肖帥鵬,李宗利,2,張國(guó)輝,李常兵,劉士達(dá),李云波
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100;3.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,昆明 650500)
混凝土材料是非勻質(zhì)多相復(fù)合材料,各相組成的熱變形性能差異大,溫差作用下的不均勻變形會(huì)引起其微裂紋;另外,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化的時(shí)候,混凝土表面溫度變化快,而內(nèi)部溫度變化相對(duì)滯后[1],由此產(chǎn)生明顯的溫度梯度引起的不均勻變形同樣會(huì)產(chǎn)生微裂紋等劣化現(xiàn)象。這種長(zhǎng)期反復(fù)的溫度交變作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生熱疲勞應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)損傷開(kāi)裂現(xiàn)象,從而引起混凝土性能的劣化[2]。
在我國(guó)西北部分地區(qū),溫度變化幅度大,常年處在干燥環(huán)境,不但年溫差大(1986年新疆最高98.4 ℃),日溫差高(1962年新疆最高35.8 ℃),且地面溫度也很高(1974年新疆最高82.3 ℃),這些地區(qū)的環(huán)境溫度變化對(duì)混凝土材料造成的影響十分顯著[3]。目前關(guān)于溫度對(duì)混凝土影響的研究多關(guān)注凍融循環(huán)[4-5]或者高溫[6-7]作用,而對(duì)于自然環(huán)境溫度周期性變化使得混凝土產(chǎn)生熱疲勞損傷方面的研究還相對(duì)較少。韓明明[8]研究了熱疲勞作用對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律,但研究采用的浸水降溫法增加了濕度的影響。An等[9]選擇C60等高性能混凝土來(lái)研究熱循環(huán)(20~65 ℃)對(duì)其毛細(xì)吸收和力學(xué)性能的影響,采用烘箱進(jìn)行升溫,使用20 ℃的環(huán)境箱直接進(jìn)行降溫,不符合自然降溫過(guò)程的同時(shí)也致使混凝土表面不可避免地發(fā)生冷擊效應(yīng),且未進(jìn)行濕度控制。Shokrieh等[10]研究了三個(gè)溫差循環(huán)范圍(-30~25 ℃、25~70 ℃、-30~70 ℃),在25~70 ℃溫差范圍內(nèi)其強(qiáng)度出現(xiàn)了較大退化,其中混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度分別下降了4.9%和17.4%,雖然在熱循環(huán)過(guò)程中考慮了升降溫的穩(wěn)定性,但仍未進(jìn)行濕度的控制。Al-tayyib等[11]的研究表明在20~80 ℃范圍內(nèi)經(jīng)90次熱循環(huán)后,混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別下降32.0%和27.0%,其研究采用烘箱進(jìn)行升溫,并在烘箱中放置24 h自然降溫。Walker等[12]研究了在4.4~60 ℃范圍內(nèi)溫度循環(huán)速率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,研究表明在較高的循環(huán)速率下,混凝土的力學(xué)性能退化更大。王康等[13]研究了混凝土及其組成材料在25~85 ℃范圍內(nèi)的熱脹性,分析了混凝土不同組分的熱脹性能及相互影響。上述研究雖探究了熱疲勞作用下的混凝土宏觀性能演變規(guī)律,但在試驗(yàn)中未進(jìn)行濕度控制。溫度變化會(huì)引起濕度的耦合變化,而濕度的改變會(huì)引起混凝土微觀結(jié)構(gòu)變化,對(duì)力學(xué)性能的影響不容忽視[14-15]。
本文使用高低溫交變濕熱環(huán)境箱嚴(yán)格控制溫濕度,使得混凝土試件始終處于濕度恒定不變的環(huán)境中,探究在不同循環(huán)溫差作用下,不同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土在單一因素(環(huán)境循環(huán)溫差)影響下的力學(xué)性能演變規(guī)律,通過(guò)壓汞法測(cè)定孔隙結(jié)構(gòu),使用非金屬超聲檢測(cè)儀測(cè)定超聲波速變化規(guī)律,從微觀層面探討混凝土熱疲勞作用下的劣化機(jī)理,為橋梁的箱板、路面、水工渡槽等混凝土薄壁結(jié)構(gòu)精細(xì)分析、安全評(píng)價(jià)提供理論支撐。
