軸心受壓荷載-硫酸鹽作用下粉煤灰混凝土的損傷層厚度和抗壓強度研究

田飛翔,李海波,童立強,逯靜洲

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

混凝土材料以其來源廣泛、施工方便、耐久性好等優(yōu)點在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但是在早期混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮環(huán)境影響,往往在環(huán)境惡劣的地方混凝土結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計使用年限．影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素眾多包括凍融作用、鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕等,其中硫酸鹽侵蝕是重要影響因素之一[1-2]．我國有廣闊的內(nèi)陸湖泊和鹽堿地帶,同時東部有廣闊的沿海地區(qū),混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕嚴(yán)重．

高潤東等[3]研究不同配比的混凝土在干濕循環(huán)作用下受硫酸鹽侵蝕劣化規(guī)律．王海龍等[4]則模擬了混凝土在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Na2SO4的干濕循環(huán)作用．朱孔峰等[5]通過對歷經(jīng)荷載作用后受硫酸鹽侵蝕混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗,研究了荷載水平和溶液濃度對混凝土力學(xué)性能的影響．摻加礦物摻合料能顯著改善混凝土的耐久性能,尤其是能改善耐硫酸鹽性能[6]．余振新等[7]研究了混凝土在彎曲荷載-干濕交替-硫酸鹽侵蝕3種因素耦合作用下的損傷劣化過程中,指出粉煤灰和礦粉等礦物摻合料可顯著提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力．李陽等[8]研究了在凍融與硫酸鹽侵蝕雙因素下粉煤灰對混凝土耐久性能的影響,結(jié)果表明粉煤灰可以提高混凝土抗凍和抗硫酸鹽侵蝕能力．曹杰榮等[9]研究了在海洋環(huán)境下混凝土受硫酸鹽侵蝕的機理,研究結(jié)果表明混凝土在不同腐蝕區(qū)帶硫酸根離子傳輸量和傳輸深度不同,海洋潮汐區(qū)和水下區(qū)腐蝕產(chǎn)物量大于大氣區(qū),對于P.I.52.5水泥制備的C40混凝土而言,摻加65%的礦粉有助于提升混凝土抗海洋硫酸根離子侵蝕能力．

目前對摻粉煤灰混凝土在荷載與環(huán)境因素耦合作用下的研究較少,并且簡單地將混凝土劃分為無承載能力的損傷區(qū)和有承載能力的未損傷區(qū)不能很好地反映混凝土真實劣化規(guī)律,因此本文提出以基于損傷區(qū)和過渡區(qū)關(guān)系影響因子的研究方法,以粉煤灰混凝土在軸壓荷載和硫酸鹽作用下的損傷層的變化反映損傷程度,以期為工程實踐提供更好參考依據(jù)．

1 考慮影響因子修正的混凝土損傷層研究

近年來基于超聲波無損檢測混凝土損傷層被越來越多人關(guān)注,但是當(dāng)前研究[10]中往往忽略掉損傷材料部分的承載力．混凝土材料在硫酸鹽侵蝕作用下發(fā)生由表及里的破壞,但是混凝土損傷實際上是一個微觀結(jié)構(gòu)破壞逐步累計最終產(chǎn)生宏觀裂縫損壞的過程,在這個過程中受損混凝土仍然保持部分承載能力．因此本文將損傷分為兩部分:徹底喪失承載能力的損傷層,仍有承載能力的過渡區(qū)．

根據(jù)上述對損傷的定義混凝土材料可分為如圖1所示的三部分:未腐蝕區(qū)A1、過渡區(qū)A2、損傷層A3,在此基礎(chǔ)上分析混凝土損傷更符合實際情況．其中A2為具有承載力的硫酸根離子擴散區(qū),A3由A2發(fā)展導(dǎo)致,因此提出影響因子γ用來表述二者關(guān)系．

總面積A可表示為

A1+A2+A3=A,

(1)

令

A3=γA2,

(2)

通過損傷面積定義混凝土損傷變量D:

(3)

將式(2)代入式(3)得

(4)

根據(jù)應(yīng)變等價性假說[11],應(yīng)力σ作用在受損材料所產(chǎn)生的應(yīng)變等價于有效應(yīng)力作用在無損材料上的應(yīng)變:

(5)

令混凝土受損前的應(yīng)力為σ,則受損后有效應(yīng)力σ'為

(6)

PRASSIANAKIS等[12]的彈性模量計算公式

(7)

由式(5)、(6)、(7)可得

(8)

其中:E為初始彈性模量,E'為試驗后彈性模量,V為初始波速,V'為試驗后波速．

由式(4)、(8)可得

(9)

(10)

