李彥鋒

(盤錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124000)

近年來(lái),水工混凝土抗凍融和抗碳化耐久性能逐漸引起廣大學(xué)者的關(guān)注,其中凍融破壞問(wèn)題大多集中于西北、華北和東北地區(qū),并且以東北為代表的嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土凍融破壞最為嚴(yán)重[1]。有許多研究探討了混凝土凍融破壞機(jī)理,但主要側(cè)重于混凝土自身材料的性能分析,而較少考慮工程結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境狀態(tài),在受凍融破壞的同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件必然承受荷載,必須考慮荷載對(duì)混凝土凍融破壞的影響,特別是荷載復(fù)合作用是導(dǎo)致混凝土劣化破壞和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的重要因素,這是一個(gè)交互作用與損傷疊加的過(guò)程[2-4]。許露露等[5]認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土強(qiáng)度等級(jí)與其抗凍性能存在密切聯(lián)系;陳妤等[6]通過(guò)研究?jī)鋈谘h(huán)作用下預(yù)應(yīng)力海工混凝土耐久性發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力混凝土受凍融循環(huán)作用的影響較大,這是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的一種基本動(dòng)力;孫偉等研究了凍融循環(huán)與彎曲荷載耦合作用的混凝土性能,結(jié)果顯示荷載與凍融耦合作用明顯高于單因子作用的劣化損傷程度;羅小勇等[7]分析了混凝土碳化性能受不同應(yīng)力作用的影響,結(jié)果表明拉應(yīng)力可以加速碳化,而壓應(yīng)力有利于降低碳化速度。雖然有學(xué)者探討了混凝土在荷載作用下的耐久性能,但尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論,特別是多種工況下的水工混凝土耐久性研究還鮮有報(bào)道。因此,文章結(jié)合有關(guān)試驗(yàn)研究方法,深入探討了水工混凝土抗凍性及抗碳化性能受不同應(yīng)力條件的影響作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1)水泥。采用渾河P·MH42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥,比表面積320m2/kg,氯離子0.028%,堿含量0.61%,三氧化硫1.88%,燒失量1.05%。

2)粉煤灰。遼寧中電工程有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度20.5%,燒失量4.0%,需水量比98%,含水量0.5%,強(qiáng)度活性指數(shù)86%,三氧化硫1.2%,游離CaO含量0.3%。

3)粗細(xì)骨料。砂選用細(xì)度模數(shù)2.5的天然河砂,表觀密度2510kg/m3,微粒含量5.2%,含泥量0.2%;石選用花崗巖碎石,5～20mm連續(xù)級(jí)配,吸水率1.1%,壓碎指標(biāo)6%,表觀密度為2680kg/m3。

4)外加劑。聚羧酸高性能減水劑(液態(tài)),固含量16%,含氣量3.0%,摻量0.6%～2.0%,減水率20%～30%,泌水率28%,28d收縮比率87%,初、終凝時(shí)間差-40min和-50min。拌合水用自來(lái)水。

1.2 試件制備

根據(jù)DL/T 5330-2015 《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》合理確定配合比為m水:m減水劑:m砂:m石:m水泥:m粉煤灰=180:1.5:680:1020:320:80,制備400mm×100mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

本試驗(yàn)利用后張法制作壓應(yīng)力試件,通過(guò)千斤頂對(duì)試件中心預(yù)留的孔道施加預(yù)壓應(yīng)力,應(yīng)用鐓頭錨固定試件端部,施加0.2fc、0.4fc和0.6fc的壓應(yīng)力,試驗(yàn)過(guò)程中控制超張拉3%,以防預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力松弛及混凝土收縮徐變可能引起的預(yù)應(yīng)力損失。在制作拉應(yīng)力試件時(shí),將螺紋鋼筋預(yù)埋在試件兩端,然后利用自制鋼架張拉螺紋鋼筋,從而施加0.2ft、0.4ft和0.6ft的預(yù)拉應(yīng)力。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用快速碳化法測(cè)試混凝土抗碳化性能,控制碳化箱(型號(hào)CABR-HTX12)二氧化碳濃度20%、相對(duì)濕度80%、溫度(20±2)℃,將標(biāo)養(yǎng)28d的各組試件放入碳化箱,然后利用1%酒精酚酞試劑測(cè)定碳化3d、7d、14d、28d的碳化深度。

