活性粉末混凝土在海水凍融作用下的耐久性

安明喆，王　華，王　月，韓　松，黃瀚鋒，余自若，季文玉

(北京交通大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，北京　100044)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，跨江、跨海鐵路橋梁作為鐵路專線的重要組成部分，在我國東部、西北等地區(qū)的建設(shè)突飛猛進。鐵路橋梁橋墩等位于水位變化區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境往往較為惡劣，惡劣的服役環(huán)境勢必會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響橋墩等混凝土結(jié)構(gòu)的性能。北方沿海地區(qū)鐵路橋梁工程中的橋墩混凝土普遍遭受凍融循環(huán)與侵蝕作用。海水凍融循環(huán)作用下，橋墩保護層混凝土破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致滲透性增加，加速海水中的氯離子等介質(zhì)侵入到鋼筋表面，引起鋼筋銹蝕，使混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化，甚至引起結(jié)構(gòu)的失效破壞。Gjorv調(diào)查了挪威海邊700座浪濺區(qū)的橋墩混凝土結(jié)構(gòu)，其中超過20%的橋墩是因為鋼筋銹蝕引起的破壞。賈超[1]等研究表明：300次凍融循環(huán)后，青島海灣大橋橋墩用混凝土的抗壓強度下降幅度超過40%?，F(xiàn)有研究證實，凍融循環(huán)與氯離子侵蝕耦合作用對鋼筋混凝土的破壞作用要遠高于單純氯離子侵蝕和水凍融循環(huán)作用的簡單疊加[2]。多因素耦合作用極可能造成沿海橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[3]，這是鐵路橋梁中比較常見的質(zhì)量通病。洪雷等[4]研究表明，海水凍融循環(huán)100次后，C40混凝土的氯離子擴散系數(shù)增大了1.5倍。占寶劍[5]研究表明，在海水凍融循環(huán)作用100次后，混凝土的抗壓強度下降了約50%。覃麗坤等[6]測定了海水凍融循環(huán)作用后引氣混凝土的抗壓強度，400次循環(huán)作用后抗壓強度下降了51.8%。由上述研究可見，海水凍融循環(huán)作用對混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化作用顯著。

活性粉末混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，已應(yīng)用于鐵路橋梁等設(shè)施的上部結(jié)構(gòu)中[7-8]。同時，活性粉末混凝土優(yōu)異的性能也可為鐵路橋梁下部混凝土結(jié)構(gòu)防護設(shè)計提供新思路?，F(xiàn)階段研究主要集中在凍融循環(huán)或氯離子侵蝕等單因素對活性粉末混凝土的耐久性的影響。HU S等[9]測定了活性粉末混凝土材料的氯離子滲透性，認為密實的水泥石基體和鋼纖維增韌阻裂是使活性粉末混凝土表現(xiàn)出良好抗?jié)B性的原因。JU Y Z等[10]分析了凍融循環(huán)作用下水膠比和鋼纖維摻量的活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明水膠比主要影響抗壓強度，而鋼纖維摻量對抗彎強度和劈裂抗拉強度的影響較大。從目前國內(nèi)外研究來看，尚缺乏復(fù)雜服役環(huán)境下多因素耦合作用對活性粉末混凝土耐久性的研究。

采用活性粉末混凝土進行沿海寒冷地區(qū)高速鐵路橋墩、承臺等水位變動區(qū)域結(jié)構(gòu)的防護設(shè)計，可大幅提升結(jié)構(gòu)物的服役壽命。本文針對北方沿海地區(qū)鐵路橋梁水位變動區(qū)域服役環(huán)境，通過試驗研究海水凍融循環(huán)作用下，粉煤灰和礦粉替代硅粉的活性粉末混凝土的抗壓強度和氯離子擴散變化規(guī)律，然后以凍融破壞和氯離子侵蝕作用為控制變量預(yù)測混凝土的使用壽命，為橋梁混凝土結(jié)構(gòu)防護設(shè)計提供依據(jù)。

