田偉宇 王振凱 柏春林

（中建八局軌道交通建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

再生混凝土耐久性的影響因素眾多，其耐久性被破壞的主要原因有三點：鋼筋銹蝕、凍融破壞和化學(xué)腐蝕[1]，而硫酸鹽侵蝕是化學(xué)腐蝕中最主要的侵蝕類型，由此可見，研究凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕對混凝土耐久性的影響有著重要意義。毛添鈿[2]的試驗表明：再生混凝土的抗凍性隨水灰比的增大而降低，水灰比越大，其抗凍性越低。仝小芳等[3]通過對再生混凝土抗凍性文獻(xiàn)的綜述,得出結(jié)論：在滿足工作性的前提條件下，可以通過選用較小水灰比的方法來提高再生混凝土強(qiáng)度，使微結(jié)構(gòu)更為密實,從而使其抗凍性能力提高。薛建陽等[4]研究硫酸鹽溶液中再生混凝土的耐久性和力學(xué)性能，結(jié)果表明：合理的配合比有利于改善再生混凝土的耐久性及各項力學(xué)性能；在5%的硫酸鈉溶液侵蝕中，當(dāng)再生骨料取代率較大時，再生混凝土抗壓強(qiáng)度提高。

為了研究凍融循環(huán)和硫酸鹽耦合作用下再生混凝土的耐久性，本文采用“快凍法”對再生骨料取代率為30%，Na2SO4濃度為5%，水灰比分別為0.35、0.45、0.55的再生混凝土進(jìn)行凍融試驗，并對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的試件進(jìn)行質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度損失分析，以抗壓強(qiáng)度表征損傷值，建立損傷模型，進(jìn)行壽命預(yù)測及驗證。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗原材料

本試驗選用P·O42.5R水泥，初凝時間65min，終凝時間5h，28d抗壓強(qiáng)度48.5MPa；天然細(xì)骨料選用含泥量1.0%的中砂，堆積密度148kg/m3，表觀密度2650kg/m3；天然粗骨料粒徑5～15mm，吸水率1.76%；再生粗骨料粒徑5～15mm，吸水率3.1%，原生強(qiáng)度47.2MPa，外加劑采用GJ-1減水劑和SJ-3引氣劑；水為自來水。

1.2 混凝土配合比

依照普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程要求，本試驗共設(shè)計三組水灰比，水灰比分別為0.35、0.45、0.55，具體配合比見表1。

表1 再生混凝土配合比（單位：kg/m3）

1.3 實驗方法

試塊制作成型后帶模養(yǎng)護(hù)24h，拆模后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，溫度為20±1℃，濕度為95%以上。浸泡試塊溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%Na2SO4溶液，提前4d將試件浸泡于15～20℃的原溶液中，依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082—2009）中快凍法進(jìn)行凍融試驗。凍融箱采用KD R-V9系列混凝土快速凍融試驗機(jī)，質(zhì)量測量采用數(shù)顯電子天平，抗壓強(qiáng)度測量采用YES-200B型數(shù)顯式壓力試驗機(jī)。試件放入凍融箱后，每循環(huán)50次擦去表面浮漿觀察并記錄外觀，測定抗壓強(qiáng)度。當(dāng)測得試塊抗壓強(qiáng)度降低大于25%或凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到300次，實驗停止。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量損失分析

在5%Na2SO4溶液和凍融循環(huán)耦合作用下隨凍融循環(huán)次數(shù)變化，水灰比為0.35、0.45、0.55的再生混凝土試塊質(zhì)量損失率如圖1所示。

圖1 質(zhì)量損失率

由試驗數(shù)據(jù)可知，在凍融前期（0～125次），水灰比為0.35、0.45、0.55時，試件的質(zhì)量損失率增長緩慢。分析其原因為：硫酸鈉鹽的存在降低了水溶液的冰點，減輕了凍融循環(huán)對試件的破壞作用，使質(zhì)量損失率增長緩慢。在凍融中期（125～225次），三種不同水灰比試件的質(zhì)量損失率持續(xù)增長，平穩(wěn)增長的是M35、M45組，具有加速增長趨勢的是M55組。隨著凍融循環(huán)試驗的進(jìn)行，Na2SO4溶液隨原始裂縫逐漸侵入試件內(nèi)部，與試件中的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性物質(zhì)并結(jié)晶析出，致使試件質(zhì)量增加，但此過程中由凍鹽破壞造成試件表面漿體及骨料的剝落是質(zhì)量損失的主導(dǎo)因素。在凍融后期（225～300次），三組試件質(zhì)量損失率表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性，其中M45、M55組質(zhì)量損失率迅速增長，分析其原因為：隨水灰比的增大，混凝土內(nèi)部孔隙增多，可凍水增多，凍脹力猛增，原始裂縫發(fā)展較快，使得性能迅速劣化，質(zhì)量損失率加速增長。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