試驗(yàn)采用快凍法測(cè)試混凝土抗凍性能,將標(biāo)養(yǎng)28d的試件先浸入水中4h使其處于飽水狀態(tài),然后放入快速凍融試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)H-15564型)凍融4h,控制混凝土中心溫度處于-15～5℃,每4h為1次凍融循環(huán),達(dá)到預(yù)定凍融次數(shù)后取出試件,測(cè)定其相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率,當(dāng)質(zhì)量損失率超過(guò)5%或相對(duì)動(dòng)彈模量<60%時(shí)則認(rèn)為混凝土已發(fā)生破壞,試驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳化深度試驗(yàn)

不同應(yīng)力條件下3d、7d、14d、28d碳化時(shí)間的水工混凝土碳化深度測(cè)試結(jié)果,如表1所示。從表1可以看出,無(wú)應(yīng)力條件下(未受力狀態(tài))水工混凝土3d、7d、14d、28d碳化深度依次為7.1mm、12.1mm、16.5mm和20.0mm。水工混凝土碳化深度隨著拉應(yīng)力的逐漸增加而增大,拉應(yīng)力增加到0.2ft時(shí)水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無(wú)應(yīng)力條件下的1.06倍、1.07倍、1.05倍和1.11倍,拉應(yīng)力增加到0.6ft時(shí)水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無(wú)應(yīng)力條件下的1.27倍、1.17倍、1.18倍和1.25倍。水工混凝土碳化深度隨著壓應(yīng)力的逐漸增加而減小,壓應(yīng)力增加到0.2fc時(shí)水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無(wú)應(yīng)力條件下的90.14%、94.21%、94.55%和93.00%,壓應(yīng)力增加到0.6fc時(shí)水工混凝土的3d、7d、14d、28d碳化深度依次為無(wú)應(yīng)力條件下的81.69%、79.34%、84.85%和85.00%。

表1 不同應(yīng)力條件下的碳化深度

壓應(yīng)力條件下,水工混凝土的抗碳化性能增強(qiáng),這是因?yàn)槌惺芤欢▔簯?yīng)力時(shí)水工混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),部分砂漿與骨料之間的間隙趨于閉合,并且低壓力條件下混凝土內(nèi)部未形成或只有極少細(xì)裂縫。所以,一定壓應(yīng)力條件下混凝土結(jié)構(gòu)更加致密,有利于降低CO2向內(nèi)部的傳輸、滲透及擴(kuò)散速度,明顯減小碳化進(jìn)程。同理,拉應(yīng)力條件下水工混凝土的抗碳化性能減弱,這是由于拉應(yīng)力使得骨料與砂漿之間的原有裂隙不斷增加,隨著荷載的增家新的裂縫又進(jìn)一步發(fā)展,裂縫的存在會(huì)明顯加快CO2的傳輸、滲透及擴(kuò)散速度,大大降低混凝土的抗碳化性能[8]。

從表1還可看出,0.6ft、0.4ft、0.2ft、無(wú)應(yīng)力、0.2fc、0.4fc、0.6fc應(yīng)力條件下水工混凝土3d碳化時(shí)間的碳化深度依次為9.0mm、8.2mm、7.5mm、7.1mm、6.4mm、6.3mm、5.8mm;各應(yīng)力條件下,水工混凝土7d相較于3d碳化時(shí)間的碳化深度依次增加56.67%、65.85%、73.33%、70.42%、78.13%、63.49%、65.52%;各應(yīng)力條件下,水工混凝土14d相較于7d碳化時(shí)間的碳化深度依次增加38.30%、39.71%、33.85%、36.36%、36.84%、45.63%、45.83%;各應(yīng)力條件下,水工混凝土28d相較于14d碳化時(shí)間的碳化深度依次增加28.21%、23.68%、27.59%、21.21%、19.23%、20.67%、21.43%。因此,水工混凝土碳化深度隨著碳化時(shí)間的增加逐漸增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。

