水泥混凝土宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)量化關(guān)系模型

于蕾，張君，張金喜，馬寶成

(1.清華大學土木系建筑材料研究所，北京100084;2.交通運輸部公路科學研究所，北京100088;3.北京工業(yè)大學 交通學院，北京100124)

水泥混凝土宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合的研究，早在20世紀90年代已經(jīng)發(fā)展成為對水泥混凝土性能劣化機理研究的最主要學科方向之一［1］。國際著名水泥混凝土材料專家Neville指出“孔隙可以用于預測混凝土的各方面性能”［2］。已有大量研究表明混凝土宏觀性能和微觀孔構(gòu)造特征參數(shù)之間存在對應關(guān)系。雖然國內(nèi)外研究普遍認同混凝土孔結(jié)構(gòu)的改變會影響混凝土宏觀性能，但多定性結(jié)論［3-7］，建立孔構(gòu)造特征參數(shù)同混凝土宏觀性能數(shù)量關(guān)系的研究很少，建立多種劣化因素作用下宏微觀關(guān)系的研究更是少見。

研究以交通基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常承受的干濕循環(huán)(大氣相對濕度周期變化)、氯鹽侵蝕(除冰鹽，沿海地區(qū)，大氣中存在氯離子)、碳化(CO2占大氣組成0.03%)和凍融循環(huán)(四季交替，季節(jié)凍土)4種劣化因素為對象，在室內(nèi)進行模擬自然環(huán)境的多種劣化因素綜合作用的混凝土耐久性試驗。建立宏微觀數(shù)量關(guān)系，以期能從微觀角度定量描述混凝土的宏觀性能。

1 實驗方案

1.1 原材料

水泥采用普通42.5號硅酸鹽水泥;粉煤灰為F類Ⅰ級粉煤灰;普通河砂，細度模數(shù)2.78;粗集料粒徑范圍5～15 mm;自來水;聚羧酸減水劑，減水率20%;松香引氣劑，摻量0.1‰時，新拌混凝土含氣量約為3%。

1.2 試驗配合比

試件制備與成型依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)進行，配合比見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

干濕循環(huán)與氯離子綜合作用階段，選用鹽害促進試驗機，保證在不干擾試件，保持試件靜止狀態(tài)下，對浸泡、烘干及冷卻過程進行自動控制。試驗機工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖Fig.1 Operating principle

將試件擺放在干燥箱中，設(shè)定干燥溫度(50± 5)℃，恒溫水箱水溫(25±5)℃，鼓風干燥24 h后，水自動從恒溫鹽水箱進入干燥箱，設(shè)定試件浸潤24 h，水自動從干燥箱回流至恒溫水箱，如此干濕循環(huán)作用15次。

將相同配合比相同數(shù)量的另一批試件放入干燥箱，在恒溫水箱中注入鹽水，設(shè)定恒溫水箱中水溫(25±5)℃，鹽水濃度(3±0.5)%，鼓風干燥24 h后，鹽水自動從恒溫鹽水箱進入干燥箱，設(shè)定試件浸潤24 h，鹽水自動回流至恒溫水箱，如此干濕循環(huán)與氯鹽侵蝕耦合循環(huán)作用15次。

將干濕循環(huán)與氯鹽侵蝕綜合作用后的試件放入碳化箱，按照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)［8］中碳化試驗的溫度、濕度、二氧化碳濃度條件設(shè)定后，碳化28 d。取出試件放入自動快凍快融試驗設(shè)備中，按照快凍法試驗條件及凍融破壞判斷標準進行。

每個環(huán)境作用階段結(jié)束，依據(jù)《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)［9］進行試件抗壓強度及動彈模量測量。

每個環(huán)境作用階段結(jié)束，取一立方體試塊，用小錘敲打成大塊后，用顎式破碎機破碎，將碎顆粒放入標準篩篩分，取0.075～2.36 mm粒徑試樣，人工挑選純砂漿顆粒20 g左右(要求:無針片狀顆粒，無石子裹覆，無成型面，近似圓形)，放入超聲波清洗儀清洗5 min，取出放入托盤攤開，放入烘干箱中，(25±5)℃烘 20 min后(105± 5)℃烘24 h，取出晾涼，用分析天平稱量4～5 g左右，依據(jù)《用壓汞法和氣體吸附法評價材料的孔徑分布和孔隙率》(ISO 15901)［10］進行水泥混凝土孔徑分布測定。

