黃婉琳

(深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000)

0 引 言

混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)是影響水利工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性的重要因素，混凝土性質(zhì)劣化威脅到水利工程的安全性[1-2]。在海洋環(huán)境的侵蝕作用下，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的孔隙，從而導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能變?nèi)鮗3-5]。因此，研究海洋環(huán)境侵蝕條件下水工混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

目前，關(guān)于混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)的研究得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。周攀[6]研究了PAC混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)加入PP后，PAC混合料的干燥收縮和蠕變能力明顯降低，有效改善了PAC的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)。任俊儒等[7]研究了SFIC材料的制備及長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)，指出SFIC的彈性模量約為普通混凝土的1/3，且其蠕變變形受到荷載水平、彈性模量等重要因素的明顯影響。

綜上所述，現(xiàn)有研究較少考慮到海水浸泡時(shí)間作用下混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)。因此，本文在室內(nèi)開展不同滲透壓下的混凝土三軸蠕變力學(xué)試驗(yàn)，揭示海洋環(huán)境侵蝕條件下混凝土長(zhǎng)期力學(xué)行為特征。以期研究成果能為我國(guó)水利工程長(zhǎng)期安全性維護(hù)提供一定思路。

1 工程背景

本次研究依托于我國(guó)某城市的港區(qū)通用泊位工程擴(kuò)建項(xiàng)目。該港區(qū)現(xiàn)已擁有生產(chǎn)用泊位27個(gè)，全部庫(kù)場(chǎng)共占地面積140.56×104m2，糧食存儲(chǔ)能力達(dá)16×104t，且石油化工材料的儲(chǔ)存能力28×104m3。但由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，現(xiàn)有港區(qū)通用泊位已不能滿足建設(shè)需要。考慮到地區(qū)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)擬擴(kuò)大該港區(qū)通用泊位面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步增長(zhǎng)的助力。港區(qū)通用泊位工程擴(kuò)建項(xiàng)目見圖1。

圖1 我國(guó)某城市的港區(qū)通用泊位工程擴(kuò)建項(xiàng)目

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試樣制備

本次試驗(yàn)研究對(duì)象為取自我國(guó)某沿海城市海洋工程所采用的混凝土，通過鉆孔取得直徑為50 mm的圓柱混凝土試樣，參照混凝土相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范[8]，精加工得到φ50 mm×100 mm的圓柱形混凝土試件。不同試驗(yàn)條件下，水工混凝土的物理參數(shù)以及試驗(yàn)條件見表1。

表1 水工混凝土基本參數(shù)及試驗(yàn)條件

2.2 試驗(yàn)方案

為研究海洋環(huán)境侵蝕影響下水工混凝土的長(zhǎng)期力學(xué)特性，室內(nèi)利用混凝土三軸試驗(yàn)設(shè)備，開展不同海水侵蝕時(shí)間下的混凝土三軸蠕變?cè)囼?yàn)。采用分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)法進(jìn)行混凝土的蠕變?cè)囼?yàn)[9-10]，預(yù)設(shè)圍壓為5 MPa條件下開展三軸蠕變?cè)囼?yàn)。此外，第一級(jí)蠕變軸壓為混凝土單軸壓縮強(qiáng)度的40%(10 MPa)，此后每級(jí)按短期強(qiáng)度10%(2.5 MPa)遞增。蠕變?cè)囼?yàn)過程中，先以力控制模式將圍壓加載至5 MPa，再以位移控制模式進(jìn)行軸壓加載。當(dāng)混凝土試件在某級(jí)蠕變荷載下發(fā)生破壞后，停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 蠕變曲線分析

圖2為不同海水浸泡時(shí)間條件下混凝土試件的蠕變時(shí)程曲線。由圖2可知，不同浸泡時(shí)間下的水工混凝土試件蠕變曲線均呈現(xiàn)出典型蠕變曲線特征，即4個(gè)混凝土試樣的蠕變曲線均表現(xiàn)出減速蠕變特征、穩(wěn)態(tài)蠕變特征以及加速蠕變特征。

圖2 不同水壓下混凝土試件蠕變曲線

這表明在軸向荷載和海洋環(huán)境侵蝕的影響下，混凝土在長(zhǎng)期使用時(shí)存在變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)在水工混凝土進(jìn)入加速蠕變階段之前，及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，防止混凝土結(jié)構(gòu)的破壞對(duì)該工程的安全性產(chǎn)生不利影響。

進(jìn)一步分析海水環(huán)境侵蝕對(duì)水工混凝土蠕變壽命的影響發(fā)現(xiàn)，隨著海水侵蝕時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，水工混凝土的蠕變壽命呈逐漸變短的變化趨勢(shì)。當(dāng)海水侵蝕時(shí)間為0 d時(shí)，混凝土的蠕變壽命達(dá)到35.75 d。隨著海水侵蝕時(shí)間的不斷增大，水工混凝土的蠕變壽命逐漸降低，分別為33.44、29.05及28.10 d，相較對(duì)照組混凝土降低7.64%、18.75%及21.40%。由此可見，在海水的持續(xù)侵蝕作用下，混凝土的蠕變壽命會(huì)逐漸變短。因此，及時(shí)而有效地防治海水對(duì)水工混凝土的侵蝕作用(如研究開發(fā)抗海水侵蝕性混凝土)，對(duì)于維持海洋工程的長(zhǎng)期安全性有重要意義。