水泥采用P·C 42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),安定性合格,初凝時(shí)間為259 min,終凝時(shí)間為324 min,細(xì)度為1.5%;細(xì)骨料采用機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)為3.1,級(jí)配區(qū)屬1區(qū)粗砂(級(jí)配合格),含泥量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),石粉含量為4.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),表觀密度為2 750 kg/m3,堆積密度為1 610 kg/m3,有害物質(zhì)含量均在規(guī)定值以下;粗骨料采用碎石,粒徑為5~20 mm的小石,含泥量為0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),表觀密度為2 750 kg/m3,堆積密度為1 480 kg/m3,最大粒徑為20 mm;混凝土拌和用水選用自來(lái)水,滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)混凝土試驗(yàn)用水的要求。
試驗(yàn)相關(guān)儀器分別采用:重慶顥源環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備公司的SDH205P型高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱,工作室尺寸為700 mm×800 mm×900 mm,溫度范圍為-20~100 ℃,溫度均勻度≤2 ℃,溫度波動(dòng)度≤±0.5 ℃,溫度偏差為±2 ℃,濕度范圍為30%~98%;深圳博佳衡器公司的高精度電子天平,精度為0.01 g;北京康科瑞公司的NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀;上海華龍測(cè)試儀器公司的WAW-1 000型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī);美國(guó)Quantachrome公司的PoreMaster GT型(33/60)型壓汞儀,可測(cè)孔徑范圍為7 nm~1 000 μm。
混凝土試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體,拌和、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)過(guò)程按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,混凝土強(qiáng)度等級(jí)包括C25和C40,配合比及抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表1。
表1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比及主要參數(shù)
先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的混凝土試件在室內(nèi)靜置5 d(測(cè)得室內(nèi)平均濕度49%,平均溫度18.7 ℃),隨后放置在環(huán)境箱中。通過(guò)程序控制箱內(nèi)的相對(duì)濕度恒為55%。為了避免試樣在加熱過(guò)程中受到熱沖擊的影響,參考文獻(xiàn)[16]建議加熱速率應(yīng)控制在3 ℃/min左右,故本試驗(yàn)以不大于2 ℃/min的升溫速率將環(huán)境箱在0.5 h內(nèi)從室溫(20 ℃)升至目標(biāo)溫度(40 ℃/50 ℃/60 ℃),在目標(biāo)溫度下放置1.5 h后,再將環(huán)境箱的溫度以相同的降溫速率降至室溫(20 ℃),并在室溫下放置1.5 h。重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程,每一次升溫到恢復(fù)室溫為一個(gè)循環(huán),共400個(gè)循環(huán),溫差循環(huán)制度如圖1所示。
圖1 熱疲勞作用下的試驗(yàn)方法示意圖
按照設(shè)置的溫差范圍、強(qiáng)度等級(jí)和循環(huán)次數(shù)將試件分為34組,每組6塊試件(3塊用于檢測(cè)抗壓強(qiáng)度,3塊用于檢測(cè)劈裂抗拉強(qiáng)度),共204塊,其中10組為對(duì)照組,另24組為試驗(yàn)組。對(duì)溫差循環(huán)前的試件以及不同循環(huán)溫差作用下循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次、200次、300次、400次的試驗(yàn)組試件和同齡期對(duì)照組試件進(jìn)行稱(chēng)重、超聲波檢測(cè)、強(qiáng)度和壓汞試驗(yàn)。
對(duì)不同溫差循環(huán)次數(shù)的混凝土試件稱(chēng)重,試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土試件的平均質(zhì)量損失率均小于0.6%。研究[17]表明,混凝土在80 ℃下僅脫去自由水,不會(huì)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響,由于本文試驗(yàn)的最高溫度為60 ℃,可認(rèn)為在熱疲勞作用下混凝土的性能變化僅來(lái)自溫差作用。另外,為消除齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,在試驗(yàn)過(guò)程中,將對(duì)照組試件放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),待達(dá)到預(yù)設(shè)的溫差循環(huán)次數(shù)時(shí),取試驗(yàn)組和相應(yīng)的對(duì)照組試件同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。