1.4 試驗階段編號

為明確各劣化作用階段試件受作用情況，將各試驗階段進行編號如表2所示。NONE代表對照組，對照組一直放在養(yǎng)護室養(yǎng)護，每個階段末取出與試驗組一同進行平行試驗。DW代表干濕循環(huán)作用，NCL代表氯鹽侵蝕，C代表碳化作用，F(xiàn)T代表凍融循環(huán)作用;DW+NCL代表干濕循環(huán)和氯鹽侵蝕綜合作用，DW+NCL+C代表干濕循環(huán)、氯鹽侵蝕和碳化3因素綜合作用，DW+NCL+C+FT代表干濕循環(huán)、氯鹽侵蝕、碳化以及凍融循環(huán)4因素綜合作用。

表2 試驗階段編號及說明Table 2 Experiment step mark and introduction

2 微觀孔結(jié)構(gòu)對宏觀性能影響量化

2.1 相對變化率指標

相對變化率指標用來表征水泥混凝土經(jīng)受環(huán)境因素i作用后的性能變化情況，計算公式如下:

式中:Ri代表環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標相對變化率，%;Pi代表環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標實測值;P0代表標準養(yǎng)護到環(huán)境因素i作用后，水泥混凝土性能指標實測值。

2.2 加權(quán)孔級配指標

由于凝膠孔、過渡孔、毛細孔、大孔對水泥混凝土宏觀性能的影響情況并不相同，且各孔含量隨多因素作用此消彼長，選擇其中某一指標作為參數(shù)表征孔級配特點欠妥，運用歸一化方法［11］，引入“加權(quán)孔級配”概念，它可以綜合表征水泥混凝土各類孔對某一宏觀性能的影響，用符號RWPG表示。記凝膠孔對宏觀性能增長的權(quán)重系數(shù)為ωG，過渡孔對應的權(quán)重系數(shù)ωT，毛細孔對應的權(quán)重系數(shù)為ωC，大孔對應的權(quán)重系數(shù)為ωM，則

式中:RG為環(huán)境因素i作用后，凝膠孔含量變化率，%;RT為環(huán)境因素i作用后，過渡孔含量變化率，%;RC為環(huán)境因素i作用后，毛細孔含量變化率，%;RM為環(huán)境因素i作用后，大孔含量變化率，%;ωG為凝膠孔對某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù); ωT為過渡孔對某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù);ωC為毛細孔對某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù);ωM為大孔對某宏觀性能影響權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)AHP算法中的標度原理［12］，以提高抗壓強度為判斷準則，標度各孔級配參數(shù)，對各孔級配指標兩兩比較，建立判斷矩陣如下

根據(jù)試驗結(jié)果與式(3)，按照式(2)計算得到各孔級配指標的排序結(jié)果為:(0.60，0.30，0.07，0.03)。記為

同理，對于混凝土抗氯離子滲透性有:

對于混凝土抗剝蝕性有:

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 實測試驗結(jié)果

宏觀指標試驗結(jié)果列于表3，微觀指標試驗結(jié)果列于表4～6。

表3 宏觀指標試驗結(jié)果Table 3 Macro-performance test data

表4 1#混凝土微觀指標試驗結(jié)果Table 4 Pore structure test data on 1#concrete

表5 2#混凝土微觀指標試驗結(jié)果Table 5 Pore structure test data on 2#concrete

表6 3#混凝土微觀指標試驗結(jié)果Table 6 Pore structure test data on 3#concrete

2.3.2 微觀孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)分析

由式(1)及表3～6所列試驗實測數(shù)據(jù)，計算各個宏微觀指標的相對變化率，將宏觀性能表征指標變化率與微觀孔結(jié)構(gòu)表征指標變化率進行灰色關(guān)聯(lián)分析［11］，得到不同孔結(jié)構(gòu)表征指標對水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度，如表7～9所示。

表7 1#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標與宏觀指標關(guān)聯(lián)度Table 7 Correlation degree between pore structure and macro performance for 1#concrete

表8 2#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標與宏觀指標關(guān)聯(lián)度Table 8 Correlation degree between pore structure and macro performance for 2#concrete

表9 3#混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標與宏觀指標關(guān)聯(lián)度Table 9 Correlation degree between pore structure and macro performance for 3#concrete

2.4 孔級配參數(shù)的整合

根據(jù)2.2節(jié)各孔級配指標對強度的權(quán)重值，與2.3節(jié)各孔結(jié)構(gòu)指標對強度的關(guān)聯(lián)度，加權(quán)計算孔級配參數(shù)對強度指標的相關(guān)度:

由此得到3種配合比水泥混凝土孔級配參數(shù)對強度的關(guān)聯(lián)度分別為0.783 2，0.626 8，0.682 2。

同理，計算3種配合比水泥混凝土孔級配參數(shù)對非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)的關(guān)聯(lián)度分別為0.783 2，0.590 2，0.440 3.對損傷的關(guān)聯(lián)度分別為0.765 9，0.618 5，0.553 2。