2.2 質(zhì)量損失率試驗(yàn)

不同應(yīng)力條件下凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土質(zhì)量保留率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。在0.6ft、0.4ft、0.2ft拉應(yīng)力條件下,水工混凝土經(jīng)25次、25次和50次凍融循環(huán)后被拉斷,故無(wú)后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。凍融循環(huán)和拉應(yīng)力耦合作用下水工混凝土試件發(fā)生過(guò)早破壞,究其原因是內(nèi)部結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力作用變得松弛,從而擴(kuò)大了骨料與砂漿之間的空隙,對(duì)混凝土凍融損傷起到加速破壞作用[9]。隨著凍融次數(shù)的增加混凝土抗拉強(qiáng)度不斷降低,損傷破壞逐漸加劇,并進(jìn)一步加快裂縫的形成與發(fā)展,而裂縫的形成擴(kuò)展反過(guò)來(lái)又會(huì)加速凍融損傷,如此反復(fù)循環(huán)使得抗凍性能逐步劣化,最終使得混凝土發(fā)生過(guò)早破壞。

壓應(yīng)力條件下,水工混凝土質(zhì)量保留率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。在凍融循環(huán)0～50次時(shí),各壓力條件下的試件質(zhì)量損失相差較小;凍融循環(huán)50～100次時(shí),各壓應(yīng)力條件下的試件質(zhì)量損失相差更小,這是因?yàn)橐欢▔簯?yīng)力條件下,使得混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)在凍融初期階段變得更加致密,從而增大了水分的滲入難度,大大降低了對(duì)混凝土的凍融損傷作用;150次凍融循環(huán)后,0.6fc壓應(yīng)力條件下的試件質(zhì)量損失增大,究其原因是混凝土強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行逐漸下降,即使在0.6fc壓應(yīng)力條件下內(nèi)部依然形成裂縫,對(duì)混凝土抗凍性產(chǎn)生劣化作用。

2.3 相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)

不同應(yīng)力條件下凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次、150次、200次、250次、300次的水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量在拉應(yīng)力條件下快速下降。0.6ft拉應(yīng)力條件下,凍融循環(huán)25次后水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量下降到56%,低于60%試件發(fā)生破壞;0.4ft拉應(yīng)力條件下,凍融循環(huán)25次后水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量下降到64%,接近破壞狀態(tài);0.2ft拉應(yīng)力條件下,凍融循環(huán)50次后水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量下降到58%,低于60%試件發(fā)生破壞。因此,在拉應(yīng)力條件下水工混凝土經(jīng)0～50次凍融循環(huán)就發(fā)生了破壞。究其原因是拉應(yīng)力作用使得內(nèi)部微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,外界水分很容易滲入到混凝土內(nèi)部形成孔隙水壓力和凍脹力,加速試件的凍融破壞,且熱脹冷縮也是導(dǎo)致破壞的重要原因,在熱脹冷縮、凍脹力和拉應(yīng)力的共同作用下使得混凝土發(fā)生過(guò)早破壞〉-11]。

