復(fù)雜環(huán)境下水工混凝土耐久性評價研究

張 偉，溫玉霞

(1.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局義長灌城管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局總干渠管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100)

水工混凝土結(jié)構(gòu)處于具有侵蝕介質(zhì)的環(huán)境下時，其耐久性就會發(fā)生劣化，很多混凝土結(jié)構(gòu)并沒有達(dá)到設(shè)計使用壽命[1- 2]。因此，如何提高水工混凝土的耐久性以及如何對其耐久性劣化過程進行準(zhǔn)確評估，成為工程及學(xué)術(shù)界的熱門話題之一。

影響水工混凝土耐久性的因素有很多，比如人工砂中石粉含量[3]、礦物摻合量[4]、外加劑的摻合量[5- 7]等。外部環(huán)境同樣也是混凝土耐久性的主要制約條件，如鹽凍環(huán)境、凍融循環(huán)，酸性腐蝕等[8- 9]。水工混凝土經(jīng)常暴露于大氣環(huán)境中，因而會受到碳化作用；處于水位變化的地區(qū)，混凝土還會受到干濕循環(huán)的作用，同時在一些污染比較嚴(yán)重的地區(qū)，水環(huán)境中含有較多的酸性物質(zhì)，對混凝土造成侵蝕。目前，很多關(guān)于混凝土的力學(xué)行為研究主要還是集中于單一因素的研究，對復(fù)雜壞境、多場耦合作用下的混凝土耐久性研究還是比較少見，因而本文在前人研究基礎(chǔ)上[10]，對不同配合比下的水工混凝土在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)”作用下的耐久性進行了評價研究，可為工程設(shè)計提供經(jīng)驗借鑒。

1 水工混凝土耐久性評價體系建立

可通過數(shù)學(xué)方法來表達(dá)各因素之間的相關(guān)關(guān)系，現(xiàn)實中通常采用灰色關(guān)聯(lián)度的方法，灰色關(guān)聯(lián)度越大，表示關(guān)系越密切；灰色關(guān)聯(lián)度的分析方法一般分為：確定評價指標(biāo)、獲取數(shù)據(jù)及確定主行為序列、將數(shù)據(jù)無量綱化、進行關(guān)聯(lián)度計算、指標(biāo)對比排序等五個步驟。其中，計算關(guān)聯(lián)度的方法有很多種，本文采用鄧氏關(guān)聯(lián)度模型進行計算表達(dá)：

R=W×E

(1)

式中，R—關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果矩陣；W—指標(biāo)權(quán)重矩陣；E—關(guān)系度矩陣。

采用層次分析法進行主管權(quán)重的賦值，首先構(gòu)建判斷矩陣：

(2)

通過判斷矩陣P，求解出最大特征根λ和特征向量w1(a，b，c)，a、b、c表示評價指標(biāo)，本文研究指標(biāo)對象為動彈性模量、抗壓強度、質(zhì)量損失三項。

采用嫡權(quán)法進行客觀權(quán)重賦值，其嫡權(quán)矩陣為：

(3)

(4)

式中，W2—客觀權(quán)重矩陣。

再將w1和W2按照式(5)進行耦合計算，得到各評價指標(biāo)的實用權(quán)重為：

(5)

將式(5)得到權(quán)重矩陣以及關(guān)系度矩陣相乘，即可得到灰色關(guān)聯(lián)度值。通過對關(guān)聯(lián)度值分析，將混凝土的耐久性分為五個等級，見表1。

表1 關(guān)聯(lián)度取值范圍對應(yīng)耐久性評價等級

2 耐久性劣化過程試驗研究

2.1 試驗簡介

試驗采用水泥為當(dāng)?shù)厮鄰S生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.75，表觀密度2590kg/m3，粗骨料為5～25mm連續(xù)級配，表觀密度2750kg/m3，粉煤灰主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣等，密度為2.05g/cm3，試驗過程中加入一定量的引氣劑。試驗共分為三組配合比，具體配比設(shè)計情況見表2。按照各組試驗配合比制作成邊長為10cm的標(biāo)準(zhǔn)正方形試件，分別進行碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用下的動彈性模量測試、抗壓強度測試以及質(zhì)量損失測試(硫酸鈉溶液濃度為5%，碳化箱中CO2濃度為0.5%，干濕循環(huán)次數(shù)為120次)。

表2 水工混凝土配合比設(shè)計 單位：kg/m3

2.2 動彈性模量劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的相對動彈性模量值隨循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律如圖1所示。從圖中可以觀察到：相對動彈性模量(0～30次)均略有上升，而后呈逐漸下降趨勢，且后期減小過程越來越快，表明后期混凝土經(jīng)過多次的干濕循環(huán)和碳化腐蝕后，其內(nèi)部損傷達(dá)到一個閾值，因而其動彈會加速下降；水膠比為0.45和0.5時，其相對動彈性模量相差不大，而水膠比達(dá)到0.55，且干濕循環(huán)50次后，其相對動彈性模量的下降速度明顯大于0.45和0.5水膠比下的下降速度，可見適當(dāng)減小水膠比，可提升水工混凝土在碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)作用下的耐久性。

