蔣志律，付傳清，嚴(yán)文杰

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

氧氣在混凝土內(nèi)的傳輸將影響鋼筋銹蝕速率，是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的因素之一[1].混凝土是一種多孔介質(zhì)材料，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)氧氣傳輸有著重要影響[2-3].另外，實(shí)際服役混凝土結(jié)構(gòu)承受各種荷載作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損傷.因此，在研究混凝土介質(zhì)傳輸性能時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮荷載因素的影響[4].

已有研究[5-8]表明相對(duì)于未損傷混凝土，損傷混凝土的離子傳輸能力將會(huì)大幅提高.Kurumatani等[5]指出損傷后混凝土的離子擴(kuò)散系數(shù)可以達(dá)到未損傷時(shí)的20倍.Fu等[6-7]研究了不同程度軸拉疲勞損傷混凝土的水分和氯離子傳輸性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最大荷載超過(guò)30%極限荷載時(shí)，混凝土內(nèi)水分干燥速率和氯離子侵蝕速率均將明顯加快.牛荻濤等[8]開(kāi)展了鹽霧環(huán)境下疲勞損傷混凝土的氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著疲勞損傷變量增大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大；與彎曲疲勞受壓區(qū)相比，受拉區(qū)的擴(kuò)散系數(shù)較大.

國(guó)內(nèi)外混凝土介質(zhì)傳輸研究主要集中在水分和離子傳輸上，而對(duì)氧氣在混凝土中的傳輸機(jī)理研究較少.Villani等的研究結(jié)果[9]表明相對(duì)于混凝土氧氣滲透系數(shù)，氧氣擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性較??；邊界條件和試件處理將很大程度影響實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性.He等[10]研究了干濕循環(huán)與碳化引起的混凝土孔結(jié)構(gòu)變化對(duì)混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)的影響.Fu等[11]開(kāi)展了骨料與砂漿之間界面過(guò)渡區(qū)氧氣擴(kuò)散性能的試驗(yàn)研究，確定了不同水灰比下界面過(guò)渡區(qū)孔隙率對(duì)氧氣擴(kuò)散的影響.湯玉娟等[12]在簡(jiǎn)化毛細(xì)管束幾何模型的基礎(chǔ)上，引入孔隙率、孔隙迂曲度等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了考慮飽和度影響的混凝土氣體擴(kuò)散模型.

以上混凝土氧氣擴(kuò)散性能研究是針對(duì)未損傷混凝土.但是在實(shí)際工程中，荷載作用下混凝土一般都會(huì)具有一定的損傷度.針對(duì)實(shí)際情況，須進(jìn)一步研究損傷混凝土內(nèi)的氧氣擴(kuò)散機(jī)理.因此，本文設(shè)計(jì)了6種不同損傷程度的混凝土試件，采用核磁共振法測(cè)定損傷后混凝土的孔隙變化，研究疲勞損傷對(duì)混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；研究了不同疲勞損傷程度混凝土的氧氣擴(kuò)散系數(shù)，并基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析建立了氧氣擴(kuò)散系數(shù)與損傷度的經(jīng)驗(yàn)公式.

1 試驗(yàn)概況

1.1 混凝土材料及試件制作

試驗(yàn)采用山東魯城水泥有限公司生產(chǎn)的P·I 42.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用級(jí)配良好的河砂；粗骨料采用天然碎石，粒徑為5～20 mm；試驗(yàn)用水為去離子水.混凝土配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比/kg·m-3

軸拉疲勞試驗(yàn)采用130 mm×130 mm×1 200 mm的混凝土試件.在試件角部分別設(shè)置4根直徑為12 mm的螺桿，并在兩端各伸出100 mm，以便后期疲勞荷載加載.混凝土試件澆筑成型拆模后放入20±2 ℃、95%相對(duì)濕度的環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d.

