透水混凝土凍融試驗(yàn)及其壽命預(yù)測(cè)★

曹 楊 李 靖 路 然

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.山東省泰安市寧陽(yáng)縣建筑工程管理局，山東 寧陽(yáng) 271400)

透水混凝土凍融試驗(yàn)及其壽命預(yù)測(cè)★

曹 楊1李 靖1路 然2

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.山東省泰安市寧陽(yáng)縣建筑工程管理局，山東 寧陽(yáng) 271400)

在國(guó)內(nèi)外混凝土抗凍性理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)透水混凝土凍融循環(huán)累計(jì)損傷的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)彈性模量衰減模型進(jìn)行了對(duì)比，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了透水混凝土使用壽命，為今后同類工程提供參考。

透水混凝土，凍融試驗(yàn)，壽命，海綿城市

0 引言

“海綿城市”作為時(shí)下一個(gè)熱門的關(guān)鍵詞，已經(jīng)得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人以及各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的關(guān)注。2013年12月12日，習(xí)近平總書記在《中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議》的講話中強(qiáng)調(diào)：“提升城市排水系統(tǒng)時(shí)要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來(lái)，優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市”；在2017年的兩會(huì)上，李克強(qiáng)總理政府工作報(bào)告中提到：統(tǒng)籌城市地上地下建設(shè)，再開(kāi)工建設(shè)城市地下綜合管廊2 000 km以上，啟動(dòng)消除城區(qū)重點(diǎn)易澇區(qū)段三年行動(dòng)，推進(jìn)海綿城市建設(shè)，使城市既有“面子”，更有“里子”[1]。

而在海綿城市建設(shè)中使用最廣泛的材料就是透水混凝土，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)透水混凝土研究技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，但在低溫環(huán)境下的研究仍不完善，本篇文章將基于透水混凝土凍融試驗(yàn)對(duì)其壽命預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)制備

根據(jù)孔思宇[2]理論分析，骨料、水灰比、骨灰比，聚合物、攪拌、成型工藝及養(yǎng)護(hù)條件是影響透水混凝土力學(xué)性能的因素。

在透水混凝土的制備過(guò)程中，其制作工藝直接影響透水混凝土的孔隙率和強(qiáng)度指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者對(duì)透水混凝土的成型方法有了大量研究，其效果也不盡相同，就目前而言，根據(jù)吳冬[5]的試驗(yàn)理論研究，試驗(yàn)將采用手工插搗與機(jī)械振搗的方式相結(jié)合制作方法(手工插搗10次、機(jī)械振搗10 s)，這樣的制作工藝可以讓孔隙率和強(qiáng)度能夠達(dá)到最佳。

2 凍融試驗(yàn)

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》，將養(yǎng)護(hù)24 d的標(biāo)準(zhǔn)試件放在(20±2)℃水中浸泡4 d，在試件養(yǎng)護(hù)第28天時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在凍融循環(huán)過(guò)程中，每隔15次～50次凍融循環(huán)后將試件取出測(cè)試其動(dòng)彈性模量和重量，并對(duì)外觀進(jìn)行細(xì)致記錄。試驗(yàn)采用KDS-60型號(hào)的快凍試驗(yàn)機(jī)。

3 試驗(yàn)分析

目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)高強(qiáng)混凝土的抗凍性與壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)建立了相關(guān)模型，但在透水混凝土方面的研究還不是很完善，劉志勇[6]認(rèn)為定量檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)損傷變量主要有以下5個(gè)指標(biāo),與其相對(duì)應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)模型也可分為5類：1)混凝土質(zhì)量損失率；2)混凝土強(qiáng)度損失率；3)通過(guò)測(cè)量試件凍融循環(huán)過(guò)程中超聲聲速的變化；4)斷裂能或斷裂韌性降低率；5)直接測(cè)試混凝土動(dòng)彈性模量。