圖1 相對動彈模量變化規(guī)律

2.3 抗壓強度劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的抗壓強度耐腐蝕系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2中可以看到：抗壓強度耐腐蝕系數(shù)的變化規(guī)律與相對動彈性模量的變化規(guī)律保持一致；在前期，受碳化和硫酸鹽的侵蝕，在混凝土微孔隙和裂隙處產(chǎn)生碳酸鈣鈣礬石填充物，混凝土密實度提高，使強度略有增加，當(dāng)侵蝕和循環(huán)作用到一定程度后，內(nèi)部出現(xiàn)膨脹和剝落，抗壓強度逐漸下降；水膠比越大，內(nèi)部越不密實，后期受侵蝕的強度劣化越明顯。

圖2 抗壓強度耐腐蝕系數(shù)變化規(guī)律

2.4 質(zhì)量劣化規(guī)律

復(fù)雜侵蝕環(huán)境下，混凝土的質(zhì)量損失率隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。質(zhì)量損失率與抗壓強度的變化原理其實一致，即前期質(zhì)量增加是由于碳酸鈣鈣礬石的產(chǎn)生并填充混凝土微裂隙，當(dāng)侵蝕和循環(huán)作用到一定程度后，混凝土最薄弱的地方開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，因而質(zhì)量下降；水膠比越大，膨脹剝落作用越明顯，后期的質(zhì)量損失也越大。

圖3 質(zhì)量損失變化規(guī)律

3 復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性評價

根據(jù)式(2)得到構(gòu)建判斷矩陣為：

(6)

其中a=1.316，代入數(shù)據(jù)計算得λ=3.0083，W1=(0.3368，0.4858，0.1774)-1。以S2組實驗數(shù)據(jù)為例，計算得到的各評價指標(biāo)的相對重要度的嫡權(quán)值矩陣為：W2=(0.347，0.3422，0.3108)-1。通過式(5)計算：可得S2組的實用權(quán)重矩陣為：W=(0.3650，0.4761)。

以實驗數(shù)據(jù)為依托，S2組在循環(huán)10次以后的關(guān)系度矩陣為：

E10=[0.914 0.878 0.814]

(7)

將W和E10相乘，得到最終的關(guān)聯(lián)度R10=0.882，同理，將不同循環(huán)次數(shù)下的實驗值帶入計算，即可得S2組最后的關(guān)聯(lián)度矩陣：

(8)

從R值的變化規(guī)律可以看出，混凝土的耐久性在侵蝕環(huán)境及循環(huán)作用50次后，由“較好”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹械绕顮顟B(tài)，這與上文試驗結(jié)果比較吻合。

根據(jù)上述計算過程，分別得到三組的關(guān)聯(lián)度值變化趨勢如圖4所示。從圖4中可以看出，不同配合比下關(guān)聯(lián)度值變化趨勢表現(xiàn)一致，均是先增加后減小的趨勢，這與相對動彈和抗壓強度的變化規(guī)律一樣，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到30次后，關(guān)聯(lián)度逐漸減小，表明耐久性逐漸變差，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次后，耐久性由“較好”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸械取?，?dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到70次左右時，耐久性由“中等”變?yōu)椤拜^差”狀態(tài)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次左右時，耐久性狀態(tài)表現(xiàn)為“差”。由此，可以得出不同配合比的混凝土隨侵蝕循環(huán)次數(shù)耐久性的等級評定表，見表3。在大水膠比(0.55)下，混凝土將率先在70次后進入耐久性“較差”狀態(tài)，而0.45和0.5水膠比下，均可達(dá)到90次后才進入“較差”狀態(tài)，這對于工程設(shè)計實踐具有重要的參考意義。

4 結(jié)論

針對0.45、0.5以及0.55三組不同水膠比配合比下的混凝土試驗組進行耐久性劣化規(guī)律及評價研究，認(rèn)為在0.45和0.5水膠比下的混凝土可在“碳化-硫酸鹽侵蝕-干濕循環(huán)”作用下堅持更長時間(90次)，其耐久性表現(xiàn)更優(yōu)，而在0.55水膠比下，耐久性稍差，僅能堅持70次左右的循環(huán)侵蝕作用，這對于水工混凝土的合理設(shè)計使用具有重要意義。

圖4 各組關(guān)聯(lián)度值變化規(guī)律

表3 耐久性隨侵蝕循環(huán)次數(shù)評價等級結(jié)果