凍融循環(huán)0～75次時(shí),一定壓應(yīng)力略高于無(wú)壓應(yīng)力條件下的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量;凍融循環(huán)75次后,0.60fc壓應(yīng)力條件下的試件相對(duì)動(dòng)彈模量快速下降,凍融循環(huán)150次后下降到57%,低于60%試件發(fā)生破壞。通過(guò)比較不同壓應(yīng)力條件下的試件相對(duì)動(dòng)彈模量可知,相對(duì)動(dòng)彈模量最大的是0.4fc組試件。所以,一定的壓應(yīng)力可以增強(qiáng)水工混凝土抗凍性,超過(guò)該極限值就會(huì)加速凍融破壞。水工混凝土在壓應(yīng)力≤0.4fc時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂縫,且在壓應(yīng)力作用下混凝土澆筑過(guò)程中形成的裂縫也會(huì)趨于閉合,在凍融作用時(shí)能夠有效抑制外界水分的滲入,降低凍融循環(huán)破壞作用。在0.6fc壓應(yīng)力條件下,雖然凍融初期的相對(duì)動(dòng)彈模量降幅較小,但混凝土強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加快速降低,表面逐漸形成裂縫,特別是壓應(yīng)力作用下混凝土裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,從而顯著降低試件的相對(duì)動(dòng)彈模量。

2.4 抗凍壽命測(cè)算系數(shù)

文章將應(yīng)力修正系數(shù)ψ與已有抗凍性能預(yù)測(cè)模型相結(jié)合,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出修正的預(yù)測(cè)模型。應(yīng)力為0時(shí)ψ=1,該條件下無(wú)需修正模型。根據(jù)無(wú)應(yīng)力和不同應(yīng)力條件下水工混凝土凍融破壞次數(shù)N,計(jì)算確定相應(yīng)的修正系數(shù)ψ,其中應(yīng)力比σ/f為正、負(fù)時(shí)代表受壓和受壓應(yīng)力,不同應(yīng)力條件下的修正系數(shù)ψ,見(jiàn)表2。

表2 不同應(yīng)力條件下的修正系數(shù)ψ

通過(guò)回歸分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定應(yīng)力修正系數(shù)ψ與應(yīng)力比σ/f之間的關(guān)系式,擬合曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

3 結(jié) 論

1)應(yīng)力作用對(duì)水工混凝土碳化影響較大,其中拉應(yīng)力會(huì)加速碳化,0.6fc拉應(yīng)力為無(wú)應(yīng)力條件下碳化深度的1.17～1.27倍;壓應(yīng)力條件能夠有效改善水工混凝土抗碳化能力,0.06fc壓應(yīng)力為無(wú)應(yīng)力條件下碳化深度79.34%～85.00%。水工混凝土碳化深度隨著碳化時(shí)間的增加逐漸增大,早期(前7d)水工混凝土的碳化深度快速增加,碳化速度隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。

2)水工混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力作用變得松弛,骨料與砂漿之間的空隙擴(kuò)大,外界水分更易向內(nèi)部滲入,對(duì)凍融損傷起到加速破壞作用。凍融循環(huán)會(huì)快速降低抗拉強(qiáng)度,進(jìn)一步加快裂縫的形成與發(fā)展,而裂縫的形成擴(kuò)展反過(guò)來(lái)又會(huì)加速凍融損傷,如此反復(fù)循環(huán)使得抗凍性能逐步劣化,最終使得混凝土發(fā)生過(guò)早破壞。

3)一定的壓應(yīng)力可以增強(qiáng)水工混凝土抗凍性,壓應(yīng)力≤0.4fc時(shí)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生裂縫,且混凝土澆筑過(guò)程中形成的裂縫也會(huì)趨于閉合,增強(qiáng)整體抗凍性能;0.6fc壓應(yīng)力條件下,雖然凍融初期的相對(duì)動(dòng)彈模量降幅較小,但隨著凍融次數(shù)的增加混凝土表面逐漸形成裂縫,在壓應(yīng)力作用下裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,加快混凝土凍融劣化。

4)通過(guò)回歸分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定應(yīng)力修正系數(shù)ψ與應(yīng)力比σ/f之間的關(guān)系式,可以為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水工混凝土抗凍性能和承受的最大凍融次數(shù)提供一定參考。