1　試驗概況

試驗用原材料：42.5普通硅酸鹽水泥；平均粒徑為0.31 μm的微硅粉；Ⅰ級粉煤灰；活性指數(shù)為101%的S95礦粉；細度模數(shù)為2.6的河砂；粒徑為0.16～0.315，0.315～0.63和0.63～1.25 mm的石英砂；粒徑為5～10和10～25 mm的石灰?guī)r碎石；直徑為0.20 mm、長度為13 mm、抗拉強度為2.8 GPa的短細防銹鋼纖維；減水率29%、含固量31%的氨基磺酸鹽系減水劑；減水率為30%的聚羧酸系減水劑。

活性粉末混凝土的水膠比取0.20，膠凝材料總用量為866 kg·m-3，其中水泥用量為706 kg·m-3。為了研究粉煤灰和礦粉對活性粉末混凝土耐久性的影響，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，分別按一定的比例替代了微硅粉，具體配合比見表1。對比混凝土選擇強度等級為 C50的高性能混凝土，其水膠比為0.3，砂率為38%，具體配合比見表2。

表1　活性粉末混凝土配合比　kg·m-3

表2　C50高性能混凝土配合比　kg·m-3

混凝土試件選擇100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件?；钚苑勰┗炷猎嚰尚秃笙仍谑覂?nèi)放置24 h拆模，再放入蒸汽養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護。蒸汽養(yǎng)護制度：升溫速度按15 ℃·h-1升至75 ℃后恒溫養(yǎng)護68 h，再把試件溫度降至20 ℃，并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d。高性能混凝土試件在室內(nèi)放置24 h后拆模，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d。

氯離子含量測試樣品分別取自海水凍融循環(huán)作用200，400，600和800次后的活性粉末混凝土試件，取樣位置分別為距試件表面0～5，5～10，10～15，15～20和20～25 mm共5個深度區(qū)域，所對應(yīng)的深度分別取其平均深度2.5，7.5，12.5，17.5和22.5 mm。將試樣(剔除鋼纖維)研磨至粒徑160 μm以下，再在80 ℃溫度下烘干至恒重。使用快速氯離子含量測定儀測定氯離子含量，測定前首先將電極在1×10-3mol·L-1的NaCl溶液中進行1～1.5 h的活化，而后依次在5.0×10-5，5.0×10-4和5.0×10-3mol·L-1的NaCl標(biāo)準(zhǔn)溶液中標(biāo)定電極直到電極的可信度達到要求，再取靜置溶液的上清液20 mL進行測試。

2　試驗結(jié)果

2.1　抗壓強度

海水凍融循環(huán)前后活性粉末混凝土和高性能混凝土的抗壓強度及強度損失率分別見表3和表4。由表3和表4可見：C50高性能混凝土的凍融循環(huán)前抗壓強度為59.3 MPa，隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，抗壓強度逐漸降低，300次凍融循環(huán)作用后，抗壓強度降低至41.4 MPa，其強度損失率達30.15%。與單摻硅粉的活性粉末混凝土相比，采用粉煤灰替代硅粉31%和56%的活性粉末混凝土，28 d的抗壓強度分別降低至112.5和124.72 MPa，其降幅分別為8.9%和20.1%；礦粉替代硅粉40%和60%的活性粉末混凝土，28 d的抗壓強度分別降低至105和109.7 MPa，其降幅分別為32.7%和30.7%。 基準(zhǔn)、F1和F2試件的抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢，800次凍融循環(huán)后較其28 d強度分別減小了31.8，9.0和7.7 MPa，其抗壓強度損失率分別為20.4%，8.0%和6.1%。由此可知，摻入粉煤灰的活性粉末混凝土初始抗壓強度雖然低于單摻硅粉的活性粉末混凝土，但是抗壓強度損失率遠低于后者，摻入粉煤灰改善了活性粉末混凝土抵抗海水凍融的能力。而摻入礦粉的M1和M2試件的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈上升趨勢，凍融循環(huán)800次后抗壓強度較其28 d強度不僅沒有降低，還分別提高了18.6和5.5 MPa，其強度增長率為17.7%和5.0%。由此可見，礦粉可以顯著改善活性粉末混凝土抵抗海水凍融的能力。