水灰比為0.35、0.45、0.55的再生混凝土試塊在鹽凍作用下隨凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度變化如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度變化

由圖2可知，隨凍融次數(shù)的增多，三組試件的抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢。在凍融循環(huán)300次時，M35、M45、M55組的抗壓強(qiáng)度損失率依次為27.11%、33.02%、37.10%。分析原因為：水灰比過大，膠凝材料較少，粘結(jié)力下降，導(dǎo)致其自身抗壓強(qiáng)度低于其他混凝土試件。凍融循環(huán)200次時，M35組抗壓強(qiáng)度損失率大于M45組，由于水灰比較小的試件存在少量未完全水化膠凝材料，隨著凍融侵蝕進(jìn)入的水分使得試件形成內(nèi)部水化作用，水化產(chǎn)物膨脹應(yīng)力加劇裂縫發(fā)展，促使混凝土強(qiáng)度下降。凍融循環(huán)后期，三組試件抗壓強(qiáng)度均呈直線趨勢上升，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部孔隙水凍脹力與侵蝕產(chǎn)物膨脹應(yīng)力共同作用使裂縫迅速發(fā)展，三組試件抗壓強(qiáng)度迅速降低。

3 以抗壓強(qiáng)度建立損傷模型

以損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，對混凝土遭受硫酸鹽侵蝕與凍融共同作用下抗壓強(qiáng)度變化建立相應(yīng)的凍融損傷演化方程，來分析混凝土材料的內(nèi)部損傷程度。

3.1 混凝土凍融損傷變量

（1）基本假設(shè)：試驗之前，認(rèn)為試件不存在初始損傷；損傷僅為凍融循環(huán)次數(shù)和水灰比的函數(shù)，與其他條件無關(guān)。

（2）混凝土凍融損傷變量D可以定義為：

式中：

D(n)——不同鹽凍循環(huán)次數(shù)后混凝土的損傷；

E(n)——不同鹽凍循環(huán)次數(shù)后動彈性模量；

E0——未經(jīng)鹽凍循環(huán)前的動彈性模量；

n——鹽凍循環(huán)次數(shù)。

（3）根據(jù)混凝土損傷值與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，計算并統(tǒng)計不同組別試件的損傷值D()n，具體情況見表2所示。

表2 不同組別試件的損傷值

3.2 二參數(shù)Weibull模型

王建新[5]研究發(fā)現(xiàn)基于二參數(shù)的Weibull概率分布函數(shù)建立了普通混凝土凍融損傷演化模型，將混凝土受到凍融破壞而失效的密度函數(shù)用p(n)表示，由二參數(shù)Weibull分布可知，p(n)可表示為：

對式（2）進(jìn)行積分，混凝土凍融失效的概率表達(dá)式為：

式中：

α——特征壽命參數(shù)；

β——Weibull形狀參數(shù)。

由式（3）可知，pf(n)隨凍融次數(shù)的增大而增大，當(dāng)pf(n)=1時，結(jié)構(gòu)完全破壞。將概率pf(n)等效為損傷度D(n)，以強(qiáng)度損失率F(n)表征損傷度D(n)，得到基于二參數(shù)Weibull分布的損傷方程為：

移項取對數(shù)得：

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式中：

a——因變量；

b——自變量；

C,D——常數(shù)。

此時，D與n雖然不存在線性關(guān)系，但是關(guān)于D的函數(shù)與關(guān)于n的函數(shù)之間卻存在線性關(guān)系。

由式（6）結(jié)合表2中由試驗數(shù)據(jù)計算所得到的損傷值，計算三組水灰比下的常值參數(shù)C、D，C-D回歸擬合曲線如圖3。

圖3 C-D回歸擬合曲線

將C、D值回帶Weibull分布線性回歸計算常值參數(shù)α、β，得到不同水灰比下再生混凝土的凍融損傷演化方程：

M35組演化方程：

M55組演化方程：

由于不同水灰比會對再生混凝土的動彈性模量損失產(chǎn)生不同影響，從而導(dǎo)致抗凍性的差異，引入水灰比參數(shù)i，對擬合方程α、β進(jìn)行系數(shù)修正，得到包含水灰比i與凍融循環(huán)次數(shù)的損傷演化方程通式為：