2.5 孔徑分布參數(shù)優(yōu)選

基于灰色關(guān)聯(lián)理論及孔徑分布參數(shù)的實際意義，結(jié)合前人研究，設(shè)定孔徑分布參數(shù)優(yōu)選原則:1)將同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中關(guān)聯(lián)度相近指標剔除;2)將同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中關(guān)聯(lián)度較小指標剔除;3)考慮同一孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)中不同指標幾何意義及物理意義差異;4)參考前人對孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)與宏觀指標關(guān)系研究。

如圖2所示，對于不同配合比水泥混凝土，孔徑分布特征參數(shù)中分形維數(shù)、平均孔徑、最可幾孔徑指標與強度關(guān)聯(lián)度隨水泥混凝土配合比不同變化趨勢相似，按優(yōu)選原則1，可選三者其中任一指標代表孔徑分布參數(shù)與強度建立關(guān)系。根據(jù)優(yōu)選原則2，臨界孔徑指標與強度關(guān)聯(lián)度較低，予以剔除。

圖2 不同配合比混凝土孔徑分布參數(shù)對強度的關(guān)聯(lián)度Fig.2 Correlation degrees between compress strength and pore diameter distribution parameters for different concretes

考慮優(yōu)選原則3，最可幾孔徑幾何意義是出現(xiàn)幾率最大的孔徑，也即孔徑分布曲線峰值所對應的孔徑，物理意義是小于該孔徑則不能形成連通的孔道，而連通性與混凝土抗?jié)B關(guān)系較強，在強度分析中予以剔除。

優(yōu)選原則4，考慮前人對孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)與抗壓強度關(guān)系的研究［2-5］，選擇能夠綜合表征孔徑分布情況的分形維數(shù)指標作為孔徑分布參數(shù)建立同強度的關(guān)系。

同樣的分析方法，選取臨界孔徑作為孔徑分布參數(shù)及平均孔徑分別建立其同抗氯離子滲透性及損傷同孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2.6 孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對宏觀性能的影響權(quán)重

由2.4節(jié)孔級配參數(shù)整合與2.5節(jié)孔徑分布指標優(yōu)選，將各指標進行歸一化處理，將4種孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對各宏觀性能影響程度權(quán)重匯編于表10。

表10 孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對宏觀性能影響權(quán)重Table 10 Weight value from pore structure to macro performance

3 宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)定量關(guān)系模型

由2.5節(jié)及表8，建立水泥混凝土宏觀性能與孔結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系:

表11 模型權(quán)重參數(shù)取值Table 11 Weight value in model

4 結(jié)論

研究以交通基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常承受的干濕循環(huán)(大氣相對濕度周期變化)、氯鹽侵蝕(除冰鹽，沿海地區(qū)，大氣中存在氯離子)、碳化(CO2占大氣組成0.03%)和凍融循環(huán)(四季交替，季節(jié)凍土)4種劣化因素為對象，在室內(nèi)進行模擬自然環(huán)境的多種劣化因素綜合作用的混凝土耐久性試驗。測試不同劣化階段水泥混凝土的抗壓，抗?jié)B及抗凍性能;用壓汞法測得對應劣化階段水泥混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)指標值;基于灰色關(guān)聯(lián)理論，對微觀孔結(jié)構(gòu)指標與宏觀性能指標進行關(guān)聯(lián)分析，具體結(jié)論如下:

1)將宏觀性能表征指標相對變化率與微觀孔結(jié)構(gòu)表征指標相對變化率進行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到不同孔結(jié)構(gòu)特征指標與水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度。

2)依所研究的宏觀性能指標，對孔徑分布參數(shù)進行優(yōu)選，對孔級配參數(shù)進行整合，最終保留了與宏觀性能指標聯(lián)系最為緊密的微觀孔結(jié)構(gòu)特征指標;將不同孔結(jié)構(gòu)特征指標對水泥混凝土宏觀性能的關(guān)聯(lián)度進行歸一化處理，得到4種孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)對各個宏觀性能影響程度的權(quán)重值。

3)建立了各宏觀指標與微觀孔結(jié)構(gòu)表征參數(shù)相對變化率之間的量化關(guān)系模型，該量化關(guān)系模型可以用來評價宏觀性能在多種劣化因素綜合作用后的劣化程度。所得宏觀性能衰變指數(shù)用來衡量由于微觀孔結(jié)構(gòu)特征的變化導致的宏觀性能變化情況。

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