表3　不同配合比活性粉末混凝土的抗壓強度及其損失率

表4　C50高性能混凝土的抗壓強度及其損失率

2.2　氯離子擴散系數(shù)

200次海水凍融循環(huán)作用后，C50混凝土表面嚴(yán)重剝落，導(dǎo)致無法取樣測定試件不同位置處的氯離子含量?；钚苑勰┗炷猎嚰诤Ｋ畠鋈谘h(huán)作用后不同位置處氯離子的含量如圖1所示。由圖1可見：活性粉末混凝土氯離子含量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，隨著距離試件表面深度的增大而減小。

活性粉末混凝土作為水泥基多孔材料，氯離子在其內(nèi)部的擴散服從Fick第二定律[11]，其解析解為

(1)

式中：C(x,t)為混凝土在氯鹽環(huán)境中暴露時間t后，距表面深度x處的氯離子含量(以占膠凝材料質(zhì)量分數(shù)表示)；x為距混凝土表面的深度，m；t為暴露于氯鹽環(huán)境中的時間(本研究的凍融循環(huán)周期3 h·次-1，根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)計算氯離子環(huán)境下的暴露時間t)，s；C0為氯離子初始含量，mg·g-1；Cs為表面氯離子含量，mg·g-1；D為氯離子擴散系數(shù)，mm2·a-1；erf為高斯誤差函數(shù)。

圖1不同海水凍融循環(huán)次數(shù)作用后活性粉末混凝土試件不同位置處氯離子的含量

根據(jù)氯離子含量的實測結(jié)果，利用式(1)進行擬合，求得的海水凍融循環(huán)作用200次、400次、600次和800次時不同試件的氯離子擴散系數(shù)，如圖2所示。由圖2可見：摻有礦粉和粉煤灰的活性粉末混凝土試件F1，F(xiàn)2，M1和M2，在相同的海水凍融循環(huán)次數(shù)作用下的氯離子擴散系數(shù)均小于基準(zhǔn)試件。依據(jù)氯離子擴散相關(guān)基礎(chǔ)理論，Mangat P S和Molloy B T[12]認為氯離子擴散系數(shù)與時間呈指數(shù)關(guān)系，可表示為

(2)

式中：Dt為擴散時間為t時的氯離子擴散系數(shù)；D0為參考時間t0對應(yīng)的氯離子擴散系數(shù)；m為氯離子擴散系數(shù)對時間的依賴性系數(shù)。

圖2海水凍融循環(huán)作用下不同試件的氯離子擴散系數(shù)變化曲線

因此，采用式(2)對圖2中的數(shù)據(jù)進行回歸分析，計算氯離子擴散系數(shù)對時間依賴性系數(shù)m，結(jié)果見表5。

表5　時間依賴性系數(shù)m

Odd E.Gjorv[13]研究表明：在氯離子環(huán)境中，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨時間呈指數(shù)衰減，且大約一年后趨于穩(wěn)定。由圖2可知，齡期28 d的活性粉末混凝土氯離子擴散系數(shù)隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加呈現(xiàn)類似規(guī)律。利用表5中的依賴性系數(shù)m，由式(2)計算得到作用1年時不同配合比活性粉末混凝土的氯離子擴散系數(shù)見表6。

表6　不同配合比活性粉末混凝土試件氯離子擴散系數(shù)　(mm2·a-1)

3　海水凍融作用下的使用壽命預(yù)測

3.1　凍融破壞為控制因素的材料壽命預(yù)測

影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的控制因素是凍融破壞作用時，混凝土實驗室加速試驗(快速凍融法)壽命與自然環(huán)境下使用壽命間的關(guān)系為[14]

(3)

式中:t為混凝土結(jié)構(gòu)的實際使用壽命，a；k為實驗室進行1次凍融循環(huán)試驗與自然環(huán)境下進行凍融循環(huán)次數(shù)的比值，其值在10～15之間，一般取12[15]；N為在實驗室中進行的凍融循環(huán)次數(shù)；M為自然環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)一年所經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)，次·年-1，結(jié)合表7的統(tǒng)計資料[16]，取最大值120次·年-1。

表7　我國不同區(qū)域年平均凍融循環(huán)次數(shù)　(次·年-1)