因?yàn)橥杆炷恋亩嗫仔?，?nèi)部機(jī)理的復(fù)雜多變，而且考慮到試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性，本次試驗(yàn)主要檢測(cè)指標(biāo)為動(dòng)彈性模量，以殘余動(dòng)彈性模量與原有量的比值或動(dòng)彈性模量損失率來(lái)表示,相應(yīng)的模型稱為相對(duì)動(dòng)彈性模量衰減模型或累積損傷模型。盡管采用相對(duì)動(dòng)彈性模量反映混凝土損傷狀況時(shí)存在劣點(diǎn)問(wèn)題,但這一損傷變量基本能夠反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),而且這樣的檢測(cè)使用的試件數(shù)量相對(duì)較少,能方便地測(cè)試損傷過(guò)程,因此本文采用相對(duì)動(dòng)彈性模量為損傷變量,以未引氣的透水混凝土的快速凍融試驗(yàn)結(jié)果為例對(duì)凍融循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 動(dòng)彈性模量衰減模型

因?yàn)榛炷了プ兯俾蕿閐Et/dN,該速率與(0～t)時(shí)間的動(dòng)彈性模量衰減量成正比,根據(jù)Isaac Newton的“物質(zhì)冷卻定律”(物質(zhì)冷卻的速度正比于物質(zhì)的溫度與外部溫度的瞬時(shí)差)和文獻(xiàn)[7]的動(dòng)彈性模量衰減模型,建立如下:

(1)

其中，E0為混凝土開(kāi)始損傷前的原有的彈性模量；Et為混凝土經(jīng)衰變至某一時(shí)刻t的剩余未損傷量；λ為常數(shù)(本質(zhì)上就是衰變常數(shù)，與凍融過(guò)程中的溫度變化、介質(zhì)、材料本身等參數(shù)有關(guān))；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

為了探討NSP酶中酶的組成與活性同肉鴨飼糧潛在可利用還原糖的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)以胃蛋白酶-胰液素兩步酶水解法為手段，以酶水解物的還原糖含量為尺度，針對(duì)肉鴨飼糧中NSP的特性，篩選與之適應(yīng)的酶譜，為NSP酶制劑在肉鴨飼糧中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)可得：

(2)

(3)

最后整理得到：

Et=E0e-λN

(4)

得到如下指數(shù)方程：

(5)

考慮到實(shí)際情況，本次試驗(yàn)主要測(cè)試的數(shù)據(jù)是試件在水凍水融破壞前后相對(duì)動(dòng)彈模量變化情況，并以一年為測(cè)試周期，一年內(nèi)，試件需要保持正常使用，并且每隔三個(gè)月對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)檢測(cè)。詳細(xì)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試件在水凍水融破壞前后相對(duì)動(dòng)彈模量變化情況 %

為此需要對(duì)圖1的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行擬合：

其中，a,b為待定常數(shù)。對(duì)式(5)兩邊取對(duì)數(shù)：

lny=lna+bN

(6)

令u=lny，c=lna，v=N,

u=c+bv

(7)

由ui=lnyi，vi=Ni。

根據(jù)式(6)，式(7)可以得到表2的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 對(duì)應(yīng)關(guān)系表

用u=c+bv去擬合上述數(shù)據(jù),即在φ=span{1,v}中求函數(shù)u。

其中函數(shù)方程可以如下：

c(φ0,φ0)+b(φ1,φ0)=(u,φ0)

(8)

c(φ0,φ1)+b(φ1,φ1)=(u,φ1)

(9)

而：

(10)

(11)

(12)

(13)

根據(jù)以上算式計(jì)算得到結(jié)果如下：

y1=97.514e-0.010N

(14)

y2=98.494e-0.010N

(15)

y3=100.484e-0.009 9N

(16)

y4=101.494e-0.010N

(17)

y5=104.585e-0.010N

(18)

3.2 凍融循環(huán)累計(jì)損傷的數(shù)學(xué)模型

通過(guò)對(duì)損傷力學(xué)的理論研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在將透水混凝土凍融循環(huán)后其損傷度D定義為式(19)，即透水混凝土的損傷度通過(guò)其相對(duì)動(dòng)彈模量來(lái)表征。根據(jù)劉志勇[6]理論研究表明：混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量越低，意味著損傷程度越大，對(duì)于透水混凝土理論上也符合這一理論：