2.1.1 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律
不同強(qiáng)度等級(jí)、循環(huán)溫差下混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度(相對(duì)強(qiáng)度:溫差循環(huán)后的強(qiáng)度與同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度的比值)隨溫差循環(huán)次數(shù)的變化如圖2、圖3所示。
由圖2和圖3可知,C25和C40混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度均呈下降的變化規(guī)律,且下降趨勢(shì)基本一致。在前100次溫差循環(huán)時(shí),強(qiáng)度下降的相對(duì)平緩,100~200次溫差循環(huán)作用時(shí),下降速率明顯增大,而在200次溫差循環(huán)之后,強(qiáng)度下降再次變緩。在20 ℃、30 ℃和40 ℃的循環(huán)溫差作用下,針對(duì)400次溫差循環(huán)作用后的結(jié)果可知,C25混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度分別下降了18.15%、20.59%和23.64%,C40混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度分別下降了22.28%、27.23%和33.67%; C25混凝土相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的降幅分別為25.76%、32.03%和34.64%;C40混凝土相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的降幅分別為29.07%、32.84%和39.31%。由此可知,同一強(qiáng)度的混凝土,循環(huán)溫差越大,其相對(duì)強(qiáng)度下降越多;在相同的循環(huán)溫差作用下,C40混凝土比C25混凝土的相對(duì)強(qiáng)度降幅更大,且劈裂抗拉強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度對(duì)熱疲勞作用更敏感。
圖2 熱疲勞對(duì)混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響
圖3 熱疲勞對(duì)混凝土相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響
2.1.2 熱疲勞作用對(duì)強(qiáng)度的影響分析
隨著熱疲勞作用次數(shù)的增加,混凝土的相對(duì)抗壓強(qiáng)度和相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。一方面,溫度變化過(guò)程中,試件表面與內(nèi)部形成溫度梯度,產(chǎn)生熱應(yīng)力,進(jìn)而形成微裂紋與微孔隙,對(duì)其強(qiáng)度起到劣化作用[1];另一方面,試件內(nèi)粗骨料與砂漿的熱膨脹系數(shù)相差較大,在溫度變化過(guò)程形成熱變形不協(xié)調(diào)或非均勻變形,致使微裂紋出現(xiàn)而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[13]。在整個(gè)熱疲勞作用過(guò)程中,混凝土的強(qiáng)度下降速率由緩到快再到平緩。這是由于在熱疲勞作用前期,試件中未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化,對(duì)混凝土的強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用[14,17-18],在一定程度上抵消了熱疲勞作用對(duì)混凝土力學(xué)性能的劣化效應(yīng);而在100~200次溫差循環(huán)時(shí),由于濕度控制較好,其再水化作用相對(duì)緩和,熱疲勞作用下的損傷占主導(dǎo)地位,因此其強(qiáng)度快速下降;而在200次溫差循環(huán)后,由于熱疲勞作用產(chǎn)生的微裂紋、微裂隙增多且更加粗化,致使各相之間由不均勻變形產(chǎn)生的熱應(yīng)力減小,因此強(qiáng)度下降再次變緩。
研究[19]表明在20~60 ℃的溫度變化過(guò)程中砂漿的熱膨脹系數(shù)隨著水灰比的增加而減小,這表明在熱疲勞作用下,水灰比大的砂漿與粗骨料的熱應(yīng)力差異導(dǎo)致的變形相應(yīng)減小,界面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷作用變?nèi)?;另外,水灰比較大的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,孔隙含量相對(duì)較多,在熱膨脹過(guò)程中為各組分的膨脹提供了較大的緩沖空間,因此C25混凝土較C40混凝土的相對(duì)強(qiáng)度下降幅度小一些。在相同條件下,與相對(duì)抗壓強(qiáng)度相比,熱疲勞作用下混凝土的相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度減小更多。這是由于熱疲勞作用產(chǎn)生的微裂紋等缺陷對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響較抗壓強(qiáng)度更明顯。