1.2 軸拉疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)在多通道MTS電液伺服萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用MTS 500 kN的作動(dòng)頭施加疲勞荷載，如圖1所示.將試件對(duì)準(zhǔn)上部作動(dòng)頭的位置，試件兩端伸出的螺桿插入上下部預(yù)留孔中，安裝螺絲固定，再用紅外線水準(zhǔn)儀保證試件垂直.試驗(yàn)采用正弦波形疲勞荷載，加載頻率統(tǒng)一為5 Hz，加載次數(shù)統(tǒng)一為50 000次.為了獲得不同損傷的混凝土試件，采用五種不同加載水平的試件(表2)，另外設(shè)置未加載試件D1作為對(duì)照組.在試件側(cè)面布置應(yīng)變片，其中試件澆筑面以及其對(duì)稱面上，在中間位置布置兩個(gè)應(yīng)變片；在另外兩個(gè)側(cè)面上各布置4個(gè)間隔200 mm的應(yīng)變片.

圖1 疲勞試驗(yàn)裝置

表2 不同試件疲勞荷載

采用基于最大疲勞應(yīng)變的損傷指標(biāo)[13]來(lái)表征軸拉疲勞損傷混凝土的損傷程度.文獻(xiàn)[14-16]中表明混凝土的損傷發(fā)展規(guī)律與疲勞變形規(guī)律基本一致，且與加載的過(guò)程無(wú)關(guān)，疲勞破壞時(shí)混凝土試件的極限疲勞應(yīng)變基本為定值.因此，采用最大疲勞應(yīng)變定義材料損傷變量可以表示為

(1)

式中：εr為混凝土試件疲勞循環(huán)n次以后的疲勞應(yīng)變；ε0為未經(jīng)過(guò)疲勞損傷的混凝土試件的疲勞應(yīng)變(ε0=0)；εre為混凝土試件疲勞損傷破壞時(shí)的累計(jì)疲勞應(yīng)變，本文取為1.6×10-4.

1.3 氧氣擴(kuò)散試驗(yàn)

對(duì)疲勞加載后及未加載試件進(jìn)行取芯，取出直徑75 mm、高130 mm的圓柱體.為了達(dá)到一維氧氣傳輸，采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)圓柱體側(cè)面進(jìn)行密封.切出20 mm厚圓片作為氧氣擴(kuò)散試件，每組3個(gè)試件.擴(kuò)散試驗(yàn)前，為了盡量減少干燥引起的混凝土微結(jié)構(gòu)破壞，將試件在真空干燥箱中45 ℃烘干至恒重，即間隔24 h試件質(zhì)量變化小于0.1%.

氧氣擴(kuò)散裝置由兩個(gè)獨(dú)立腔室、氧氣傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輸氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)組成，如圖2所示.首先將待測(cè)試件放入兩個(gè)腔室之間，保證密封連接且具有絕對(duì)氣密性.再將其中一側(cè)腔室的進(jìn)氣閥門(mén)連接氧氣鋼瓶，使腔室充滿氧氣；同時(shí)將另一側(cè)腔室進(jìn)氣口同氮?dú)怃撈窟B接，使其充滿氮?dú)?這時(shí)，兩個(gè)腔室之間形成初始氧氣濃度梯度，使氧氣在濃度梯度作用下通過(guò)試件進(jìn)行一維擴(kuò)散.

圖2 氧氣擴(kuò)散試驗(yàn)裝置

假定混凝土內(nèi)的氧氣擴(kuò)散符合Fick氣體擴(kuò)散第一定律，則可推導(dǎo)得到氧氣擴(kuò)散系數(shù)Dfe的表達(dá)式為

(2)

式中：?[C]/?[L]為氧氣在待測(cè)試件兩側(cè)的腔室內(nèi)濃度梯度(mol·m-4)；N為待測(cè)試件在t時(shí)間后通過(guò)的氧氣量(mol)；S為氧氣的有效擴(kuò)散面積(m2).