其中，D為透水混凝土損傷度；E0，Ei分別為透水混凝土初始動(dòng)彈性模量、剩余當(dāng)彈性模量。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由上面的式子可以看出透水混凝土凍融循環(huán)累計(jì)損傷的損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)可以建立函數(shù)關(guān)系，其損傷模型可以按照式(19)指數(shù)函數(shù)形式建模：

D=aebN

(19)

按照式(19)并結(jié)合表3中透水混凝土凍融循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到累計(jì)損傷模型及其曲線(見(jiàn)圖2)。

表3 試件在水凍水融破壞前后相對(duì)動(dòng)彈模量相對(duì)變化情況 %

D1=2.588e0.068N

(20)

D2=2.387e0.069N

(21)

D3=2.223e0.069N

(22)

D4=2.054e0.070N

(23)

D5=1.822e0.072N

(24)

通過(guò)上述擬合方程可以看出，凍融循環(huán)累計(jì)損傷模型的精度比動(dòng)彈性模量衰減模型的精度要高。倘若按照相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到60%為標(biāo)準(zhǔn)使用壽命的話，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)一次快速凍融循環(huán)相當(dāng)于室外自然條件下的凍融循環(huán)12次，若每年凍融循環(huán)按照85次計(jì)算，使用壽命t=12N/85年，那么本次測(cè)試的各個(gè)試件凍融循環(huán)次數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)使用壽命分別是：N1=48.57次，t1=6.86年；N2=49.67次，t2=7.01年；N3=52.09次，t3=7.35年；N4=52.57次，t4=7.42年；N5=55.57次，t5=7.84年。

如果以混凝土損傷度達(dá)到40%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)稱為標(biāo)準(zhǔn)壽命的話，那么按照累計(jì)損傷模型可以計(jì)算各個(gè)試件凍融循環(huán)次數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)使用壽命分別是：N1=40.26次，t1=5.68年；N2=40.85次，t2=5.77年；N3=41.88次，t3=5.91年；N4=42.42次，t4=5.99年；N5=42.90次，t5=6.06年。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)對(duì)兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，凍融循環(huán)累計(jì)損傷的數(shù)學(xué)模型在精度上要比動(dòng)彈性模量衰減模型的精度要高，而且與實(shí)際使用情況非常吻合。2)本次試驗(yàn)為透水混凝土的抗凍性能提升以及預(yù)測(cè)其使用壽命提供了理論上的依據(jù)和檢測(cè)方法。

[1] 央廣網(wǎng).解讀兩會(huì)政府工作報(bào)告 建設(shè)有里有面的“海綿城市”[R].2017.

[2] 孫思宇.透水混凝土的主要性能及其影響因素綜述[J].商品混凝土,2017(1)：46-50.

[3] 孫家瑛，黃 科，蔣華欽．透水水泥混凝土力學(xué)性能和耐久性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2007,10(5)：583-587.

[4] 吳紅斌．聚合物對(duì)透水性混凝土性能的影響研究[J]．山西建筑，2009，35(15)：144-145.

[5] 吳 冬，劉 霞，吳小強(qiáng)，等.成型方式和砂率對(duì)透水混凝土性能的影響[J].混凝土，2009(5)：100-102.

[6] 劉志勇，馬立國(guó).高強(qiáng)混凝土的抗凍性與壽命預(yù)測(cè)模型[J].工業(yè)建筑，2005,35(1):11-14.

[7] 劉崇熙,汪在芹.壩工混凝土耐久壽命的衰變規(guī)律[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2000,17(2)：18-21.

Freezing and thawing test of permeable concrete and its life prediction★

Cao Yang1Li Jing1Lu Ran2

(1.CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China; 2.NingyangCounty,ShandongProvinceConstructionEngineeringAuthority,Ningyang271400,China)

s: Based on the theoretical study on the frost resistance of concrete at home and abroad, the mathematic model of the cumulative damage of the permeable concrete and the dynamic elastic modulus attenuation model are compared, and the service life of the permeated concrete is predicted based on the experimental data, for refereuce.

permeable concrete, freeze-thaw test, life, sponge city

1009-6825(2017)20-0115-03

2017-04-20★:云南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃資助；水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目(2014TG1411)

曹 楊(1991- )，男，在讀碩士； 李 靖(1969- )，男，教授

TU525

A