3.2 蠕變變形量分析

由表2可知，海水侵蝕作用下水工混凝土的變形能力得到一定程度的加強(qiáng)，隨著海水侵蝕時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，混凝土的最大軸向變形逐漸增大。當(dāng)海水浸泡時(shí)間為0 d時(shí)，混凝土試件的最大軸向應(yīng)變?chǔ)?=1.03%；隨著侵蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土的最大軸向應(yīng)變逐漸增大，相較于SC-1試樣，其最大軸向應(yīng)變分別相對(duì)增長(zhǎng) 26.21%、49.51%和58.25%。綜上所述，海洋環(huán)境侵蝕作用下，隨著海水侵蝕時(shí)間的逐漸增大，混凝土試件的蠕變壽命逐漸變短而蠕變變形能力增強(qiáng)。

表2 混凝土軸向變形隨海水浸泡時(shí)間

3.3 長(zhǎng)期強(qiáng)度分析

大量現(xiàn)有研究表明，等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法是確定材料長(zhǎng)期強(qiáng)度的有效方法之一?；诘葧r(shí)應(yīng)力-應(yīng)變理論以及海水侵蝕下水工混凝土的蠕變應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到試樣的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇，見圖3。由圖3可知，該曲線簇上存在明顯的拐點(diǎn)特征。因此可以推知，當(dāng)海水侵蝕時(shí)間為0 d時(shí)，水工混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度為12.60 MPa?；谏鲜龇椒?，同理可得其他水工混凝土試樣的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為11.33、10.54和10.08 MPa。由此可見，海洋環(huán)境的長(zhǎng)期侵蝕會(huì)導(dǎo)致水工混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度持續(xù)下降，會(huì)嚴(yán)重危害海洋工程的長(zhǎng)期安全性及運(yùn)行收益。分析認(rèn)為，這是由于在海水的持續(xù)侵蝕作用下，水工混凝土內(nèi)部不同成分之間的膠結(jié)物質(zhì)被侵蝕，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了大量的損傷作用，導(dǎo)致混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度降低。此外，在海水的沖刷流動(dòng)影響下，混凝土內(nèi)部的細(xì)小顆粒不斷流失，使水工混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低[11-12]。由于海水中含有NaCl、MgCl2、MgSO4、CaSO4等成分，而鎂鹽滲入混凝土內(nèi)部后，能夠與混凝土中的成分發(fā)生陽(yáng)離子反應(yīng)，生成Mg(OH)2和SiO2·H2O。而這兩種化合物均無凝膠特性，會(huì)使混凝土持續(xù)軟化，因海水腐蝕混凝土強(qiáng)度降低。

圖3 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇

根據(jù)大量現(xiàn)有研究成果的調(diào)查與查閱可知，由于海水中存在大量的侵蝕性鹽分，如氯化鈉、氯化鎂、硫酸鎂、硫酸鈣等，當(dāng)海水中的Mg2+滲入到混凝土內(nèi)部后，能夠使水化后水泥的成分發(fā)生強(qiáng)烈的陽(yáng)離子反應(yīng)。所述陽(yáng)離子反應(yīng)的主要機(jī)制如下：

Mg2++Ca(OH)2→Mg(OH)2+Ca2+

(1)

Mg2++3CaO·2SiO2·3H2O→

3Ca2++3Mg(OH)2↓+2SiO2·H2O

(2)

由式(1)、式(2)可以看出，Mg2+與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了兩種成分，即Mg(OH)2與SiO2·H2O。由于這兩種產(chǎn)物均無凝膠特性，而陽(yáng)離子反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行會(huì)使得混凝土軟化。因此，在海水的持續(xù)侵蝕下，水工混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。另一方面，由于水化硫酸鈣分解后的鈣離子與硫酸鹽反應(yīng)后生成膨脹性鹽，膨脹致使混凝土表層開裂，引發(fā)混凝土強(qiáng)度再次劣化。

4 結(jié) 論

1) 在海洋環(huán)境侵蝕的長(zhǎng)期作用下，混凝土強(qiáng)度持續(xù)下降?；诘葧r(shí)應(yīng)力-應(yīng)變理論得到，海水浸泡時(shí)間為0 d時(shí)，混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度σ∞=12.8 MPa；海水浸泡時(shí)間為10、20和30 d時(shí)，混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為11.5、10.6和10.2 MPa。

2) 隨著海水浸泡時(shí)間的逐漸增大，混凝土的蠕變變形能力顯著增強(qiáng)。當(dāng)海水浸泡時(shí)間為0 d時(shí)，混凝土試件的最大軸向應(yīng)變?chǔ)?=1.03%；相較于SC-1試樣，其他混凝土式樣的最大軸向應(yīng)變分別相對(duì)增長(zhǎng)26.21%、49.51%和58.25%。

3) 本次研究?jī)H考慮海水浸泡時(shí)間的影響，而未考慮其他因素如圍壓、混凝土水灰比等因素的影響，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開展更多考慮更多因素的試驗(yàn)研究。