式中:F0為初始抗壓強度,Fn為侵蝕n天后的抗壓強度．根據(jù)損傷變量D:

(11)

得到考慮影響因子γ的損傷層厚度d:

(12)

2 設(shè)計試驗

2.1 試驗概況

為了驗證上述研究方法的合理性,設(shè)計試驗進(jìn)行驗證,詳細(xì)試驗參考文獻(xiàn)[14]．試驗采用42.5R普通硅酸鹽水泥,威海某電子廠出產(chǎn)的粉煤灰,細(xì)度模數(shù)為2.8的天然河砂,最大粒徑16 mm的連續(xù)級配碎石,符合國家規(guī)定的自來水．依照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)[13]進(jìn)行配合比設(shè)計,水泥∶粉煤灰∶砂∶石子∶水=1∶0.43∶2.79∶5.19∶0.67．采用YAW-2000D型微機控制電液伺服壓力試驗機測得28 d混凝土立方體抗壓強度31.63 MPa．

2.2 試驗方法

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,鑄模24 h后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,然后再清水養(yǎng)護(hù)90 d,自然風(fēng)干后完成養(yǎng)護(hù)．軸壓荷載的施加采用NELD-CS710型混凝土徐變儀及相關(guān)設(shè)備完成．為保證試驗軸壓荷載和硫酸鹽侵蝕能時時耦合,在實驗時將試件放入截面尺寸略大于試件的長方形不銹鋼盒中,盒內(nèi)注滿Na2SO4溶液然后由徐變儀施加軸壓荷載．荷載軸壓應(yīng)力比分別為:0%、30%、45%、60%,Na2SO4溶液濃度分別為5%、10%,在指定周期利用ZBL-U510型非金屬超聲波檢測儀測波速、測試受損混凝土的單軸抗壓強度,計算損傷層厚度．為方便記錄分析,對不同工況下的試件進(jìn)行編號,詳見表1．

表1 不同工況下的試件編號Tab.1 Test piece number under different working conditions

3 結(jié)果分析

3.1 損傷層厚度

通過式(10)計算γ后代入式(12)計算相應(yīng)損傷層厚度,并繪制成圖2．可以看出在相同應(yīng)力比的軸壓荷載作用下Na2SO4溶液濃度變化不會改變混凝土損傷層厚度變化趨勢,但是F60系列試件與F0、F30、F45系列試件變化明顯不同．

F0、F30、F45系列試件的損傷層厚度隨侵蝕齡期增長呈現(xiàn)先負(fù)后正的變化趨勢．在F0系列試件的實驗前中期損傷層呈現(xiàn)負(fù)值是因為硫酸鹽與混凝土反應(yīng)生成的晶體逐步填充混凝土的內(nèi)部缺陷,混凝土密實程度增加．到一定程度時,晶體繼續(xù)增長產(chǎn)生的膨脹力造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞,這時損傷層變化趨勢向正值變化;當(dāng)填充效果小于破壞效果時損傷層開始出現(xiàn),即損傷層厚度開始呈現(xiàn)正值且隨著侵蝕齡期增長損傷層越來越大,在混凝土試件上反映為混凝土表面出現(xiàn)松散層,產(chǎn)生漿體剝落、掉角等現(xiàn)象．F30、F45系列試件則是在外部荷載作用下混凝土初始內(nèi)部裂縫和孔隙被壓縮,此時硫酸鹽與混凝土反應(yīng)生成的晶體會提前接觸孔隙壁產(chǎn)生膨脹力進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞,在圖2中直觀反映為F30、F452個系列的負(fù)損傷層厚度峰值小于F0系列．F60系列試件損傷層未出現(xiàn)負(fù)值,即當(dāng)軸壓荷載應(yīng)力水平為0.60時混凝土在Na2SO4溶液作用下只呈現(xiàn)損傷劣化狀態(tài)．由此可知軸壓荷載會抑制硫酸鹽在實驗前中期對混凝土的填充密實效果,當(dāng)軸壓荷載足夠大時硫酸鹽對混凝土的填充效果消失,混凝土直接進(jìn)入損傷階段．