式中：

D——損傷值；

n——凍融循環(huán)次數(shù)；

i——水灰比。

由Weibull概率分布所得到的損傷演化方程通式（10）計算相應(yīng)水灰比下不同凍融次數(shù)的各個損傷值，并與文獻(xiàn)[5]進(jìn)行對比驗證，其試驗值、文獻(xiàn)值與擬合曲線對照如圖4所示。

圖4 模型驗證

由二參數(shù)Weibull概率分布計算得到不同凍融次數(shù)下的試驗值、擬合曲線與文獻(xiàn)值對比可知，試驗值與文獻(xiàn)值相差不大，擬合曲線擬合度較高；凍融循環(huán)前期擬合度較高，后期擬合度稍差，分析原因為兩者試驗原材料略有差別，以及引氣劑的使用導(dǎo)致和凍融后期略有差距；從整個凍融循環(huán)過程來看，二參數(shù)Weibull模型能較好地計算損傷值，反應(yīng)再生混凝土的凍融損傷演化規(guī)律。

3.3 壽命預(yù)測

隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，嚴(yán)格按照服役環(huán)境對建筑物進(jìn)行安全使用年限設(shè)計變得尤為重要。因此通過大量數(shù)據(jù)積累獲得室內(nèi)外條件之間的對應(yīng)關(guān)系，從而能較為精確地對實際工程中服役混凝土的壽命進(jìn)行預(yù)測。

3.3.1 壽命預(yù)測方法

再生混凝土的損傷失效過程其實質(zhì)為結(jié)構(gòu)的破壞過程，依據(jù)室內(nèi)外凍融循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，計算混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[6]。

式中：

T——使用壽命；

k——比例系數(shù)，即室內(nèi)一次快速凍融循環(huán)相當(dāng)于室外自然凍融循環(huán)次數(shù)的比例；

F——試驗室中快速凍融次數(shù)；

M——實際環(huán)境中混凝土一年經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)。

3.3.2 抗凍耐久性壽命

根據(jù)以上所建損傷模型，計算極限凍融循環(huán)次數(shù)，由李金玉等[7]研究發(fā)現(xiàn)：我國東北、華北、西北地區(qū)年平均凍融循環(huán)次數(shù)分別為120、84、118次，室內(nèi)外的對比關(guān)系為1∶15。計算損傷預(yù)測模型下不同區(qū)域的再生混凝土在鹽凍作用下的耐久性壽命，計算結(jié)果如表3。

表3 二參數(shù)Weibull模型抗凍耐久性壽命計算

以表3數(shù)據(jù)結(jié)合相對動彈性模量來度量材料損傷程度時，M35組的極限凍融次數(shù)最大，M35、M45組相近，M55組最低；隨著水灰比的增大，再生混凝土壽命逐漸減?。籑35、M45組再生混凝土的抗凍耐久性壽命依據(jù)混凝土抗凍安全性初步的定量化設(shè)計，M35、M45組再生混凝土可在華北地區(qū)港口工程、工民建以及道路橋梁中使用。

表3 C45、C60高流態(tài)特種混凝土經(jīng)濟(jì)效益分析

4 結(jié)束語

（1）水灰比不同的再生混凝土的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度性能變化呈三個階段，依次經(jīng)過緩慢、平穩(wěn)、加速下降過程；隨凍融循環(huán)的進(jìn)行，侵蝕產(chǎn)物不斷累積，內(nèi)部缺陷不斷擴(kuò)展，不利面逐漸顯露，各項指標(biāo)急劇下降，其中水灰比0.55試件表現(xiàn)最為明顯。

（2）再生混凝土在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下宏觀表現(xiàn)形式為質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度下降，其宏觀性能變化受水灰比影響較大，隨水灰比的增大各項性能劣化越顯著。

（3）在凍融循環(huán)次數(shù)相同時，隨水灰比的增大，損傷值越大；在相同水灰比情況下，隨凍融次數(shù)的增加，損傷值呈加速增長趨勢。

（4）從整個凍融循環(huán)過程來看，二參數(shù)Weibul模型能較好地計算損傷值，反應(yīng)再生混凝土的凍融損傷演化規(guī)律。

（5）隨著水灰比的增大，再生混凝土壽命逐漸減小，耦合作用下水灰比為0.35的再生混凝土耐久性能最佳。