假定試驗(yàn)過(guò)程中試件內(nèi)部的氧氣濃度梯度為線性分布，可得在某一時(shí)刻時(shí)氧氣濃度梯度的公式為

?[C]/?L=(C2-C1)/L=ΔC/L

(3)

式中，L為待測(cè)試件厚度(m)；C1為某一個(gè)時(shí)間低濃度氧氣側(cè)的腔室中氧氣濃度(mol·m-3)；C2為同一時(shí)間下高濃度氧氣一側(cè)腔室中的氧氣濃度(mol·m-3).

根據(jù)采集記錄的腔室氧氣濃度數(shù)據(jù)，利用式(3)獲得不同時(shí)間點(diǎn)的濃度梯度，再通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到濃度梯度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式，最后代入式(2)可以計(jì)算得到待測(cè)試件的氧氣擴(kuò)散系數(shù).

1.4 低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)

為表征損傷混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，在氧氣擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)后試件的中心區(qū)域切割出40 mm×40 mm×20 mm的樣品，進(jìn)行低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn).核磁共振法具有非侵入性和非破壞性，可以讓測(cè)試樣品更加接近試件的真實(shí)情況.采用的設(shè)備是蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的核磁共振儀器，型號(hào)為MesoMR12-110H-I.試驗(yàn)前須將樣品進(jìn)行真空飽水處理，再放入核磁線圈中進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同損傷度下的孔隙結(jié)構(gòu)

疲勞試驗(yàn)后，Y1-Y5測(cè)得的疲勞應(yīng)變分別為2.400×10-5、4.482×10-5、5.072×10-5、5.728×10-5和6.720×10-5.式(1)的疲勞損傷變量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

d=εr/εre

(4)

根據(jù)式(4)，Y1～Y5試件的損傷變量分別為0.150、0.249、0.317、0.358和0.420.采用核磁共振法測(cè)得的D1、Y1～Y5組的孔隙率分別為12.59%、13.21%、13.02%、12.57%、13.49%和13.90%.不同損傷度混凝土試件孔徑分布，即相應(yīng)孔徑對(duì)應(yīng)所占孔隙的百分比，如圖3所示.

圖3 核磁共振孔徑分布圖

圖3(a)結(jié)果表明，與未損傷混凝土相比，損傷混凝土的臨界孔徑較接近，但對(duì)應(yīng)的孔隙度分量較大，且其孔隙度分量基本隨著損傷度增大而增大；在20～100 nm區(qū)間內(nèi)，Y2、Y3和Y4試件孔隙度分量反而比未損傷試件小.在經(jīng)過(guò)軸向疲勞損傷之后，混凝土內(nèi)大于1 μm孔未明顯增多，說(shuō)明本次疲勞荷載損傷程度較小，混凝土內(nèi)未出現(xiàn)明顯裂縫.圖3(b)結(jié)果表明，損傷與未損傷混凝土孔隙均集中在孔徑小于50 nm的毛細(xì)孔.當(dāng)損傷度小于0.317時(shí)，隨著損傷度增大，混凝土內(nèi)<20 nm孔隙增多，而20～50 nm區(qū)間內(nèi)孔隙減少，說(shuō)明此時(shí)損傷主要體現(xiàn)在較小毛細(xì)孔的生成與擴(kuò)展；當(dāng)損傷度大于0.317時(shí)，混凝土內(nèi)>20 nm隨著損傷度增大而明顯增多，表明損傷度較大時(shí)混凝土內(nèi)較粗毛細(xì)孔數(shù)量增多.

2.2 損傷度對(duì)氧氣擴(kuò)散系數(shù)影響

基于實(shí)測(cè)腔室內(nèi)氧氣濃度，根據(jù)式(2)和式(3)得到6組不同損傷程度混凝土試件氧氣擴(kuò)散系數(shù)，每組3個(gè)試件，取其平均值作為最終擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)值，具體見(jiàn)表3.測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[17]中氣體擴(kuò)散系數(shù)值數(shù)量級(jí)一致.