在海水凍融循環(huán)作用下，評價活性粉末混凝土耐久性能的指標(biāo)選為抗壓強度損失率。試件失效的判定條件，根據(jù)GB/T 50082中慢凍法的規(guī)定是抗壓強度損失率達25%。

圖3　海水凍融循環(huán)作用下抗壓強度損失率變化

圖3為依據(jù)表3數(shù)據(jù)擬合的抗壓強度損失率隨循環(huán)次數(shù)變化的曲線。由圖3可知： C50，基準(zhǔn)，F(xiàn)1，F(xiàn)2，M1和M2試件抗壓強度損失率達到25%時的試驗次數(shù)，分別為244，960，1 960，1 778，1 946和1 453次。再由式(3)可算出使用壽命，結(jié)果見表8。由表8可知，C50高性能混凝土在海水凍融循環(huán)作用下使用壽命僅為24.4 a，而活性粉末混凝土的使用壽命均大于90 a，且活性粉末混凝土基準(zhǔn)配合比的使用壽命小于摻入礦粉或粉煤灰的活性粉末混凝土。

表8　凍融破壞為主要影響因素的使用壽命

3.2　氯離子侵蝕破壞為控制因素的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測

氯離子滲透性能是評價海工結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)，根據(jù)式(1)作為壽命預(yù)測的依據(jù)，當(dāng)活性粉末混凝土內(nèi)部鋼筋表面氯離子濃度達到鋼筋銹蝕臨界氯離子含量Ccr時，即判定為結(jié)構(gòu)失效，則式(1)可寫為

(4)

當(dāng)已知D，Cs和Ccr時，即可對任意保護層厚度下的結(jié)構(gòu)進行壽命預(yù)測。依據(jù)文獻[17—20]，Ccr取3.5‰，依據(jù)文獻[17]，Cs取6‰。當(dāng)活性粉末混凝土保護層厚度分別為30，40和50 mm時，求得的混凝土使用壽命見表9。由表9可見，活性粉末混凝土在海水凍融環(huán)境下具有優(yōu)異的耐久性。

表9　活性粉末混凝土使用壽命

在實際工程結(jié)構(gòu)中，混凝土材料長期服役于海洋環(huán)境下，材料表面的海水中氯離子含量可能存在一定的波動；混凝土是非均勻材料，相同配合比混凝土的氯離子擴散系數(shù)也可能不同；結(jié)構(gòu)成型過程中，保護層的厚度不可能十分精確；因此，材料的失效概率與壽命也相應(yīng)地存在一定的隨機性。針對這種隨機性，通過Monte Carlo法對隨機變量進行模擬，計算混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命值，通過模擬隨機變量Ccr，Cs，D和x產(chǎn)生的隨機數(shù)代入式(4)中求出，再分析模擬產(chǎn)生的壽命值，以確定壽命分布特征及其他統(tǒng)計量特征。本文首先確定式(4)中4個參數(shù)的分布，然后對基準(zhǔn)，F(xiàn)1，F(xiàn)2，M1和M2活性粉末混凝土使用壽命分別進行5 000次Monte Carlo隨機模擬，并用Weibull分布對模擬結(jié)果進行擬合，最后確定材料的使用壽命。

海洋環(huán)境下混凝土中Ccr，Cs和D作為使用壽命預(yù)測模型的基本輸入?yún)?shù)，其概率分布均服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布[21]，依據(jù)文獻[17]，氯離子擴散系數(shù)的變異系數(shù)取20%；根據(jù)歐盟在2000年出版的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計指南》，混凝土表面氯離子含量和鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量的變異系數(shù)分別取0.23和0.10；依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》，如有95%以上混凝土保護層厚度大于或等于保護層最小厚度，取混凝土保護層容許偏差為±10 mm，則各參數(shù)服從N[X，(ΔX/1.645)2]的分布，當(dāng)保護層厚度分別取30，40和50 mm時，各參數(shù)的分布特征見表10。

累積分布函數(shù)F(t)為

(5)

式中：α為比例參數(shù)，α>0；β為形狀參數(shù)，β>0。

通過對式(5)進行變換，Weibull分布可變?yōu)?/p>

(6)