不同強(qiáng)度等級(jí)、不同循環(huán)溫差作用以及同齡期對(duì)照組的混凝土超聲波速隨溫差循環(huán)次數(shù)的變化如圖4所示。由圖可知,在熱疲勞作用前,C40混凝土的超聲波速比C25混凝土大,這是由于強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土水灰比相對(duì)較小,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)較致密。同齡期對(duì)照組試件(循環(huán)溫差為0 ℃)的超聲波速均呈上升趨勢(shì),這是由于隨著齡期的增加,未水化水泥顆粒繼續(xù)水化,使得其微觀結(jié)構(gòu)更加致密。試驗(yàn)組試件隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加,其超聲波速均呈下降的趨勢(shì),且其下降趨勢(shì)和規(guī)律與強(qiáng)度一致,這表明在熱疲勞作用下,混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了微裂紋、微裂縫等缺陷。在相同的循環(huán)溫差作用下,C40混凝土比C25混凝土的超聲波速降幅更大。以上結(jié)果也從混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷的角度解釋了不同混凝土力學(xué)性能變化的差異。
圖4 熱疲勞對(duì)混凝土超聲波速的影響
壓汞法是一種測(cè)定混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的常用方法[20]。首先對(duì)C25混凝土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,研究其孔隙結(jié)構(gòu)隨循環(huán)溫差變化的規(guī)律,測(cè)定熱疲勞作用下混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和孔徑分布規(guī)律。不同熱疲勞作用下C25混凝土在不同溫差循環(huán)次數(shù)后的孔隙結(jié)構(gòu)變化如表2所示。
表2 C25混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)變化
由表2可知,經(jīng)過(guò)不同熱疲勞作用后,混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。相同循環(huán)溫差作用下,隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的孔隙率和孔隙總體積均呈增大的趨勢(shì),而孔隙總面積呈減小的趨勢(shì),這是因?yàn)榛炷羶?nèi)部的孔徑在增大,而孔的數(shù)量在減小(即出現(xiàn)了孔的連通)。經(jīng)400次溫差循環(huán)后,隨著循環(huán)溫差的增大,孔隙率和孔隙總體積均呈增大的趨勢(shì),這表明循環(huán)溫差越大,對(duì)混凝土的劣化作用越顯著。相同循環(huán)溫差作用下,混凝土的平均孔徑和中值孔徑隨溫差循環(huán)次數(shù)的增多而增大,經(jīng)400次溫差循環(huán)后,循環(huán)溫差越大,混凝土的平均孔徑和中值孔徑越大,表明熱疲勞作用使混凝土內(nèi)部孔隙呈粗化的趨勢(shì)。
對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行分類(lèi)[21],分為凝膠孔(<10 nm)、過(guò)渡孔(10~100 nm)、毛細(xì)孔(100~1 000 nm)和大孔(>1 000 nm),不同熱疲勞作用下C25混凝土在不同溫差循環(huán)次數(shù)后的各類(lèi)孔徑百分含量如表3所示。
表3 C25混凝土的各類(lèi)孔徑百分含量
混凝土的基本孔隙參數(shù)可以在一定程度上表征熱疲勞作用下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,而其孔徑分布曲線(xiàn)可以更直觀地得到各孔徑范圍的相對(duì)含量。圖5為不同循環(huán)溫差作用下、不同溫差循環(huán)次數(shù)后混凝土各孔徑的孔體積分布情況。孔徑分布曲線(xiàn)呈現(xiàn)出高低主次兩個(gè)峰值點(diǎn),主峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)最可幾孔徑,隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加而增大,且向大孔方向移動(dòng),其值在毛細(xì)孔的孔徑范圍內(nèi);次峰值點(diǎn)隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加而減小,亦向大孔方向移動(dòng),其值在過(guò)渡孔的孔徑范圍內(nèi)。