表3 混凝土試件氧氣擴(kuò)散系數(shù)/(m2·s-1)

氧氣擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土損傷度變化曲線見(jiàn)圖4.結(jié)果表明，混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)隨損傷度的增大而增大.隨損傷度的變化趨勢(shì)可以分為兩個(gè)階段：當(dāng)損傷度小于0.317時(shí)，氧氣擴(kuò)散系數(shù)隨著損傷度增大基本呈線性增大；當(dāng)損傷度大于0.317時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)與損傷度仍基本呈線性關(guān)系，但是增長(zhǎng)速度明顯增大.該結(jié)果可用實(shí)測(cè)孔徑分布結(jié)果解釋.由圖3(b)可知，當(dāng)損傷度大于0.317時(shí)，隨著損傷度增大，孔隙逐漸粗化，從而顯著增大了氧氣擴(kuò)散系數(shù).

圖4 不同損傷度下的混凝土氧氣傳輸系數(shù)

2.3 氧氣擴(kuò)散系數(shù)與損傷度的關(guān)系式

根據(jù)多孔材料中氣體擴(kuò)散理論[18]，氣體擴(kuò)散系數(shù)可表示為

D=nDf

(4)

式中，D為混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)，n表征孔隙率、孔迂曲度、孔連通度等因素影響，Df為氣體在直毛細(xì)孔中的擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s).

當(dāng)不存在壓力梯度時(shí)，Houst等[19]在氣體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上提出了氣體在直毛細(xì)孔的擴(kuò)散系數(shù)Df公式為

(5)

式中：R為氣體常數(shù)，取8.314 N·m/(mol·K)；p為氣體壓力，取1.013×105Pa；T為絕對(duì)溫度，取293.15 K；N為阿伏伽德羅常數(shù)，取6.02×1023；a為氧氣分子直徑，取0.346×10-9m；M是氧氣分子量，取32 g/mol.

根據(jù)式(4)和式(5)，得到D1、Y1～Y5試件的n值分別為0.750、0.840、0.908、0.932、1.008和1.144.混凝土擴(kuò)散系數(shù)與未損傷混凝土初始孔隙率ε及損傷度d有關(guān).當(dāng)損傷度d趨近0時(shí)，混凝土孔隙率為初始孔隙率，因此將通過(guò)擬合n值與εd+1關(guān)系建立混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)模型.對(duì)不同損傷度下混凝土n值擬合情況如圖5所示.因此，損傷混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)可表示為

圖5 不同損傷度下n值擬合

(6)

根據(jù)式(6)計(jì)算的混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表4.結(jié)果表明，提出的經(jīng)驗(yàn)公式能較好地?cái)M合實(shí)測(cè)混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù).根據(jù)混凝土初始孔隙率與損傷變量，可利用式(6)估算服役期間混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù).值得注意的是本次研究針對(duì)損傷度較低混凝土擴(kuò)散性能，在未來(lái)將進(jìn)一步研究更高損傷度情況下的混凝土氧氣擴(kuò)散機(jī)理.

表4 混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值比較(10-8 m2/s)

3 結(jié)論

(1)不同疲勞荷載水平使混凝土獲得不同程度的損傷，混凝土損傷程度隨著荷載水平的增大而增大且接近線性增長(zhǎng)；

(2)軸拉疲勞荷載造成混凝土內(nèi)部損傷，從而使混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)增大.結(jié)果表明，混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)隨損傷度增大而增大；

(3)當(dāng)損傷度較小時(shí)，混凝土劣化主要體現(xiàn)在較小毛細(xì)孔數(shù)量的增多；當(dāng)損傷度較大時(shí)，孔徑粗化，加快氧氣擴(kuò)散系數(shù)隨損傷度增大速率；

(4)結(jié)合多孔材料的氣體擴(kuò)散理論，建立了考慮初始孔隙率與損傷度的混凝土氧氣擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，較好地反映了損傷對(duì)混凝土氧氣擴(kuò)散的影響.