表10　各影響因素的分布特征

y=βx+b

(7)

經(jīng)過變換后，Weibull分布可用線性分布表示。滿足式(7)的分布即為Weibull分布。

圖4　30 mm保護層厚度基準(zhǔn)試件的Weibull分布擬合

圖5　50 mm保護層厚度基準(zhǔn)試件的Weibull分布擬合

圖6　不同保護層厚度各配合比混凝土使用壽命Weibull分布失效概率

活性粉末混凝土不同厚度保護層時達到10%失效概率的時間/a30mm40mm50mm基準(zhǔn)33 460 7102 1F178 2159 6261 7F238 970 8126 1M140 175 3125 3M285 6176 3293 3

粉煤灰摻量適中的活性粉末混凝土，其使用壽命比基準(zhǔn)組增加了130%～160%；而粉煤灰摻量過高的活性粉末混凝土，其使用壽命比基準(zhǔn)組僅增加了15%～25%，說明活性粉末混凝土中摻入適量的粉煤灰對材料抵抗海水凍融能力的改善作用最好。中等摻量的礦粉能使材料壽命提高20%左右，而進一步提高摻量，可使材料壽命增加150%～180%，說明活性粉末混凝土的使用壽命隨礦粉摻量的提高而增加。

綜上所述，摻入粉煤灰和礦粉的活性粉末混凝土使用壽命均高于單摻硅粉的活性粉末混凝土，不同礦物摻合料替代比例下的活性粉末混凝土使用壽命相差較大。若要大幅提高活性粉末混凝土的使用壽命，需增加混凝土保護層的厚度和選取合理的礦物摻合料替代比例。

3.3　海水凍融環(huán)境下活性粉末混凝土服役壽命預(yù)測

根據(jù)計算出的失效概率進行判斷，當(dāng)凍融破壞為控制因素時，各配合比活性粉末混凝土使用壽命均大于90 a；當(dāng)氯離子引起的鋼筋銹蝕為控制因素時，保護層厚度40 mm可保證材料使用壽命大于60 a，其中F1和M2試件的使用壽命均超過150 a；當(dāng)保護層厚度為50 mm時，各配合比活性粉末混凝土使用壽命均大于100 a，其中F1和M2試件的使用壽命均超過250 a。綜上所述，保護層厚度的增加可顯著延長活性粉末混凝土的使用壽命，摻入粉煤灰和礦粉替代硅粉也可顯著延長活性粉末混凝土的使用壽命。

4　結(jié)　論

(1)高性能混凝土抗壓強度隨海水凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢，其下降幅度較為顯著。與高性能混凝土相比，粉煤灰替代硅粉的活性粉末混凝土的抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈下降趨勢，但其降幅并不大。而礦粉替代硅粉的活性粉末混凝土，其抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈上升趨勢，且其增幅較為明顯。

(2)在海水凍融作用下，不同配合比活性粉末混凝土中，氯離子的含量均隨距離試件表面深度的增加呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，而距離試件表面相同部位的氯離子含量隨凍融循環(huán)作用次數(shù)增加呈增大的趨勢。根據(jù)試驗結(jié)果擬合而得的不同配合比活性粉末混凝土的擴散系數(shù)，均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先減少后趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)凍融破壞為控制因素的壽命預(yù)測分析表明：粉煤灰或礦粉替代硅粉的活性粉末混凝土，在海水凍融循環(huán)作用下的使用壽命大于單摻硅粉的活性粉末混凝土，且活性粉末混凝土在海水凍融循環(huán)作用下的使用壽命均超過90 a，遠高于C50高性能混凝土。

(4)考慮凍融循環(huán)作用的氯離子侵蝕壽命預(yù)測分析表明：當(dāng)保護層厚度為40 mm時，不同配合比活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命均達到60 a以上，當(dāng)保護層厚度為50 mm時，不同配合比活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命均達到100 a以上。在海水凍融循環(huán)作用下，采用粉煤灰和礦粉替代部分硅粉、增加保護層厚度均可顯著提高活性粉末混凝土的使用壽命。

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