圖5 孔徑分布曲線(xiàn)
結(jié)合圖5和表3可知,隨著熱疲勞的作用,孔徑分布曲線(xiàn)的主峰和次峰都向大孔方向偏移,即混凝土的孔隙呈現(xiàn)粗化的趨勢(shì),而凝膠孔的含量隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加卻在減小,說(shuō)明混凝土在熱疲勞作用下持續(xù)發(fā)生著再水化作用,使得部分凝膠孔被填充,這也可以解釋為什么混凝土強(qiáng)度在前100次熱疲勞循環(huán)過(guò)程中下降緩慢,而在100次溫差循環(huán)以后,大孔含量的增加起到主導(dǎo)作用,使得其強(qiáng)度下降速率加快。無(wú)論是圖5還是表3都可以看到,隨著熱疲勞的進(jìn)行,孔徑范圍小于100 nm的孔隙含量減小,而大于100 nm的孔隙含量在增加,混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)呈劣化的趨勢(shì)。
不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)存在著差異,導(dǎo)致其在熱疲勞作用下的強(qiáng)度變化有所不同,為揭示高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在熱疲勞作用下的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,對(duì)經(jīng)40 ℃循環(huán)溫差作用后的C40混凝土的壓汞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,其孔隙率及各類(lèi)孔徑百分含量如表4所示。
由表4可知,隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加,C40混凝土的孔隙率呈增大的趨勢(shì)。隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增加,凝膠孔和過(guò)渡孔的含量減小,毛細(xì)孔和大孔的數(shù)量增加,與C25混凝土的結(jié)果一致。因此,在熱疲勞作用下,不論混凝土強(qiáng)度高低,其孔隙結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)粗化和劣化的趨勢(shì)。
表4 C40混凝土的各類(lèi)孔徑百分含量
與C25混凝土相比,C40混凝土的孔隙率相對(duì)較小,且100 nm以下的孔隙含量相對(duì)較多,100 nm以上的孔隙含量相對(duì)較少,這也說(shuō)明強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土(即水灰比相對(duì)較小)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密,這與超聲波試驗(yàn)結(jié)果一致。但在40 ℃循環(huán)溫差的作用下,C40混凝土的孔隙率相對(duì)變化值為71.49%,較C25混凝土的56.04%更大,這也可以從微觀層面說(shuō)明,強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土受熱疲勞作用的劣化影響更加顯著,即其相對(duì)強(qiáng)度下降幅度更大。
(1)熱疲勞作用下,混凝土強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì);同一強(qiáng)度的混凝土,循環(huán)溫差越大、溫差循環(huán)次數(shù)越多,其強(qiáng)度下降越多;C40混凝土的強(qiáng)度下降幅度較C25混凝土更大;劈裂抗拉強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度對(duì)熱疲勞作用更敏感。
(2)熱疲勞作用下,混凝土的超聲波速呈下降趨勢(shì),同一強(qiáng)度的混凝土,循環(huán)溫差越大、溫差循環(huán)次數(shù)越多,其超聲波速下降越多,即內(nèi)部裂隙缺陷出現(xiàn)越多;C40混凝土的初始超聲波速大于C25混凝土,且下降幅度更為顯著,與宏觀力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)。
(3)同一循環(huán)溫差作用下,C25混凝土的孔隙率、孔隙總體積、平均孔徑、中值孔徑、最可幾孔徑均隨著溫差循環(huán)次數(shù)的增多而增大,而孔隙總面積減小,孔徑分布曲線(xiàn)向大孔偏移,小孔含量減少而大孔含量增加,且經(jīng)過(guò)400次溫差循環(huán)后,隨循環(huán)溫差的增大,其孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律亦是如此;與C25混凝土相比,C40混凝土的孔隙率較小而孔隙率相對(duì)變化更大,表明強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土更加致密且更易受熱疲勞劣化作用影響;熱疲勞作用下,混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出粗化的特征且呈劣化的趨勢(shì)。