通過圖2可看出Na2SO4溶液濃度一定時,隨著應(yīng)力水平增加,負(fù)損傷層峰值降低,即應(yīng)力水平越大,Na2SO4溶液在實驗前中期對混凝土的填充密實效果越差,當(dāng)外部荷載增加到某個界限值時混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下不會出現(xiàn)填充密實作用,這個界限值位于45%和60%應(yīng)力水平的軸壓荷載之間;混凝土最終損傷層厚度隨應(yīng)力水平先降低后增大,轉(zhuǎn)折點位于30%和45%應(yīng)力比的軸壓荷載之間,將此點對應(yīng)的荷載稱為臨界值,軸壓荷載小于臨界值時,最終損傷層厚度隨荷載會隨荷載增加而降低,既增大荷載會抑制混凝土被硫酸鹽侵蝕劣化的作用,如果軸壓荷載大于臨界值時,增大荷載會導(dǎo)致最終損傷層厚度增大,既增大荷載會促進(jìn)硫酸鹽對混凝土的侵蝕效果．應(yīng)力水平一定時,增加Na2SO4溶液的濃度會使得混凝土負(fù)損傷層厚度提前達(dá)到峰值,但是由于在相同荷載作用下混凝土壓縮程度不變,負(fù)損傷層厚度峰值無發(fā)生較大變化;最終損傷層厚度會隨硫酸鹽溶液濃度增加而增大．

3.2 推算混凝土抗壓強度

依據(jù)前文所述:損傷層不能承載壓力,過渡區(qū)由于孔隙結(jié)構(gòu)沒有改變可以承壓,所以硫酸鹽腐蝕后的混凝土完全由過渡區(qū)和未腐蝕層來承壓,它們所能承受的壓力與未腐蝕混凝土的相等,則:

F0·(A1+A2)=Fn·A.

(13)

根據(jù)式(13)得到各個齡期的強度,詳見表2．

表2 推算各齡期混凝土強度Tab.2 Calculate the strength of concrete at various ages MPa

通過計算強度與實測強度可求相對誤差ρ,通過相對誤差來驗證影響因子合理性．

(14)

通過式(14)可計算反算強度與實測強度的誤差,其中F'n為推算各齡期強度,詳見表3．

表3 相對誤差ρTab.3 Relative error %

由表3可知,反算強度與實測強度之間誤差較小,因此表3中推算強度與實測強度能較好地吻合,基于影響因子的粉煤灰混凝土在軸壓荷載和硫酸鹽耦合作用下耐久性分析時合理的．

3.3 試驗對比驗證

為充分說明本文研究方法的適用性,在此引入文獻(xiàn)[15]的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證．該試驗以普通混凝土為研究對象,設(shè)計0%、15%、30%、45%4種應(yīng)力水平的軸壓荷載和5%、10%2種濃度的Na2SO4溶液耦合作用來研究混凝土的長期性能．

選取4種工況分別以A、B、C、D表示,其中A為0%的軸壓荷載和5%濃度Na2SO4溶液耦合,B為0%的軸壓荷載和10%濃度Na2SO4溶液耦合,C為30%的軸壓荷載和5%濃度Na2SO4溶液耦合,D為30%的軸壓荷載和10%濃度Na2SO4溶液耦合．依據(jù)式(12)、(13)、(14)進(jìn)行計算,結(jié)果如表4所示．

表4 對比實驗驗證Tab.4 Comparative experiment verification

表4中強度誤差較小,推算強度基本符合實測強度,證明本文提出的研究方法適用文獻(xiàn)[15]的試驗研究．

4 小 結(jié)

(1)本文將混凝土劃分為未腐蝕區(qū)、過渡區(qū)、損傷層,更加貼合實際工程狀態(tài)．研究基于影響因子的粉煤灰混凝土在綜合考慮在不同應(yīng)力水平和Na2SO4溶液濃度作用下的損傷層能夠直觀反映混凝土的腐蝕狀態(tài),對研究粉煤灰混凝土耐硫酸鹽腐蝕性能具有重要的意義．

(2)混凝土在硫酸鹽溶液作用下會出現(xiàn)增強,表現(xiàn)為損傷層為負(fù)值的現(xiàn)象,即出現(xiàn)負(fù)損傷層．負(fù)損傷層厚度峰值與軸壓荷載的應(yīng)力水平有關(guān)但是與硫酸鹽濃度關(guān)系較小,應(yīng)力水平越大負(fù)損傷層厚度峰值越小,硫酸鹽濃度變化不會使負(fù)損傷層厚度峰值發(fā)生明顯變化．最終損傷層厚度與硫酸鹽濃度和應(yīng)力水平有關(guān),硫酸鹽濃度越大則最終損傷層厚度越大;30%和45%應(yīng)力比的軸壓荷載之間存在一個臨界值,當(dāng)荷載小于臨界值時增大荷載會抑制硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用,荷載小于臨界值時增大荷載會促進(jìn)硫酸鹽對混凝土的侵蝕作用．

(3)依據(jù)本文提出的研究方法計算出強度驗證誤差在15%以內(nèi),說明具有較好的適用性,但是僅依靠宏觀數(shù)據(jù)仍然有些不足,后續(xù)需要通過檢查腐蝕離子侵蝕厚度檢查和微觀試驗等進(jìn)行進(jìn)一步校對完善．