹽浸泡時間的逐漸延長，試樣抗壓強度、彈性模量均呈逐漸遞減變化趨勢，且降幅逐漸減小。同一碳酸鹽浸泡時間下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣抗壓強度、彈性模量均呈逐漸遞減的變化趨勢，且降幅逐漸減小。

(3)Origin軟件三維曲面擬合顯示，混凝土的強度參數(shù)與凍融循環(huán)、碳酸鹽腐蝕時間之間滿足指數(shù)函數(shù)遞減關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表明文中所得指數(shù)函數(shù)適用于凍融循環(huán)與碳酸鹽腐蝕下的混凝土強度預(yù)測。